幾種高大空間公共建筑氣流組織形式及熱舒適性的CFD模擬研究

姚賽

同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司

0 引言

暖通設計，幾種典型的高大建筑的空調對于設計人員非常重要。影劇院、音樂廳、體育館、展覽廳、航空機場等高大空間的公共建筑，都有著高度高、體積大、空調負荷大、人員活動高度遠低于室內總高度、能源消耗量大，對空調質量要求高等特點。其中，大空間公共建筑的氣流組織形式和空調節能問題顯得特別重要。國內對高大空間公共建筑的室內熱環境設計和空調設計還不很成熟。除高大空間本身的特點外，室外的氣象參數、建筑的熱工性能、室內的氣流組織形式、室內的熱媒分布等，都會影響室內的熱舒適性。設計合理的氣流組織形式，將使建筑物內的空氣溫度、濕度、速度和潔凈度等，既可滿足人員的舒適性要求，又能實現保證空調系統能耗較低、能源利用率高的要求。

近年來，高大空間空調系統的氣流組織設計尚無成熟的理論和實驗結論。主要研究手段是將氣流分析和數值模擬相結合，在高大空間公共建筑的空調系統設計中普遍采用CFD技術預測氣流組織、優化設計方案。氣流數值分析能考慮室內的各種可能的內擾、邊界條件和初始條件、全面反映室內的氣流分布情況，尋找最優的氣流組織方案。

本文介紹幾種高大空間公共建筑，如某體育館、劇場、展廳的主要氣流組織方式和設計的要點，提出對策，進行熱舒適性的CFD模擬研究。

1 高大空間公共建筑的氣流組織形式的比較

高大空間公共建筑（本文指的高大空間公共建筑均為高度超過5m,占地面積大于500m2），最難處理的是送風溫差大、射流長，可能造成冷風下降或熱風上浮現象。根據各種高大空間公共建筑物的特點，選擇合理的空調氣流組織尤為重要，氣流組織形式主要有如下幾種方式[2]。

1.1 側送風方式

側送風有兩種方式：一種是將送風口安裝在空調房間四周側墻或者風道側面的上部，進行橫向送風；一種是將送風口設置在空調房間中間，向四周送風，即所謂的分層空調。以送風口為分層面，將高大空間公共建筑在垂直方向上，分為空調區域和非空調區域兩部分。分層氣流較均勻。分層氣流的下部渦流劇烈、溫度較低，上部渦流不劇烈、溫度較高,分層效果較好。側送風方式的回風口一般設于側面或地面。側送風風口主要有噴口（單排噴口或雙排噴口等）及百葉風口（格柵風口、百葉風口、條縫風口等）。

1.2 上送風方式

上送風方式指空氣自上而下送至人員長期或者短期逗留場所，把處理好的空氣均勻送到人員所在部位，以滿足舒適性要求。上送風方式通常與下回風結合或與側回風結合，也有上送上回?；仫L口要遠離送風口，以免形成短路。高大空間公共建筑主要有旋流風口上送風、噴口上送風及條縫或孔板上送風等方式。

1.3 下送風方式

下送風方式主要有置換通風方式及地板送風方式。置換通風依靠密度差所產生的壓差為動力，以實現室內空氣的置換。主導氣流是由室內熱源所控制。地板送風是將處理后的空氣由地板下的靜壓箱和送風散流器從下至上送入房間，與室內空氣混合，消除余熱余濕后從房間頂部排風口排出。地板送風是一種節能型氣流組織形式，避免了將燈光散熱、屋頂輻射熱的對流部分帶入空調區域，可使送風量大大減少，節省了設備投資費用和運行費用。

1.4 多種氣流組織方式合用

為達到最佳的氣流組織效果、滿足人體的舒適性要求，大型綜合性多功能高大空間的公共建筑一般會把多種氣流組織方式合用，以達到節能高效，滿足人們的舒適性要求。

2 幾種高大空間公共建筑的氣流組織形式設計要點

2.1 展廳、航空機場類高大空間公共建筑氣流組織設計要點

1）必須與室內裝修及使用功能配合布置，達到完美結合。

2）送風氣流應形成均勻的溫度場和速度場，不應給人帶來吹風感。

3）若外立面全是玻璃幕墻，必須防止幕墻外、內表面在冬季結露。

4）必須確?？照{送風能夠到達人員逗留的場所。

2.2 體育類高大空間公共建筑氣流組織設計要點[3]

2.2.1 體育比賽大廳的氣流組織設計要點

1）送風氣流要滿足各種體育項目比賽的要求，尤其是小球類比賽，不應影響比賽效果[6]。

2）避免觀眾區的送風氣流給人以吹風感。

3）觀眾看臺上部和下部的溫差不能太大，應控制在2℃以內。

2.3 影劇院、音樂廳類高大空間公共建筑氣流組織設計要點[1]

2.3.1 觀眾廳氣流組織設計要點

1）送風氣流分布均勻。觀眾區能達到均勻的速度場及溫度場，無吹風感。冬季送熱風時，熱空氣能送至觀眾停留區域。

2）回風口的布置要消除送風死角。

2.3.2 舞臺氣流組織設計要點

1）空調氣流不能吹動幕布，不能有風壓作用影響幕布的啟閉或更換。

2）空調送風能完全送達舞臺工作者的范圍。3）舞臺上燈具多、發熱量大，不穩定，空調氣流要及時帶走其熱負荷[5]。

3 幾個典型的高大空間公共建筑氣流組織形式設計的舉例及CFD模擬研究

3.1 展廳的氣流組織形式及舒適性CFD模擬研究[4]

