高大空间会议室气流组织的数字化仿真研究_汤毅.pdf

建筑施工第45卷第1期173高大空间会议室气流组织的数字化仿真研究汤 毅上海市安装工程集团有限公司 上海 200080摘要：大型会议室由于其所使用的分层空调系统的特殊性，在施工前需要对个性化定制的分层空调系统的气流组织进行数值化仿真，以发现设计中可能存在的问题，并加以改进。对上海市临港地区某大型会议室的气流组织进行了有限元分析，针对气流沿程不足的问题，采用改变风口布置和缩小风口尺寸的方法，加大了气流的沿程，改善了实际温度与设计温度偏离的情况。总结的经验可供类似工程参考。关键词：分层空调系统；气流沿程；数值模拟；气流组织中图分类号：TU17 文献标志码：A 文章编号：1004-1001(2023)01-0173-04 DOI：10.14144/ki.jzsg.2023.01.044Research on Digital Simulation of Airfl ow Distribution in Large Space Conference RoomTANG YiShanghai Installation Engineering Group Co.,Ltd.,Shanghai 200080,ChinaAbstract:Due to the particularity of the layered air flow conditioning system used in large conference rooms,it is necessary to conduct numerical simulation of the airflow distribution of the personalized layered air conditioning system before construction to find out the possible problems in the design and make improvements.The airflow distribution of a large conference room in the port area of Shanghai was analyzed by finite element method.Aiming at the problem of insufficient airflow along the way,the method of changing the layout of air outlets and reducing the size of air outlets was adopted to increase the airflow along the way and improve the deviation between the actual temperature and the design temperature.The summarized experience can be used as reference for similar projects.Keywords:layered air conditioning system;airflow path;numerical simulation;air flow distribution础上进行了优化设计。本文对高大空间圆桌会议室的原设计方案进行了数值模拟，评价其室内气流组织的热舒适性能，主要对室内温度场、速度场、相对湿度、PPD、PMV等模拟结果进行分析。在原方案基础上优化风口布置，改变风口大小，并在室内添加人员及设备进行模拟分析以比较深化设计后的效果。PMV（Predicted Mean Vote）是一种表征人体主观热感觉的标尺，代表了同一热环境中大多数人的冷热感觉的投票预测。其值从3到3，当PMV值为负值时，代表冷感；PMV值为正值时，代表热感。PPD（Predicted Percentage Dissatisfied）为预计对热舒适不满意者的百分数，它可以对不满意的人数给出定量的预计值，可预计群体中感觉过冷或过热的人的百分数。PPD和PMV均可由室内空气的参数计算获得，可对室内人员热舒适性水平进行综合评价，评价其室内气流组织的热舒适性能。1 空场状态下会议室气流组织模拟分析1.1 网格划分圆桌会议室尺寸为LWH36 m36 m15.5 m，与普通建筑相比，高大空间建筑跨度大、空间高、结构复杂，其空调气流组织需要进行专项设计，以满足个性化的空调通风需求。垂直方向明显的温度分层1是高大空间分层空调系统的显著特征，使高大空间的热湿环境和气流组织设计变得较为复杂。在工程和科研领域，计算流体力学模拟仿真可有效辅助预测室内热湿环境和气流组织设计。杨丽等2对某大型建筑内部气流组织进行模拟研究，结果表明当采用壁挂式空调送风形式时，建筑内各项参数均能满足设计要求。于虎等3以深圳市某民用建筑大堂为研究对象，利用软件模拟其室内环境在不同送风方案下的情况，通过模拟结果的对比分析确定了最佳方案，为民用高大空间建筑的空调方案设计提供了借鉴。魏睆等4分别采用实地测量和数值模拟的方法对四川某高大厂房改造项目进行研究分析，在原有空调系统的基基金项目：上海建工集团年度科研计划（21JCSF-19）。作者简介：汤 毅（1987），男，硕士，高级工程师。通信地址：上海市塘沽路390号（200080）。电子邮箱：收稿日期：2022-10-21数字建造DIGITAL CONSTRUCTION20231Building Construction174采用稳态物理模型，边界及风口处网格疏密比例系数为1.1。对网格数分别为16万、33万、60万的模型进行模拟，对比X（垂直方向）18 m截面上温度分布，发现使用3种数量的网格模拟得到结果相差不大，最终选取模型网格数量为33万。1.2 边界条件设置本文研究的高大空间圆桌会议室采用集中空调，气流组织采用两侧喷口送风，下部集中回风的方式。