几种高大空间公共建筑气流组织形式及热舒适性的CFD模拟研究

2019-06-04姚赛

上海节能 2019年5期

姚赛

同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司

0 引言

暖通设计，几种典型的高大建筑的空调对于设计人员非常重要。影剧院、音乐厅、体育馆、展览厅、航空机场等高大空间的公共建筑，都有着高度高、体积大、空调负荷大、人员活动高度远低于室内总高度、能源消耗量大，对空调质量要求高等特点。其中，大空间公共建筑的气流组织形式和空调节能问题显得特别重要。国内对高大空间公共建筑的室内热环境设计和空调设计还不很成熟。除高大空间本身的特点外，室外的气象参数、建筑的热工性能、室内的气流组织形式、室内的热媒分布等，都会影响室内的热舒适性。设计合理的气流组织形式，将使建筑物内的空气温度、湿度、速度和洁净度等，既可满足人员的舒适性要求，又能实现保证空调系统能耗较低、能源利用率高的要求。

近年来，高大空间空调系统的气流组织设计尚无成熟的理论和实验结论。主要研究手段是将气流分析和数值模拟相结合，在高大空间公共建筑的空调系统设计中普遍采用CFD技术预测气流组织、优化设计方案。气流数值分析能考虑室内的各种可能的内扰、边界条件和初始条件、全面反映室内的气流分布情况，寻找最优的气流组织方案。

本文介绍几种高大空间公共建筑，如某体育馆、剧场、展厅的主要气流组织方式和设计的要点，提出对策，进行热舒适性的CFD模拟研究。

1 高大空间公共建筑的气流组织形式的比较

高大空间公共建筑（本文指的高大空间公共建筑均为高度超过5m,占地面积大于500m2），最难处理的是送风温差大、射流长，可能造成冷风下降或热风上浮现象。根据各种高大空间公共建筑物的特点，选择合理的空调气流组织尤为重要，气流组织形式主要有如下几种方式[2]。

1.1 侧送风方式

侧送风有两种方式：一种是将送风口安装在空调房间四周侧墙或者风道侧面的上部，进行横向送风；一种是将送风口设置在空调房间中间，向四周送风，即所谓的分层空调。以送风口为分层面，将高大空间公共建筑在垂直方向上，分为空调区域和非空调区域两部分。分层气流较均匀。分层气流的下部涡流剧烈、温度较低，上部涡流不剧烈、温度较高,分层效果较好。侧送风方式的回风口一般设于侧面或地面。侧送风风口主要有喷口（单排喷口或双排喷口等）及百叶风口（格栅风口、百叶风口、条缝风口等）。

1.2 上送风方式

上送风方式指空气自上而下送至人员长期或者短期逗留场所，把处理好的空气均匀送到人员所在部位，以满足舒适性要求。上送风方式通常与下回风结合或与侧回风结合，也有上送上回。回风口要远离送风口，以免形成短路。高大空间公共建筑主要有旋流风口上送风、喷口上送风及条缝或孔板上送风等方式。

1.3 下送风方式

下送风方式主要有置换通风方式及地板送风方式。置换通风依靠密度差所产生的压差为动力，以实现室内空气的置换。主导气流是由室内热源所控制。地板送风是将处理后的空气由地板下的静压箱和送风散流器从下至上送入房间，与室内空气混合，消除余热余湿后从房间顶部排风口排出。地板送风是一种节能型气流组织形式，避免了将灯光散热、屋顶辐射热的对流部分带入空调区域，可使送风量大大减少，节省了设备投资费用和运行费用。

1.4 多种气流组织方式合用

为达到最佳的气流组织效果、满足人体的舒适性要求，大型综合性多功能高大空间的公共建筑一般会把多种气流组织方式合用，以达到节能高效，满足人们的舒适性要求。

2 几种高大空间公共建筑的气流组织形式设计要点

2.1 展厅、航空机场类高大空间公共建筑气流组织设计要点

1）必须与室内装修及使用功能配合布置，达到完美结合。

2）送风气流应形成均匀的温度场和速度场，不应给人带来吹风感。

3）若外立面全是玻璃幕墙，必须防止幕墙外、内表面在冬季结露。

4）必须确保空调送风能够到达人员逗留的场所。

2.2 体育类高大空间公共建筑气流组织设计要点[3]

2.2.1 体育比赛大厅的气流组织设计要点

1）送风气流要满足各种体育项目比赛的要求，尤其是小球类比赛，不应影响比赛效果[6]。

2）避免观众区的送风气流给人以吹风感。

3）观众看台上部和下部的温差不能太大，应控制在2℃以内。

2.3 影剧院、音乐厅类高大空间公共建筑气流组织设计要点[1]

