董宇光 強(qiáng)天偉 田閏樂 劉德明

西安市某高校大學(xué)生活動中心室內(nèi)環(huán)境測試及模擬研究

董宇光 強(qiáng)天偉 田閏樂 劉德明

（西安工程大學(xué)城市規(guī)劃與市政工程學(xué)院 西安 710048）

針對西安工程大學(xué)臨潼校區(qū)大學(xué)生活動中心綜藝大廳（高大空間）夏季供冷人員活動區(qū)域溫度較高現(xiàn)象，利用CFD模擬軟件對綜藝大廳空調(diào)氣流組織及熱舒適性進(jìn)行仿真，對現(xiàn)有送風(fēng)形式提出優(yōu)化方案，優(yōu)化后的氣流組織極大改善了綜藝大廳人員活動區(qū)的熱環(huán)境。

綜藝大廳（高大空間）；空調(diào)系統(tǒng)；氣流組織；熱環(huán)境；CFD模擬

0 引言

目前高大空間建筑造型奇特，體型巨大，空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其室內(nèi)氣流組織控制和設(shè)計(jì)比常規(guī)建筑更為復(fù)雜，往往會出現(xiàn)低效和難以滿足人員對舒適的要求問題[1-3]。大空間建筑功能的多樣性、內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性單純依靠傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法很難對上述問題提出詳細(xì)、精確的解決方案。然而CFD模擬技術(shù)比模型實(shí)驗(yàn)、現(xiàn)場實(shí)測等方法耗時(shí)短、成本低、直觀，因此受到廣泛的認(rèn)可且大量應(yīng)用到工程實(shí)例中[4-6]。

本文以西安工程大學(xué)臨潼校區(qū)大學(xué)生活動中心綜藝大廳為例，針對其夏季室內(nèi)人員活動區(qū)域溫度較高現(xiàn)象，采用Airpak模擬軟件對室內(nèi)熱環(huán)境進(jìn)行研究，對現(xiàn)有送風(fēng)形式提出優(yōu)化方案，進(jìn)一步解決目前空調(diào)系統(tǒng)效果差的問題。

1 項(xiàng)目簡介

西安工程大學(xué)大學(xué)生活動中心（見圖1）位于臨潼校區(qū)的東南側(cè)。該大學(xué)生活動中心由單層綜藝大廳和三層辦公樓組成，總的建筑面積約為6600m2。綜藝大廳是大學(xué)生活動中心的核心，半徑為18.12m，凈高14.2m。大廳內(nèi)設(shè)有觀眾區(qū)和舞臺區(qū)，觀眾席布置在綜藝大廳舞臺的正前方。為滿足不同規(guī)模會議要求，全都設(shè)置為活動席位。

圖1 大學(xué)生活動中心綜藝大廳側(cè)面圖

該工程的核心區(qū)域?yàn)閱螌泳C藝大廳，也是本文的主要研究對象。綜藝大廳的面積約為1030m2，在其西南、西北、西方向上部區(qū)域均設(shè)有天窗。綜藝大廳的平面圖、現(xiàn)場實(shí)景圖如圖2、3所示。

圖2 大學(xué)生活動中心綜藝大廳平面圖

圖3 大學(xué)生活動中心綜藝大廳現(xiàn)場實(shí)景圖

2 空調(diào)系統(tǒng)

2.1 空調(diào)負(fù)荷

由計(jì)算可知，綜藝大廳空調(diào)夏季冷負(fù)荷為260kW。由于建筑的實(shí)際外觀是特殊的圓柱體，外墻屬于弧線的范疇，負(fù)荷計(jì)算時(shí)各個(gè)方向的面積不好劃分。又因?yàn)楦鱾€(gè)時(shí)刻不同方向透過玻璃日射得熱形成冷負(fù)荷不同，因此計(jì)算時(shí)將整個(gè)建筑分為八個(gè)部分計(jì)算，近似認(rèn)為各個(gè)方向的面積均為圓柱體側(cè)面積的八分之一[7]。計(jì)算結(jié)果表明，綜藝大廳圍護(hù)結(jié)構(gòu)形成的逐時(shí)負(fù)荷相對較小，人員和設(shè)備散熱形成的逐時(shí)冷負(fù)荷較大。經(jīng)夏季逐時(shí)冷負(fù)荷計(jì)算后的綜藝大廳空調(diào)冷負(fù)荷如表1所示。

表1 綜藝大廳空調(diào)冷負(fù)荷

2.2 空調(diào)系統(tǒng)

綜藝大廳由一臺制冷量為267KW的組合式空氣處理機(jī)組給此區(qū)域送風(fēng)，考慮到建筑布局，組合式空氣處理機(jī)組位于辦公樓附房屋面。夏季空調(diào)源由設(shè)置于辦公樓屋面的風(fēng)冷模塊熱泵機(jī)組提供。綜藝大廳采用一次回風(fēng)全空氣系統(tǒng)，經(jīng)計(jì)算可得：總的送風(fēng)量為40000m3/h，夏季送風(fēng)溫度為16℃，送風(fēng)風(fēng)速為7.2m/s。