风口为非均匀布置，共22个送风口，参考原设计方案一侧12个，另一侧10个，圆形风口直径均为630 mm，送风口输入风量边界条件，两侧送风口的送风风量分别为0.72、0.78 m3/s，送风温度均为17.2。本文利用稳态数值计算以室外逐时空气综合温度为第三类边界条件施加于围护结构表面，室内夏季单位建筑面积的冷指标为129 W/m2，建筑室内总负荷为167 184 W，该项目位于2层，1层同为相同功能房间会议室，室内设计温度相同，忽略两者之间的负荷传递，地面设为绝热，屋顶设置热流密度为25.8 W/m2，四周墙体设置热流密度为60 W/m2，基于此在Phoenics中建立模型，模型如图1所示。回风口送风口图1 圆桌会议室模型示意1.3 气流组织模拟结果及分析1.3.1 水平截面结果分析水平截面Z5.2 m处（送风口布置高度）室内空气平均温度为26 图2（a），平均风速为0.28 m/s图2（b）。Z1.5 m处（室内人员活动高度）室内空气平均温度为25.4 图2（c），平均风速为0.24 m/s图2（d），由于送风口一侧数量为10，一侧数量为12，风口非均匀布置，在Z5.2 m处温度场分布不均匀，在风口布置较少的一侧出现大量的热积聚现象，在Z1.5 m处沉积现象更为严重，导致在人员活动高度（Z1.5 m）处温度未达到室内温度为25 的设计要求，且温度场分布较为紊乱。在Z5.2 m处由于送风温度较低，冷空气向下沉降，导致速度场除送风口附近外普遍较为均匀，在Z1.5 m处受到室内温度场的影响，室内速度场分布较为紊乱。由于室内相对湿度、PPD、PMV与人体舒适性相关，本文只考虑在人体活动高度（Z1.5 m）处室内相对湿度、PPD、PMV的分布情况图2（e），在人体活动高度平均相对湿度为55%，符合设计要求（52%58%）。如图2（f）和图2（g）所示，PPD与PMV在人员活动高度分布较为均匀，但在室内部分人员活动区域存在PPD与PMV较高的情况，PPD可达20%，PMV可达1.1，壁面上非均匀布置的风口对室内的舒适性有一定的影响。（b）5.2 m处速度分布Z（a）5.2 m处温度分布Z（d）1.5 m处速度分布Z（c）1.5 m处温度分布Z（f）1.5 m处PPD分布Z（g）1.5 m处PMV度分布Z（e）1.5 m处相对湿度分布Z图2 不同高度处气流组织参数分布示意1.3.2 垂直方向（X截面）结果分析在X18 m截面即平行于送风方向的室内中心截面上，人员活动高度处的室内空气平均温度为25.7 图3（a），室内平均速度为0.1 m/s图3（b），由于会议室总高度为15.5 m，因此在垂直方向上出现明显的热分层现象，靠近屋顶部分由于灯具的散热作用，温度可高达60 以上。在X18 m截面上速度、PPD、PMV分布相似度较高，这是由于在人员活动高度区域的X18 m的截面上出现速度波动，导致PMV和PPD会随温度波动而产生相应的变化，如图3（c）和图3（d）所示。1.3.3 垂直方向（Y截面）结果分析在Y18 m截面即垂直于送风方向的室内中心截面上，在人员活动高度处室内空气平均温度为26.7 图4（a），室内平均速度0.07 m/s图4（b），与X18 m截面一样，在垂直方向上出现热分层现象，在人员活动高汤毅:高大空间会议室气流组织的数字化仿真研究建筑施工第45卷第1期175（a）温度分布（b）速度分布 （c）PPD分布（d）PMV分布图3 X18 m截面上各项参数分布示意度Z1.5 m，部分温度甚至达到28 以上。该截面上的速度、PDD、PMV分布相似度较高，这是由于速度分布存在较大波动，导致PPD和PMV分布随着速度的波动而变得不稳定，有部分较大值存在。（a）温度分布（b）速度分布（c）PPD分布（d）PMV分布图4 Y18 m截面上各项参数分布示意后续仿真分析中，Y8 m即人员密度较大的截面上，在人员活动高度（Z1.5 m）温度分布集中在27 左右，高于设计温度25。室内温度场在Y方向上存在一定的温度差，说明本设计方案可能存在由于气流沿程不足而导致制冷效果不佳的情况。2 室内存在人员及设备工况下的气流组织模拟研究2.1 气流组织的优化设计由上述内容可知，在空场情况下（即没有人员和附属设备散热的情况下），室内温度场分布不均，部分区域存在较明显的热沉积现象，人员活动高度Z1.5 m室内空气平均温度为25.4，甚至部分区域温度高达28，远大于室内设计温度25，不满足室内设计要求。而实际情况中，由于会议室人员密集，再加上会议室屏幕、电脑、装饰灯的散热影响，会导致室内温度高于空场工况；再加上风口布置不均导致室内气流速度场分布紊乱，且由上述分析可知PPD和PMV分布与速度场分布相似，因此改善速度场分布的同时也可改善PPD和PMV分布，故本节针对上述空场工况进行一定的深化变更前期预测。对风口布置进行改进调整，根据人员活动区域将壁面上两侧的送风口进行等距及等数量布置（即每一侧均为11个），回风口位置改动至没有人员流动的区域的中轴线位置，目的是使室内的气流组织均匀，同时提高送回风口之间的沿程（图5）。由于上述分析中发现Y方向各截面上的流速不足（上述内容仿真后室内人员活动区域风速普遍在0.15 m/s左右，而一般民用建筑的风速为0.20.5 m/s，故应缩小风口尺寸，如此在风量不变的情况下可增加风口射速，进而提高风口射程，以缓解上述温度偏高和中央区域流速不足的现象），根据甲方要求对风口尺寸进行略微调整（直径由630 mm缩小为580 mm），为完善模型整体度以更接近实际情况，加入人体模型和圆桌模型，定义活动强度为轻度活动下，人体显热负荷取66 W，散湿量取102 g/h。图5 圆桌会议室深化2.2 气流组织分析在模型中加入人员与圆桌后，在Z5.2 m处室内空气平均温度为25.2 图6（a），平均速度0.25 m/s图6（b），在Z1.5 m处，室内空气平均温度为24.8 图6（c），平均风速为0.23 m/s图6（d），相对湿度仍为55%左