某高大空间宴会厅空调气流组织的模拟研究

汪君 刘东 吴利瑞 李超

某高大空间宴会厅空调气流组织的模拟研究

汪君 刘东 吴利瑞 李超

同济大学机械与能源工程学院

结合上海某酒店宴会厅夏季空调运行情况，利用Airpak软件对宴会厅内部的气流进行模拟研究。在现有的上送上回的气流组织形式上，结合宴会厅实际使用情况，提出了上送下回的气流组织形式，并对这两种气流组织效果分别进行模拟。通过研究发现，当采用上送下回风的气流组织形式时，宴会厅内部的温度场与速度场更均匀，为高大空间宴会厅的空调效果的改善提供了参考。依据模拟优化结果，对该酒店宴会厅提出了可行的节能改造方案。

气流组织高大空间宴会厅数值模拟

1 工程概况

上海某酒店裙楼四层宴会厅的建筑面积为660m2，层高8m，屋顶为钢结构，上部有2m高的石膏吊顶空间，北墙为双层玻璃幕墙，整个外围护结构无任何保温措施。该宴会厅现采用多联机空调系统形式，根据现场调研，该宴会厅室外机单台制冷量为45.0kW，共6台，布置在裙楼楼顶；室内机单台制冷量14.0kW，共19台，布置在宴会厅上部吊顶空间内。室外机及室内机的规格型号见表1。

表1 多联机室外机及室内机规格型号

在宴会厅的吊顶中根据室内机的布置位置，分别布置送风口和回风口。室内机送风口接风管，根据需求送风到不同位置，连接散流器送风；回风口对应室内机回风口的位置；宴会厅采用独立的新风系统，在宴会厅的吊顶上设置4个新风口。宴会厅形成上送上回的气流组织形式，宴会厅的新风口、送风口及回风口的尺寸和风量详见表2。

表2 新风口、送风口及回风口的规格尺寸

2 模型建立及初始条件确定

2.1物理模型的简化

机械通风房间内的空气流动多属于非稳态湍流流动，在解决实际问题时，需要对物理模型进行一定的假设和简化处理[4]。

因此本文做出以下假设：①室内空气为低速不可压缩气体，且符合Boussinesq假设；②室内空气流动为准稳态湍流流动；③忽略能量方程中由于黏性作用引起的能量耗散；④壁面之间的温度相差不大，忽略固体壁面间的热辐射；⑤送风口处送风射流参数均匀。

2.2数值模拟条件的设置

按照相关规范规定和酒店要求，一般宴会厅夏季人员活动区温度要求为24℃，风速0.15～0.3m/s。本文拟采用6℃送风温差，送风温度为18℃，送风口风速为3.59m/s；回风口设自由出流；新风送风温度为20℃，新风口风速为2.08m/s。墙壁、天花板、地面设为固体壁面；人员密度、设备及照明均根据实际功率及分布情况建立相应模块；各围护结构的传热情况，根据其传热系数和室内外温度情况，设置第三类边界条件。具体参数设置见表3。

表3 宴会厅数值模拟参数的设置

根据研究，大空间建筑内部流动通常为自然对流和强迫对流并存的混合对流流动，且基本为湍流流动。如果采用工程中最常用的标准k-ε模型进行模拟并不一定能取得满意的模拟结果[5]，因此本文中采用Chen Q等提出的室内零方程[6]模型进行模拟。文中采用有限容积法离散方程，对流差分格式采用迎风格式，压力梯度项、扩散项均采用二阶差分格式，压力速度耦合采用SIMPLE算法。

2.3具体模型的建立

2.3.1上送上回风形式的模型的建立

根据宴会厅空调系统现有形式，风口的数量、尺寸及位置均按照实际布置情况在Airpak中建立上送上回风的模型如图1所示，坐标轴X、Y、Z正方向如图所示，宴会厅底面几何中心为坐标原点（0，0，0）。

图1 上送上回形式模型图

2.3.2上送下回风形式的模型的建立

上送下回风形式的模型同上送上回风形式的模型相比，回风口的位置发生改变，即回风口由吊顶下移至侧墙上，风口中心距离地面0.6m，其他条件均与2.3.1模型保持一致。改进后的模型如图2所示。

图2 上送下回形式模型图

3 模拟结果与分析

3.1上送上回风形式

对2.3.1中所建模型进行六面体网格划分，网格数量为538729个，输入边界条件，在求解的过程中，根据迭代运算的结果，不断修正边界初始数据和松弛因子，直到得到正确的收敛结果。