綜藝大廳采用上送上回的氣流組織形式。該廳四周較均勻布置16個(gè)直徑為350mm的球形噴口，每個(gè)風(fēng)口風(fēng)量為2500m3/h，風(fēng)口的安裝高度為12.4m；東南側(cè)布置2個(gè)2000×800的單層百葉回風(fēng)口，每個(gè)回風(fēng)口風(fēng)量為15000m3/h，回風(fēng)口的安裝高度略高于送風(fēng)口的安裝高度。大學(xué)生活動中心綜藝大廳空調(diào)系統(tǒng)平面圖、實(shí)景圖如圖4、5所示。

圖4 綜藝大廳空調(diào)系統(tǒng)平面圖

圖5 綜藝大廳空調(diào)系統(tǒng)實(shí)景圖

3 評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

3.1 室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)要求

室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)包括房間空調(diào)設(shè)定溫度、濕度范圍及人員新風(fēng)量。夏季空調(diào)室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)控制要求如表2所示。

表2 室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)控制要求

3.2 標(biāo)準(zhǔn)要求

《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50736-2012中對舒適性空調(diào)人員長期逗留區(qū)域室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)做出了相關(guān)規(guī)定[8]，如表3所示。

表3 人員長期逗留區(qū)域空調(diào)室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)

《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50736-2012中對采用預(yù)計(jì)平均熱感覺指數(shù)（PMV）和預(yù)計(jì)不滿意者的百分?jǐn)?shù)（PPD）評價(jià)空調(diào)的室內(nèi)熱舒適性做出了相關(guān)規(guī)定，如表4所示。

表4 不同熱舒適等級對應(yīng)的PMV、PPD值

由表2可知，溫度要求控制在24℃～28℃，平均風(fēng)速0.25m/s，屬于表3人員長期逗留區(qū)域空調(diào)室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)中的Ⅱ級熱舒適等級，因此綜藝大廳屬于Ⅱ級熱舒適度。

4 實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果的驗(yàn)證

4.1 測試方案

測試時(shí)間于7月2日上午10:30進(jìn)行，測試當(dāng)天，為研究生舉行畢業(yè)典禮，人數(shù)約650人左右。在綜藝大廳觀眾區(qū)布置測點(diǎn)進(jìn)行測試，各測點(diǎn)距離地面1.5m，詳細(xì)測點(diǎn)位置分布圖如圖6所示。

圖6 測點(diǎn)位置分布圖

4.2 物理模型及邊界條件

依照圖紙和實(shí)際建筑，在CAD中創(chuàng)建相應(yīng)的物理模型（見圖7）。由于大學(xué)生活動中心綜藝大廳的體積比較大，模擬時(shí)網(wǎng)格數(shù)目大，因此對物理模型進(jìn)行了簡化。其中忽略球形噴口的具體形狀，將其簡化為普通的圓形風(fēng)口，僅保證送風(fēng)量、送風(fēng)溫度、風(fēng)口面積與設(shè)計(jì)方案相同。單層百葉回風(fēng)口簡化為二維矩形風(fēng)口。由于回風(fēng)口形成的匯流不會對整體環(huán)境產(chǎn)生過多的影響，所以只規(guī)定回風(fēng)口的尺寸和位置?？照{(diào)的控制區(qū)即人員活動區(qū)域的氣流組織是我們關(guān)注的重點(diǎn)，風(fēng)管所處區(qū)域的氣流組織無需特別留意，因此模型中忽略風(fēng)管所占空間區(qū)域。

夏季工況，根據(jù)GB 50176-2016《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》[9]設(shè)定屋面的溫度28℃，地面溫度26℃，側(cè)面溫度28℃。人體負(fù)荷按輕勞動強(qiáng)度，取26℃條件下成年男子的顯熱量；群集系數(shù)按體育場計(jì)算，取0.92；人員顯熱負(fù)荷為34480W；人體模型簡化為22組12m×0.7m×1.2m的長方體，每組熱量1567W。照明總的冷負(fù)荷為13956W，照明模型簡化為2組7m×1m×1m的長方體，每組熱量6978W。設(shè)備總的冷負(fù)荷13135W，將其簡化為7m×1m×4m的長方體，熱量為13135W。

圖7 綜藝大廳風(fēng)口送風(fēng)模擬時(shí)采用的物理模型

4.3 測試與模擬結(jié)果比較分析

各測點(diǎn)溫度模擬結(jié)果與測試結(jié)果對比如圖8所示。由圖可知，測試與模擬結(jié)果的溫度值變化趨勢一致且比較接近，由此說明了所采用物理模型是準(zhǔn)確、可靠的，也證明了利用Airpak這一專業(yè)軟件模擬計(jì)算高大空間建筑室內(nèi)氣流組織是可信、準(zhǔn)確的。

