广东省建筑设计研究院
摘要：介绍了南沙国际邮轮码头航站楼大厅全空气空调系统的设计，并通过CFD技术分析其温度场和速度场，针对分析所得问题，对全空气空调室内气流组织进行调整和优化，航站楼大厅热环境明显改善。
关键词：高大空间；气流组织；CFD
0 引言
☆对于高大空间空调系统的气流组织设计，主要研究手段是将气流数值分析和模型相结合，气流数值分析可利用相关的内扰因素、边界条件和初始条件进行分析，能全面地反映室内的气流分布情况，从而确定最优的气流组织方案[1，2]。本文针对南沙国际邮轮码头航站楼大厅，利用CFD软件对其温度场和速度场进行数值模拟，并根据模拟结果对全空气空调系统设计方案进行调整优化。
1 项目概况及气流组织分析方法简介
1.1项目概况
本项目位于广州市南沙区，为一级港口客运站，集口岸服务、交通保障、商业、旅游和办公等为一体的大型综合体。
航站楼出境联检大厅，包括出发通道、海关检疫查验区、旅客等候大厅、出境检疫、等候大厅等功能区，为本次CFD气流组织模拟的研究对象。出境联检大厅建筑面积为8564.3m2，层高为11.35m。如图1、图2所示。
1.2气流组织分析方法的确定
计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，简称CFD）是通过计算机数值计算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析。CFD可以看做是在流体基本方程（质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程）控制下对流动的数值模拟。通过这种数值模拟，我们可以得到复杂流场内各个位置的基本物理量（如速度、压力、温度、浓度等）分布，以及这些物理量随时间的变化情况[3]。
.png)
图1 二层出境联检大厅平面图
.png)
图2建筑剖面图
2 空调型式及CFD模拟结果分析
出发通道、海关检疫查验区、旅客等候大厅、出境检疫、等候大厅等大空间区域采用低速全空气空调系统，送回风形式为上送上回。此类区域的空调风系统设置为该项目的特点及难点。本文通过利用CFD技术对此区域进行模拟分析，以评价该全空气空调系统并进行优化。
2.1 空调型式
出境联检大厅室内设计参数见表1。出境联检大厅空调总冷负荷为2013.91kW，总送风量为372000m3/h。根据各功能区域的负荷计算及末端设备选型，出境联检大厅全空气系统初期空调方案见表2。各区域送风口的参数如表3所示。出境联检大厅风口平面布置图如图3所示。
表1 室内设计参数
.png)
表2 各区域空调参数
.png)
表3 各区域送风口的参数
.png)
.png)
图3 风口布置平面图
2.2 模型的建立、网格的划分以及边界条件的设定
本文采用Fluent Airpak3.0对联检大厅温度场、速度场进行CFD模拟，基于标准k-ɛ模型进行仿真计算。该工程航站楼二层出境联检大厅体积较大，各功能区相连通，中间不分隔，由于该建筑物外形独特，建立模型和生成网格比较困难，因此，对出境联检大厅做出适当改造和简化，简化后模型如图4所示。
采用六面体网格对计算区域进行网格划分，并对空调区内网格进行局部加密，经加密后生成混合六面体网格参数为：Numelemems（六面体数量）：3005824；Numnodes（节点数）：3184633。
边界条件设置如下：
（1）视出境联检大厅与空调房间之间的墙体为绝热墙体；
（2）将照明负荷均匀布置于出境联检大厅顶部；
（3）将人员散热，设备散热等负荷均匀布置于地面；
（4）外围护结构热流边界参数根据空调负荷计算结果设置；