某展廳占地面積約55 000m2,東西跨度288m。南北跨度180m,整幢建筑西側是一個180m×144m的大展廳。展廳內不設一根柱子,是一個非常完整的大空間。展廳空間跨度大，如果采用普通的單層噴口模式送風,就有可能造成室內空氣場均勻性、舒適性不足。最后，展廳空間采用側送雙層噴口。展廳空間實際設計工況的雙層噴口的模擬結果見圖1和圖2。

由上看出，速度場控制在0．4m/s范圍內，室內1．5m高度人員活動區的溫度場控制在23℃～26℃內。展廳空間通過速度場的模擬可看到,上層噴口的射流基本可覆蓋到展廳的中部區域。雙層噴口的風速,尤其是上層噴口的風速,主要取決于服務空間跨度的實際尺寸,如展廳這樣的大跨度空間,送風風速一定要達到14m/s以上，才能控制展廳中部夏季的溫度,保證室內人員的舒適性。

圖1 設計工況噴口送風的溫度場模擬結果

圖2 設計工況噴口送風的速度場模擬結果

3.2 體育館的氣流組織形式及舒適性CFD模擬研究[7]

某體育館長95 m,寬85 m,高23．5 m。體育館的送風方式分為比賽場和觀眾場兩部分。比賽場采用上送旋流風口，觀眾席采用座椅送風，回風口設在屋頂四周的頂棚和觀眾席下方側壁回風。氣流組織形式如圖3和圖4。

圖3 體育館空調氣流組織示意圖

圖4 體育館頂部風口布置示意圖

實驗測試和CFD模擬計算，體育館室內高度2 m以下的速度均在0．5 m/s以下,頂部旋流風口的實測出口風速在3．44 m/s左右。頂部旋流風口和頂部回風口的附近區域速度比較大,頂部下方高空區的氣流真空區氣流流速低。觀眾席前幾排的速度大于后幾排,有的超過0．15 m/s,這是因為觀眾席的送風由側壁回風口回風而引起,后排的送風需經過前排才能到達回風口,前排風速較高。旋流風口正下方溫度也隨著高度的變化而變化。垂直高度在1 m以上處,溫度基本恒定在20．6℃附近。高度約在20 m處，溫度開始下降,直至旋流風口的出口溫度為14．5℃。體育館比賽場2 m以上和觀眾席距臺階地面2 m以上的空間溫度較低。

體育館采用分區送風的方式對觀眾區和比賽區分別送風和回風,既滿足了比賽要求,又基本滿足了人員的舒適性要求。分區送風的氣流組織能有效地降低體育館室內的空氣溫度,溫度場分布比較均勻,但比賽場和觀眾席中人員活動區域的空氣被冷卻的同時,體育館比賽場2 m以上和觀眾席距臺階地面2 m以上的非空調區域也被冷卻,浪費了能量。

3.3 劇場的氣流組織形式及舒適性CFD模擬研究

某劇場觀眾廳分兩層，共設有750個座位，其中池座618個，樓座132個，舞臺凈高26．5m。觀眾廳采用置換通風的送風系統，舞臺區域采用分層空調、球形噴口和百葉送風口側送，低處同側集中回風系統形式。

座椅送風口出小孔后風速很快衰減，至腳踝處風速極小，觀眾無吹風感，吸收人體散熱散濕后進入觀眾廳上部?？諝庠谏仙^程中，部分風量通過設于劇場中部圍護結構裝飾格柵的回風口回風至空調機組，另一部分向上進入頂棚面廣橋，在起到降溫作用之后被屋頂排風機排出室外。整個觀眾區域為下送中回上排的氣流組織形式，僅在人員區維護一個較為舒適的溫濕度環境。舞臺采用分層空調設計，在舞臺的南北兩側7．8m標高處設雙層百葉送風口，9．2m標高處設溫控可調式球型噴口進行空調送風，低處同側設置集中回風，舞臺頂部設排風機機械排風。百葉送風和球形噴口送風干管處設電動閥，與演出區幕布聯動，落幕布時噴口送風關閉，百葉送風開啟，幕布打開時噴口送風開啟，百葉送風關閉，保證幕布在空調送風情況下不會擺動，不影響演出效果。

為驗證設計效果，設計人員對觀眾廳的座椅送風及舞臺的百葉側送和噴口側送進行了CFD模擬，模擬結果如圖5、圖6、圖7和圖8。

圖5 排演廳溫度場（百葉側送）（1．5m標高）

圖6 中軸剖面溫度場（百葉側送）

圖7 排演廳溫度場（噴口側送）（1．5m標高）

圖8 中軸剖面溫度場（噴口側送）

劇場模擬結果分析[8]：劇場內氣流設計較為合理，觀眾區達到了置換通風效果；舞臺區達到分層空調效果，節約了空調運行能耗。

4 結論

高大空間公共建筑的形式多樣，使用功能不同，氣流組織形式選擇面比較廣泛，設計要點各異。設計合理的氣流組織形式十分重要，結合CFD模擬，可以滿足人們的舒適性要求,降低空調能耗。

崇明區政府領導調研生活垃圾分類工作

4月23日，崇明區政府領導深入基層一線，走訪慰問最美綠色生活先行者，調研崇明區生活垃圾分類工作。

2017年6月以來，崇明舉全區之力，在全市率先開展全域生活垃圾分類探索實踐，經過一年多努力，基本形成了“全域覆蓋、全程閉環、全面處置、全民參與、全智管理、全力保障”的生活垃圾分類“六全模式”，并初步建成全生命周期管理、全過程綜合治理、全社會普遍參與的生活垃圾分類制度體系。

區政府領導表示，站在新的起點，必須對生活垃圾分類工作有新的認識、新的舉措、新的行動，必須對這項工作再認識、再提升，確保這項工作實現更高質量、更高水平的全區全覆蓋，將其打造成崇明世界級生態島建設的亮麗名片。