圖8 各測點(diǎn)溫度模擬結(jié)果與測試結(jié)果對比圖

5 空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)化

5.1 優(yōu)化方案

為解決綜藝大廳夏季供冷時(shí)人員活動區(qū)域溫度較高的問題，在保持總送風(fēng)量不變的前提下，改變送風(fēng)口的個(gè)數(shù)、位置和送風(fēng)量。運(yùn)用Airpak軟件對優(yōu)化后的空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行評價(jià)。其中人員活動區(qū)域及舞臺北側(cè)上空均為直徑為158mm、風(fēng)量為2000m3/h的球形噴口，共有11個(gè)，其他位置均為直徑為138mm、風(fēng)量為1500m3/h的球形噴口，共12個(gè)。優(yōu)化后風(fēng)口位置示意圖，如圖9所示。

圖9 優(yōu)化后風(fēng)口位置示意圖

5.2 優(yōu)化后的氣流組織情況

由實(shí)測數(shù)據(jù)可知中心區(qū)域溫度高，因此，選取中心區(qū)域兩個(gè)送風(fēng)口中心縱斷面為典型界面。圖10為兩個(gè)送風(fēng)口中間縱斷面溫度云圖。由圖可知，人體周圍溫度變化較大，人員活動區(qū)域溫度在25.2℃～26.8℃之間，滿足控制設(shè)計(jì)要求。

圖10 兩個(gè)送風(fēng)口中間縱斷面溫度云圖

圖11為兩個(gè)送風(fēng)口中間縱斷面速度云圖。由該圖可知，人員活動區(qū)域速度0.14m/s～0.332m/s之間?？紤]實(shí)際應(yīng)用中綜藝大廳內(nèi)人、燈光、設(shè)備等熱源會使環(huán)境綜合溫度高于室內(nèi)空氣的溫度從而對熱環(huán)境進(jìn)行補(bǔ)償，因此局部區(qū)域速度超過0.3m/s也能夠滿足控制要求。

圖11 兩個(gè)送風(fēng)口中間縱斷面速度云圖

5.3 改進(jìn)后空調(diào)氣流組織評價(jià)

采用PMV-PPD指標(biāo)對綜藝大廳進(jìn)行熱舒適評價(jià)。圖12為兩個(gè)送風(fēng)口中間縱斷面PMV云圖。人員活動區(qū)域PMV大多在0.238～0.619之間，靠近人體在0.95左右。滿足Ⅱ級熱舒適度要求。

圖12 兩個(gè)送風(fēng)口中間縱斷面PMV云圖

圖13為兩個(gè)送風(fēng)口中間縱斷面PPD云圖。人員活動區(qū)域PPD大多在6.19%～13.1%，靠近人體在25%左右。滿足Ⅱ級熱舒適度要求。

圖13 兩個(gè)送風(fēng)口中間縱斷面PPD云圖

6 結(jié)論

（1）對于綜藝大廳的現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)分析表明，室內(nèi)人員活動區(qū)域溫度未達(dá)到設(shè)計(jì)要求，出現(xiàn)了人員活動區(qū)域局部溫度過高現(xiàn)象。

（2）測試結(jié)果與CFD模擬計(jì)算結(jié)果的溫度值變化趨勢一致且較為接近, 由此說明了所采用物理模型是準(zhǔn)確、可靠的，也證明了利用Airpak這一專業(yè)軟件模擬計(jì)算高大空間建筑室內(nèi)氣流組織是可信、準(zhǔn)確的。

（3）模擬計(jì)算了優(yōu)化方案的氣流組織情況，對典型斷面的溫度、速度、人體舒適評價(jià)PMV-PPD指標(biāo)進(jìn)行了分析，得出改進(jìn)后方案能夠滿足人員活動區(qū)域的熱舒適要求。

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[8] GB 50736-2012,民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2012.

[9] GB 50176-2016,民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2016.

Indoor Environment Simulation and Test Research of a College Student Activity Center in Xi'an

Dong Yuguang Qiang Tianwei Tian Runle Liu Deming

( Xi’an Polytechnic University, School of Urban Planning and Municipal Engineering, Xi’an, 710048 )

Aiming at the phenomenon of high temperature in the summer cooling activity area of the college student activity center (high space) of Lintong Campus of Xi'an University of Technology, CFD simulation software was used to simulate the air conditioning and thermal comfort of the air conditioning in the variety hall. The optimization plan and the optimized air flow organization have greatly improved the thermal environment of the personnel activity area in the variety hall.

variety show hall (high space); air conditioning system; air distribution; thermal environment; CFD simulation

TU83

A

1671-6612（2021）02-207-05

董宇光（1994-），女，在讀碩士研究生，E-mail：2636126294@qq.com

強(qiáng)天偉（1970.11-），男，博士研究生，教授，E-mail：254599797@xpu.edu.cn

2020-07-09