2.3.1 观众厅气流组织设计要点

1）送风气流分布均匀。观众区能达到均匀的速度场及温度场，无吹风感。冬季送热风时，热空气能送至观众停留区域。

2）回风口的布置要消除送风死角。

2.3.2 舞台气流组织设计要点

1）空调气流不能吹动幕布，不能有风压作用影响幕布的启闭或更换。

2）空调送风能完全送达舞台工作者的范围。3）舞台上灯具多、发热量大，不稳定，空调气流要及时带走其热负荷[5]。

3 几个典型的高大空间公共建筑气流组织形式设计的举例及CFD模拟研究

3.1 展厅的气流组织形式及舒适性CFD模拟研究[4]

某展厅占地面积约55 000m2,东西跨度288m。南北跨度180m,整幢建筑西侧是一个180m×144m的大展厅。展厅内不设一根柱子,是一个非常完整的大空间。展厅空间跨度大，如果采用普通的单层喷口模式送风,就有可能造成室内空气场均匀性、舒适性不足。最后，展厅空间采用侧送双层喷口。展厅空间实际设计工况的双层喷口的模拟结果见图1和图2。

由上看出，速度场控制在0．4m/s范围内，室内1．5m高度人员活动区的温度场控制在23℃～26℃内。展厅空间通过速度场的模拟可看到,上层喷口的射流基本可覆盖到展厅的中部区域。双层喷口的风速,尤其是上层喷口的风速,主要取决于服务空间跨度的实际尺寸,如展厅这样的大跨度空间,送风风速一定要达到14m/s以上，才能控制展厅中部夏季的温度,保证室内人员的舒适性。

图1 设计工况喷口送风的温度场模拟结果

图2 设计工况喷口送风的速度场模拟结果

3.2 体育馆的气流组织形式及舒适性CFD模拟研究[7]

某体育馆长95 m,宽85 m,高23．5 m。体育馆的送风方式分为比赛场和观众场两部分。比赛场采用上送旋流风口，观众席采用座椅送风，回风口设在屋顶四周的顶棚和观众席下方侧壁回风。气流组织形式如图3和图4。

图3 体育馆空调气流组织示意图

图4 体育馆顶部风口布置示意图

实验测试和CFD模拟计算，体育馆室内高度2 m以下的速度均在0．5 m/s以下,顶部旋流风口的实测出口风速在3．44 m/s左右。顶部旋流风口和顶部回风口的附近区域速度比较大,顶部下方高空区的气流真空区气流流速低。观众席前几排的速度大于后几排,有的超过0．15 m/s,这是因为观众席的送风由侧壁回风口回风而引起,后排的送风需经过前排才能到达回风口,前排风速较高。旋流风口正下方温度也随着高度的变化而变化。垂直高度在1 m以上处,温度基本恒定在20．6℃附近。高度约在20 m处，温度开始下降,直至旋流风口的出口温度为14．5℃。体育馆比赛场2 m以上和观众席距台阶地面2 m以上的空间温度较低。

体育馆采用分区送风的方式对观众区和比赛区分别送风和回风,既满足了比赛要求,又基本满足了人员的舒适性要求。分区送风的气流组织能有效地降低体育馆室内的空气温度,温度场分布比较均匀,但比赛场和观众席中人员活动区域的空气被冷却的同时,体育馆比赛场2 m以上和观众席距台阶地面2 m以上的非空调区域也被冷却,浪费了能量。

3.3 剧场的气流组织形式及舒适性CFD模拟研究

某剧场观众厅分两层，共设有750个座位，其中池座618个，楼座132个，舞台净高26．5m。观众厅采用置换通风的送风系统，舞台区域采用分层空调、球形喷口和百叶送风口侧送，低处同侧集中回风系统形式。

座椅送风口出小孔后风速很快衰减，至脚踝处风速极小，观众无吹风感，吸收人体散热散湿后进入观众厅上部。空气在上升过程中，部分风量通过设于剧场中部围护结构装饰格栅的回风口回风至空调机组，另一部分向上进入顶棚面广桥，在起到降温作用之后被屋顶排风机排出室外。整个观众区域为下送中回上排的气流组织形式，仅在人员区维护一个较为舒适的温湿度环境。舞台采用分层空调设计，在舞台的南北两侧7．8m标高处设双层百叶送风口，9．2m标高处设温控可调式球型喷口进行空调送风，低处同侧设置集中回风，舞台顶部设排风机机械排风。百叶送风和球形喷口送风干管处设电动阀，与演出区幕布联动，落幕布时喷口送风关闭，百叶送风开启，幕布打开时喷口送风开启，百叶送风关闭，保证幕布在空调送风情况下不会摆动，不影响演出效果。

为验证设计效果，设计人员对观众厅的座椅送风及舞台的百叶侧送和喷口侧送进行了CFD模拟，模拟结果如图5、图6、图7和图8。