赵英浩，徐琳，*，韩明新，王后帅

(1.山东建筑大学热能工程学院，山东 济南 250101；2.青岛北洋建筑设计有限公司，山东青岛 266101)

0 引言

展厅类建筑内部空间大，而人员所占空间较少，室内热环境复杂，气流组织需根据建筑物实际情况进行设计。 在实际展览中，人员活动区域集中在展厅底部2 m 以内空间，而展位会对气流产生明显遮挡和阻隔作用，妨碍实现人员区域合理的气流组织。而气流组织不合理会直接导致人员区域温度分布不均匀、风速过高等问题，不仅造成能源浪费，还达不到应有的空调效果。

针对高大空间建筑气流组织的研究，大多数都是从室内温、湿度分布等方面着手的。 利用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)软件进行数值模拟研究成本低、周期短，便于实施且有较好的准确性。 胡宁等[1]采用CFD 软件模拟分析了北京雁栖湖主会议厅内空调气流组织的送风效果及室内舒适性，并确定了最佳的送风风速及角度。 林细光[2]应用流体仿真软件FLUENT 数值模拟了大演播厅对不同空调的气流组织形式，绘制出室内典型区域特征断面温度场和速度场截面图，定量比较分析了空调设计中送风角度、风口尺寸、位置等参数。陈羿姿[3]针对某水上乐园跨度较大的结构特点，分析送风口高度和送风角度等因素对空间气流组织分布的具体影响，得出送风高度上升或上调送风角度有利于气流组织均匀的结论。 杨梦瑶[4]采用CFD软件研究了不同送风角度(水平送风、向下倾斜15°和30°)的热风供暖，分别计算了工作区人体舒适度和空调能耗，确定了合理的送风角度。 苏志等[5]利用CFD 软件模拟了采用侧面单层喷口送风分层空调的某会展中心室内温度场和速度场，研究了两种回风方式以及展台隔断作用对室内气流组织的影响，发现影响人员区域舒适度的主要因素是近回风区风速。

文章应用CFD 软件，重点分析夏季展厅送风角度对增设展位后室内热环境的影响，为后续工程运维管理提供依据。

1 工程概况及几何模型

1.1 建筑概况

某国际会展中心B1 展厅位于会展中心西北角，具体位置及建筑朝向如图1 所示。 其面积达8 600 m2，三面幕墙透光，具有体量大、进深长且屋面坡度大等特点，最大净高可达37 m。 功能设置上主要承担重要的大型展览，这就增加了其空调设计的重要性及复杂性。 因此，对空调系统设计提出较高要求。

图1 某国际会展中心B1 展厅图

1.2 建筑空调设计参数及系统方案

B1 展厅内夏季空调设计温度为26 ℃、相对湿度为65%、人员密度为0.5 人/m2[6]。 整个会展中心围护结构的传热系数详见表1[7]。

表1 寒冷地区围护结构传热系数表

B1 展厅体量大、进深长，因此空调设计采用球形喷口侧送风、下部回风的分层空调形式，一侧顶部设置排风机房，进行顶部排风。 由于面积大且采用集中回风形式，回风口分别布置于展厅四角。 为实现大面积内温度均匀分布，经过选型计算，送风选取德国妥思公司远程喷口(型号为DUK630)。 展厅采用全空气一次回风系统，送风、回风及排风等单个尺寸参数见表2。 展厅两侧距地面8.5 m 高度布置70 个喷口，并在排风机房一侧底端各布置5 个喷口。 展厅几何模型如图2 所示。

图2 展厅几何模型图

1.3 建筑几何模型及展位分布

B1 展厅模型尺寸为:宽度72 m(x)×高度27 ～37 m(y)×长度132 m(z)。 考虑到计算机的运行速度，在不影响CFD 模拟结果的前提下，模型进行如下简化:

