高大空间建筑气流组织的CFD模型实验与现场测试实验研究

由世俊 王海霞 董玉平

摘要：高大空间建筑空调系统初投资昂贵，运行能耗巨大，因此在设计时有必要对设计方案、气流组织、热舒适性等加以模拟预测。本文以天津国际展览中心扩建工程B展厅为研究对象，对无回风管道的上送上回夏季空调系统现状的气流组织进行现场测试，并以实测数据作为边界条件，利用Fluent公司推出的专业软件Airpak2.1对其现有的空调系统气流组织、温度场和速度场以及热舒适性与气流组织进行了模拟研究。通过对两者分析比较，验证了CFD模型实验的准确性、切实可行性，指出利用现有的CFD软件模拟对高大空间建筑空调系统节能与优化设计具有重要的指导意义。

关键词：高大空间 气流组织 热舒适 CFD模拟

0.前言

随着社会进步和人民生活水平的提高，对功能合理、质量上乘、环境舒适的公共活动空间的需求日益增加，此类空间多属于高大空间建筑。高大空间建筑的空调系统无论在初投资还是运行费用上都比较大，因此在方案的选择上要慎重，有必要在设计前对系统方案进行模拟分析，实现设计方案的优化和空调系统的节能。

本文以天津国际展览中心新馆B展厅为研究对象，利用Fluent公司推出的Airpak2.1专业软件对其空调系统设计方案的气流组织和热舒适性进行了模拟研究，与现场测试结果进行分析比较，验证了用CFD模型实验的正确性和切实可行性，所得结论为高大空间建筑空调系统优化设计、预测气流组织和热舒适提供了可靠的理论依据和指导方法。

1.研究对象概况

本文以天津国际展览中心扩建工程Ｂ展厅为研究对象，该展厅空调面积为5346m² ，净长99米，宽54米，高18米（机房侧10高，有9米宽二层走廊）。采用全空气送风的空调系统；该展厅空调区独立，空调系统独立，防火分区独立。夏季负荷1290kW；新风量51000m³/h，排风量51000m³/h。夏季室内设计温度26℃，相对湿度65％。

目前展厅空调送风现状为上送上回全空间空调：送风量255000m³/h，回风量204000m³/h，3台空调机组，每台额定风量85000m³/h；设66个Φ630mm旋流送风口，每个作用面积9m×9m＝81m²，风口距地面13米。新风与回风混合经表冷器处理后送入展厅。展厅不设回风管道，靠近空调机房的风管道竖井设有回风口，连接空调机组回风口。

2.现场测试

2.1 测试条件

测试时B展厅接近空负荷状态，展厅内只有一些人在打羽毛球、十几个工作人员和九个测试人员及协助测试人员。空调机组没有正常运行，送风速度相当小，送风温度很高，几乎没有冷量，几乎没有除湿。最恶劣的是展厅的门窗并没有关严，甚至室内相邻墙（防火墙）亦没有降落，相当于与其它展厅相通。尽管如此并不妨碍与模拟结果进行比较。

2.1 测试内容

天津市国际展览中心新馆B展厅空调气流组织，即空调送风温度场和速度场，展厅围护结构各壁面温度、风口周围各离散点的风速、温度、室内温湿度、室外温湿度。

2.2 实验仪器与装置

实验中风速和空气温度分别采用热线式风速仪（测试范围：风速VL0.1～4.99m/s，VH5～50 m/s；温度0～99.9℃；测试精度：风速 ±2％FS，温度±1℃）、数字风速测量仪（测试范围：0.4～30.0 m/s；测试精度：0.1 m/s；）、多通道微风速仪（测试范围：风速0～1.0m/s和0～10.0m/s，温度0～50.0℃；测试精度：风速 ±（指示值的5％+0.1m/s），温度±1℃）测量。展厅围护结构的壁面温度用非接触温度计（测试精度：±1℃）测量。室内外的湿度采用阿斯曼干湿球温度计测量。

2.3 测试方案

展厅按照长（Z方向）、宽（X方向）、高（Y方向）建立坐标。

在此仅给出测试方案，与后面模拟研究有关的测试结果在下文中给出，其余众多数据不再赘述。

3.测试条件下的CFD模拟研究

3.1 模型建立

考虑到计算机内存和计算速度，减少生成网格的数目，节省运算时间，在不影响计算结果的前提下，对物理模型进行合理的简化，边界条件按照实际测得数据设定，模型见图6。

展厅机房侧有长宽高9m×54m×10m的办公室和机房，用长宽高9m×54m×10m block代替不作为研究范围。回风口在环境压力、温度条件下回风。

人体负荷按轻劳动强度、环境温度成年男子显热散热量58W/人计算，人流密度0.8人/m²,群集系数按百货商店计算，取0.89，人体总散热为240838.272W。人体模型简化成33组长（X方向）宽（Z方向）高（Y方向）45m×0.4m×1.8m blocks，每组热量7298W,沿展厅长（Z方向）均布在地面，间隔为3米。