为考察送风的速度和温度在竖直方向上的变化过程，由模拟可得到的送风口所在竖直截面的温度云图、速度矢量图如图3、4所示。

图3 送风口所在竖直截面温度云图

图4 送风口所在竖直截面速度矢量图

由图3可见，除靠近内墙壁的送风口外，其余送风口送风气流的温度沿送风方向衰减变化很快；靠近外墙区域和靠近内墙区域的空气温度存在明显差异，二者温差在4.5℃左右；由图4可见，送风气流和垂直于送风方向上的空气的扰动较小。由图3、4均可看出，沿送风方向上，送风气流的速度和温度发生较大变化，而在垂直于送风方向上，空气温度和速度基本不变，造成整个区域内气流速度场、温度场的分布不均匀。

为考察人员活动区域气流分布的均匀性，通过模拟可得到Y=1.5m平面的温度云图、速度矢量图如图5、6所示。

图5 Y=1.5m平面温度云图

图6 Y=1.5m平面速度矢量图

由图5可见，在人员活动区域平面上，靠近外围护结构区域内的空气温度明显高于靠近内围护结构区域内的空气温度，且宴会厅内部人员活动区域随着温度的不同形成3个明显温度分区，高温区和低温区（相对而言）的温差达到4℃左右。由图6可见，在人员活动区域内，局部区域（送风口正下方区域）的速度明显过大，超过了人体对吹风感的舒适上限值0.3m/s，达到1m/s以上，造成明显吹风感，整个区域内的气流流速分布不均匀。

3.2上送下回风形式

对2.3.2中所建模型进行六面体网格划分，网格数量为712703个，对比3.1节中所得模拟结果，改变气流组织形式后的模拟结果如图7～10所示。

图7 送风口所在竖直截面温度云图

图8 送风口所在竖直截面速度矢量图

图9 Y=1.5m平面温度云图

图10 Y=1.5m平面速度矢量图

由图7可见，靠近外墙区域和靠近内墙区域的空气温度存在差异，二者温差在3.75℃左右；由图8可见，送风气流和垂直于送风方向上的空气的扰动增强，特别是在宴会厅的下部，气流混合得更为充分，整个下部区域内气流分布较为均匀。由图9可见，在人员活动区域的平面上，靠近外墙区域的空气温度高于靠近内墙区域的空气温度，整个区域内按照温度高低形成2个分区，2个分区内的空气温差在2.5℃左右，且大部分区域温度相差不大，室内温度分布比较均匀。由图10可见，在人员活动区域的平面上，气流分布较为均匀，大部分区域的风速在0.25 m/s及以下，满足人体舒适性要求（送风口正下方个别区域除外）。

3.3两种形式的对比分析

3.3.1人员活动区域温度场的分析

对比图9和图5，可以看出，在两种送回风形式下：

1）相同的控制条件下，上送下回风时人员活动区域的温度均匀性得到较大改善。

2）在图9和图5中，由于建模时模型大小跟宴会厅实际大小相比有所缩小，且VRV送风量按照室内机最大送风量进行设置，这造成了人员活动区域的温度整体略偏低。

3）宴会厅内部人员活动区域的温度云图的形状大致相同，高温区和低温区在图9、图5中呈对角线状分布，即靠近外墙的区域的空气温度较高，靠近内墙区域的空气温度较低。因此，在对角线上均等地取29个比较有代表性的点，涵盖了高温区和低温区的各代表点，可知，上送上回风形式下，对角线上各点温度差值最大达到3.55℃，上送下回风形式下，对角线上各点温度差值最大达到2.63℃，且上送下回风形式下各点温度曲线要比上送上回风形式下的温度曲线平缓，变化幅度小。

3.3.2人员活动区域速度场的分析

对比图10和图6，可以看出，两种送回风形式下：

1）相同的控制条件下，上送下回风时，宴会厅内部人员活动区域的气流扰动性增强，从图10看出，相对于图6，整个区域内的气流分布均匀性得到改善。

2）在人员活动区域，气流速度最大值均出现在局部区域（送风口正下方），明显高于非送风口正下方区域的气流速度。为考察人员活动区域的气流流速，分别在两个模型中的人员活动区域选取对应于送风口正下方的23个典型点，包括此区域内所有最大风速出现点，获得其气流速度值。可知，上送上回风时，各送风口送风至人员活动区域对应点的风速平均值达到0.79m/s，上送下回风时，各送风口送风至人员活动区域对应点的风速平均值达到0.65m/s，且除个别点之外，上送下回风各点的风速值均小于上送上回风时对应各点的风速值。

4 建议改进方案

根据实际模拟中发现的问题，结合宴会厅的使用功能，应业主方要求，依据节能性、舒适性、稳定性、美观性和经济性的原则，从外围护结构、空调系统两个方面对该宴会厅进行简单合理的施工改造。