(1) 建模时，尽量使所建的物理模型还原实际的建筑物，而附属配套房间不考虑在计算范围内。

(2) 展厅内照明散热简化为体积热源，布置在照明吊设高度，散热参数后续给出。

(3) 展厅模型设置参考某大型电器展会案例[8]，如图2(b)所示，设置8 列长为6 m、高为4 m 的垂直挡板，模拟一面闭合、三面开放的展位设置情况。

(4) 门厅加设空气幕，有效隔绝室内外空气，渗风问题可忽略不计。 外门面积相对外墙较小，为便于分析，忽略两者材质差异，将门简化为外墙。

计算网格的生成对CFD 计算至关重要，在均匀网格划分的基础上，对送风口、回风口及排风口、照明区域、地面区域等温度梯度较大区域进行网格加密，以达到理想的模拟效果。 无展位遮挡及有展位遮挡的B1 展厅CFD 三维计算模型网格数分别为4 669 359、6 698 020。 整个计算区域网格，正交质量≥0.5，偏斜度≤0.7。

2 数学模型及边界条件

2.1 模型理论基础

为了简化计算模型，节约计算成本，展厅内的气流组织调节可以看作是三维、稳态的湍流传热过程。其基本控制方程包括连续性方程、动量方程以及能量方程[9]，分别由式(1)～(3)表示为

式中 ui、uj分别为 xi、xj方向上的速度矢量，m/s； ρ为流体密度，kg/m3； t 为时间，s； T 为空气温度，K；P 为空气压力，Pa； Fj为 xj方向的外力，N； μ 和 μt分别为层流、湍流黏性系数，N·s/m2；σT为湍流普朗特数；k 为空气导热系数，W/(m·K)；cp为比热容，J/(kg·K)；ST为流体内热源及因粘性作用流体机械能转换产生的热能，W。

2.2 边界条件的确定

2.2.1 送风、回风及排风口边界

根据展厅空调设计方案参数中各风量及风口面积，选取各风口边界类型并计算其设定值，详见表3。 其中，单个喷口送风量为2 880 m3/h，上下可调角度为30°。

表3 展厅空调送风、排风及回风边界设定表

2.2.2 室内人员、设备及灯光散热量

人员散热量为成年男子小时散热量q、人员密度、群集系数φ、冷负荷系数X 等4 个参数的乘积。夏季室内设计温度条件下，人员密度为0.5 人/m2，q取 181 W，φ 和 X 分别取 0.89、0.95，则人员、设备散热量分别为76.52、50 W/m2[10]。 为便于计算，人员和设备散热量平铺在地面。 照明散热简化为体积热源形式，散热量取50 W/m2，布置在照明吊设高度。 各项对流散热量取总散热量的60%[11-12]。

2.2.3 围护结构边界条件

为更好地分析展厅侧壁幕墙的透光问题，利用日照分析软件Ecotect 对B1 展厅进行采光分析[13]。展厅侧壁透光幕墙的光照时间结果如图3 所示，在夏季工况下，B1 展厅主要透光的南立面和西立面幕墙绝大部分光照直射时间均不足0.3 h。 因此，气流组织模拟计算中可忽略幕墙透过太阳辐射对展厅室内的影响。

图3 夏季展厅侧壁透光幕墙光照时间结果图

展厅入口序厅的门保持开启状态。 内走廊区域空调设计温度夏季选取26 ℃。 根据围护结构热工参数及室外空调计算参数，围护结构选取第三类边界条件进行设定，具体参数见表4。

表4 展厅围护结构边界条件设定参数表

2.3 计算工况说明

室内空间气流组织的主要影响因素是非空调区域与空调区域的得热量比值，而送风角度等因素对其影响较大[14]。 球形喷口在确定射程(展厅宽度的1/2)的基础上经选型计算，改变送风角度只会影响末端气流速度，从而影响人员区域空调效果。 因此，利用CFD 软件，模拟增设展位遮挡前后不同送风角度对室内气流组织的影响。 根据上调角度不同和展位有无遮挡设计6 种工况:参考工况为展位无遮挡且上调角度为0°；工况1 和2 为展位无遮挡且上调角度分别为 5°、10°；工况 3～5 为展位有遮挡且上调角度分别为 0°、5°、10°。 各工况送风温度均为18.71 ℃。

3 模拟结果分析

3.1 夏季室内增设展位前后温度场对比

由于展厅采用分层空调，近地面人员停留区域为重点关注对象[15-16]。 因此，以地面上方1.5 m 处(y ＝1.5 m)平面的温度场、速度场分布为例进行比较分析。