（5）送风口边界类型为速度边界，风口速度根据各区域空调参数计算得到，回风口边界类型为自由出流。
在计算设置中，动量方程和压力方程均采用二阶迎风离散格式，能量、湍流动能、湍流耗散率等方程采用一阶迎风离散格式。设定压力、密度、质量力、动量、能量亚松弛因子最优值分别为0.3、1.0、1.0、0.7、1.0。
对连续性方程、各方向速度、湍流动能方程以及耗散率ε方程的收敛标准设定为0．001，能量方程的收敛标准设定为1 X 10-6。
2.3 数值模拟结果及分析
考虑到游客的活动范围，本文采取了1.5m高度处作为参考高度对室内环境进行评价，1.5m高度处数值模拟计算结果见表4、表5。
由模拟结果可知大厅平均温度为26.3℃，平均风速为0.296m/s。但在旅客等候大厅和出境检疫交接处，1.5m高度处部分区域温度达27.5℃甚至30℃，出现了局部热点。考虑到此处为人行密集区域，对室内活动人员的热舒适感有较大影响，不满足设计要求。进一步分析发现，该区域图中下侧的外围护结构为玻璃幕墙，传热系数较大，导致玻璃幕墙侧空调负荷相对较大。同时，由于空调系统送风量均匀布置，无法有效消除玻璃幕墙侧负荷，导致了等候大厅和出境检疫交接区域局部温度过高的情况。
.png)
图4 二层出境联检大厅简化模型
表4 出境联检大厅数值模拟温度场
.png)
表5 出境联检大厅数值模拟速度场
.png)
3 优化调整
3.1风量分配调整
通过对以上模拟结果分析可知，旅客等候大厅部分区域温度偏高，未达设计要求，需对原设计方案进行改进。改进方案见表6。其中风量为36000m3/h的空调机组负担旅客等候大厅靠幕墙一侧的区域。数值模拟计算结果见表7、表8。
由表7、表8可知，通过调整各机组风量，旅客等候大厅和出境检疫交接区域的局部热点得到了有效消除，热环境得到一定改善，但仍存在局部温度过高的情况，系统仍存在进一步调整改善的空间。
表6 旅客等候大厅风量分配调整表
.png)
表7 出境联检大厅数值模拟温度场
.png)
表8 出境联检大厅数值模拟速度场
.png)
3.2 送风口布置调整
通过风量分配的调整，旅客等候大厅和出境检疫交接区域得到了有效消除，但仍未满足设计需求。因此，在风量分配调整方案的基础上：对各空调送风口布置进行调整：
（1）旅客等候大厅靠幕墙侧的风口间距由原来5m调整为4.5m，同时非幕墙侧风口间距由原来4m调整为4.5m，风口数量不变。
（2）旅客等候大厅靠幕墙侧空调风柜负担的空调面积比原来减少70m2。
数值模拟计算结果见表9、表10。
通过模拟结果可知，通过对风量分配及送风口布置调整，出境联检大厅温度整体在26℃左右，平均风速为0.272m/s，局部热点区情况得到了有效消除，调整后的方案满足设计及使用需求。
表9 出境联检大厅数值模拟温度场
.png)
表10 出境联检大厅数值模拟速度场
.png)
4 结论
在本项目的设计研究过程中，利用CFD软件对航站楼出境联检大厅的室内热环境进行了模拟，并通过模拟结果对空调系统进行优化，分析发现：
（1）对于9.5m净高的大空间区域空调系统，通过CFD模拟技术验证，上送上回的气流组织形式可满足设计要求。
（2）较大传热系数的外围护结构容易导致高大空间内局部过热的情况。
（3）对大空间区域的空调系统，通过合理分配空调系统风量及布置系统末端，可有效消除外区围护结构对室内环境造成的局部过热情况。
参考文献：
[1]谭良才，陈沛霖.高大空间恒温气流组织设计方法研究[J].暖通空调，2002，32（2）；1-4.
[2]胡定科，荣先成，罗勇.大空间建筑室内气流组织数值模拟与舒适性分析[J].暖通空调，2006，36（5）；12-16.
[3]王福军.计算流体动力学分析[M].清华大学出版社，2004.