照明负荷按设计院提供的30W/m²，照明总负荷为174960W，简化成9组长（Z方向）宽（X方向）高（Y方向）108m×0.85m×0.2m的blocks，每组负荷为17820W，block设在13m高度处。

图6 夏季模型图

3.2 模拟计算结果

选取典型断面旋流风口中心断面和两旋流风口中间断面，以及典型坐标点输出模拟计算结果。限于篇幅，下面仅将可以与现场实测数据相比较的参数即温湿度在测试点处沿垂直高度输出，如图7～8所示。

3.3 结果分析

由图7和图8，从实验测试和CFD模拟计算与现场测试得到的温度、速度比较可以看出，CFD模拟计算结果和现场测试结果有一致的趋势和相当高的吻合度。需要说明一点，现场测试的最高高度为13米，即从地面到旋流风口的高度，而模拟是从地面到屋顶展厅的整体空间。从两参数的曲线图可以看出，现场测试的温度、速度值较CFD模拟计算值分散，其原因可能是在CFD模拟计算时旋流风口模型建立与实际旋流风口有差别以及实测中测试受到外界不确定因素的影响。

模拟采用k-ε双方程模型，应用Airpak2.1专业CFD软件，从现场测试和模拟结果比较分析得出，在误差允许范围内，k-ε双方程模型应用在三维的高大空间是合理的，利用Airpak2.1专业CFD软件模拟高大空间建筑是切实可行和准确的。

4.设计条件下的CFD模拟研究

模型建立与前面基本相同只是边界条件设定由设计条件下负荷计算确定。模拟计算结果如下图所示。

图9 两旋流风口中间断面温度云图和等温线

图10 两旋流风口中间断面速度云图和等速线

从图9中温度云图可以看到：展厅在旋流送风口13m以下的温度分布均匀，温度在25℃～26℃之间，而在13m即送风管道以上的温度在27℃以上，有的高达29℃。从图中等温线的稀疏稠密程度可以看出在2m～13m之间温度变化不大，高度在2m以内，特别是人体周围温度变化比较大，在墙体周围与13m以上温度等值线比较稠密，说明温度有一定梯度变化。

从图10中速度云图可以看到：除回风口风速高于0.8m/s外，13m以下展厅风速多集中在0.1m/s～0.2m/s，部分达到0.3m/s～0.4m/s；在送风管道13m以上风速几乎在0.1m/s以下。从速度等值线图可以看出：在13m以下等值线稀疏稠密均匀说明整体空间风速均匀并且变化幅度比较小。

图11曲线图更直观、定量地表明温度、风速、PMV、PPD在典型坐标点处沿垂直方向的变化情况。垂直高度最低温度在距地面10m～13m之间，接近旋流送风口出口处，温度低于26℃时，从地面到14m，最高温度29.4℃；垂直纵断面最高风速在距地面10m～12m之间，接近旋流送风口出口处，风速从出风口到地面逐渐衰减，在2m以内工作区风速小于0.3m/s，符合设计规范；垂直纵断面最低PMV在距地面10m～12m之间，接近旋流送风口出口处，PMV值与温度趋势是一一对应的，有很高的吻合度，并且工作区PMV指标值基本满足ISO7730对PPD指标的推荐值-0.5[5][2][[6]；在距地面1m 10%[5][2][6]满足推荐值。

5.结论

1.实测数据与模拟结果的高度吻合说明利用AIRPAK专业CFD软件模拟高大空间建筑的准确性。

2.设计条件下做的模拟计算结果与设计要求的吻合说明国展B展厅无回风管道的上送上回夏季空调系统能满足工作区舒适性要求，气流组织设计合理。

3.利用 Fluent公司推出的专业软件Airpak2.1模拟预测展览馆类高大空间建筑空调系统，并对其进行优化设计、模拟气流组织、评价热舒适等，分析研究证明此模拟分析方法是有效的，验证和指导设计是切实可行的。

参考文献

1 范存养.大空间建筑空调设计及工程实录.北京：中国建筑工业出版社，2001.

2 陆耀庆.实用供热空调设计手册.北京：中国建筑出版社，1993.

3 范存养.国外大空间建筑的空调设计.暖通空调，1996，26（4）：39～49

4 范存养.国外大空间建筑的空调设计（续）.暖通空调，1996，26（5）：41～48

5 ISO 7730:1994. Moderate thermal environments - Determination of the PMV and PPD indices and specification of the conditions for thermal comfort.

6 巨永平,马九贤.气流运动及其与热舒适关系研究的进展与评选.暖通空调，1999.8：27～30

7 董玉平.高大空间建筑气流组织CFD模拟研究,天津大学硕士学位论文,2004