喷口水平送风(参考工况)下的距离地面1.5 m处温度分布云图如图4 所示。

图4 无展位遮挡y＝1.5 m 温度分布图

无展位存在时，室内绝大部分区域空气温度介于24.5 ～25.5 ℃，满足设计要求。 仅近壁及中部少数区域温度介于26.0 ～26.5 ℃，略高于设计值。 显然，上述区域温度偏高与侧壁回流条件差、射流难以达到展厅中部等因素有关。 送风角度上调后，室内部分区域室温稍有增加，对温度场分布规律影响不大。 而增设展台隔板后，距离地面1.5 m 处温度分布云图如图5 所示。 近地面区域温度场明显分割成近壁区、回流区及展厅中间区域3 部分。 对比无展位遮挡的工况，增设挡板，送风气流被分割，造成近壁区域及展厅中间区域高于25.5 ℃的范围增加，而回流区温度仍维持在低于25.0 ℃。 此外，相同展位遮挡条件下，上调送风角度会使得近壁区和展厅中间区域高于25.5 ℃的区域范围明显增加，且相应区域室温有所提升，但仍未超过设计要求。

图5 有展位遮挡y＝1.5 m 温度分布图

以参考工况(0°送风)加设展位遮挡前后为例，展厅中心横断面(z ＝49 m)处温度分布图如图6 所示。 近壁区和展厅中间区域的温度场由于送风回流被展位阻碍分割，难以实现良好的空调效果。

图 6 0°送风、z＝49 m 温度分布云图

3.2 夏季室内增设展位前后速度场对比

无展位遮挡时不同送风角度下y ＝1.5 m 处的速度分布如图7 所示。 其中出现过高风速的区域多为展览区，风速甚至达到0.7 ～0.9 m/s。 对比图 7(a)和(b)分析可得，将喷口送风角度上调10°后，介于0.7～0.9 m/s 的高风速区域明显减少，多数区域风速介于0.3～0.5 m/s，且更为均匀。 同时，对照前述温度分布图可知，上调10°送风既可维持人员区域温度适宜，又可有效降低地面人员区域过高风速，避免对人员造成吹风感。

有展位遮挡时不同送风角度下y ＝1.5 m 处的速度分布如图8 所示。 对比图7 和8 可得，相同的送风角度下，增加展位对气流具有明显遮挡、阻隔作用。 沿x 轴方向，射流被挡板分成多段，人员活动区域风速显著降低，多数区域风速为0.3 ～0.5 m/s，仅有无展位遮挡及回流区域易出现风速高于0.7 m/s的区域。 通过对比图8(a)和(b)，针对相同展板遮挡作用时，送风调高10°后，可使人员区域风速控制在约0.5 m/s。 这验证了调高送风角度有利于降低人员区域过高风速，得到速度场分布更符合设计要求。

图7 无展位遮挡y＝1.5 m 速度分布图

图8 有展位遮挡y＝1.5 m 速度分布图

相比刘毅等[17]对无遮挡情况下大型展厅内气流组织模拟研究，考虑展位遮挡后，室内气流受到阻隔、分割作用，导致近壁区、回流区及展厅中间区域温度场、速度场分布均匀性更低。 其中，展厅中间区域和近壁区室温更易超过设计温度，展区位置温度易偏低。 此外，计算得出的风速相应也比同样送风条件下无展位遮挡工况变小。 而通过改变送风角度，在增设展位遮挡前后，都能在保证室内温度在一定范围下有效地减少过高风速的出现，实现合理的气流组织。

4 结论

利用CFD 软件模拟了某国际会展中心B1 展厅夏季空调工况下室内气流组织，考虑多种送风角度下展览遮挡的影响，分析了展厅室内温度场、速度场分布，主要结论如下:

(1) 设计工况人员活动区域(地面1.5 m 高度处)多数区域空气温度符合设计要求；部分区域风速高于0.7 m/s，会使室内人员产生吹风感。

(2) 展厅内无展位遮挡时，喷口送风角度上调，人员活动区域温度未明显升高，而风速显著降低，有利于减轻人员吹风感。

(3) 增设展位遮挡后，人员活动区域温度场和速度场被明显分割、阻隔，中部温度超标区域增大，与无展位遮挡时相比过高风速区域减少。 上调送风角度10°，温度场和速度场分割、阻挡情况变化较小，而人员区域高风速数值进一步降低，能更好满足人员舒适要求。