4.1外围护结构

模拟中发现靠近外围护结构区域和靠近内围护结构区域的空气存在较大温差，虽然改变气流组织形式能有效降低此温差，但更应从外围护结构的保温

隔热方面加以改善，尽量减少外围护结构传热，既节能又从根本上改善温度不均匀问题。因此针对宴会厅的北向的大面积玻璃幕墙的表面进行贴膜处理。玻璃幕墙表面所贴金属着色膜基材采用光学级PET，阻挡紫外线效果非常突出，具体性能参数见表4。贴膜施工如下：采用聚氨酯树脂复合胶紧密封闭金属涂层布，防止金属氧化、腐蚀；安装胶经过抗气候骤变处理、固化处理，不易起泡变形，更易安装贴合玻璃；贴膜表面涂覆透明丙烯酸树脂，施工或者经常清洗都不容易出现刮痕。玻璃贴膜通过和玻璃复合之后具有较高的热阻，夏季可有效降低由于对流和传导增加的空调冷负荷，冬季则可降低室内热量散失，降低空调热负荷。实验表明，通过对门窗玻璃进行贴膜处理可有效降低空调能耗10%～15%。

表4 金属着色膜性能参数

4.2空调系统

1）气流组织形式。根据模拟，上送下回的气流组织形式下，宴会厅室内的温度场和速度场更均匀，因此宴会厅后期改造中，采用上送下回的气流组织形式。在模拟中为了更鲜明地突出气流组织形式对室内气流均匀性的影响，尽量保持控制条件的一致性，只改变气流组织形式，也即只改变回风口的位置，将全部回风口布置在侧墙上，这样一定程度地破坏了宴会厅的美观性。在实际改造过程中，建议可在宴会厅四个墙角位置各设置一个矩形回风管，回风管上部延伸至吊顶空间内，连接室内机回风口；下部根据回风量要求开口，做成格珊百叶式回风口，既不影响宴会厅的实用和美观要求，又能减少改造成本。

2）送风口形式。由于本案例中新风以及VRV送风均是散流器下送风，送风至人员活动区域所需时间较长，造成了宴会厅需要较长的预冷时间，考虑到旋流风口具有诱导比大，风速衰减快的特点，适合大空间空调送风，因此改造方案中全部采用旋流风口送风。

3）改造方案的模拟结果。根据4.2.1及4.2.2中所提出的空调系统的改造方案，将回风口集中布置在宴会厅四个墙角位置，送风口采用旋流风口，进行模拟论证，发现当送风口采用旋流风口时，送风射程明显增大，能较快送风至宴会厅下部，有效减少宴会厅夏季空调预冷时间；改造后人员活动区的温度场较均匀，基本达到气流组织优化的效果；速度场均匀性得到改善，而在送风口正下方局部区域出现风速过大现象，是由于进行夏季空调预冷工况的模拟时，送风口采用旋流风口且垂直向下送风至人员活动区所造成，在宴会厅正常使用时可以通过调节送风角度来改善这一现象。

5 结论

1）宴会厅采用上送下回风的气流组织形式，室内人员活动区域温度的均匀性优于采用上送上回风的气流组织形式。当采用上送上回风形式时，室内高温区和低温区温度差值最大达到3.55℃；采用上送下回风时室内高温区和低温区的最大温度差值减小到2.63℃。

2）宴会厅采用上送下回风的气流组织形式，室内人员活动区域风速的均匀性优于采用上送上回风的气流组织形式。当采用上送上回风形式时，室内人员活动区域的对应于送风口正下方各点的平均风速为0.79m/s；采用上送下回风时室内人员活动区域的对应于送风口正下方各点的平均风速为0.65m/s。

3）在相同的条件下，相对于上送上回的气流组织形式，高大宴会厅采用上送下回的气流组织形式可以较好地改善室内的温度场和风速场，提高室内舒适度。实施节能改造时，应结合模拟情况，同时应考虑建筑物的使用要求，对改造方案进行优化，设计出最合理的改造方案。

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Num e ric a l Sim ula tion of Air Dis tribution in a La rge Spa c e Ba nque t Ha ll

WANG Jun,LIU Dong,WU Li-rui,LI Chao
College of Mechanical and Energy Engineering,Tongji University

Combining with the air conditioning situation of a large space banquet hall in a Shanghai hotel,the software Airpak is used to simulate the internal air distribution in the large space banquet hall.The banquet hall now adopts ceiling air supply and ceiling air return,based on the actual usage,the ceiling air supply and below return is suggested for it.These two air distributions are simulated in this paper,respectively.The results of the simulations show that the temperature and velocity field of the banquet hall is more uniform when the hall adopts ceiling air supply and below return.This paper also provides a reference for the choice of air distribution in large space banquet halls.According to the results of simulation and optimization,some feasible energy-saving programs are proposed for the banquet hall in the hotel.

air distribution,large space banquet hall,numerical simulation

1003-0344（2014）06-043-5

2013-11-8

汪君（1990～），女，硕士研究生；同济大学机械与能源工程学院（200092）；E-mail:wangjun_9010@126.com