吳少光 廖曉華 張 艷

深圳國際會展中心超大展廳氣流組織設(shè)計(jì)

吳少光 廖曉華 張 艷

（深圳市歐博工程設(shè)計(jì)顧問有限公司 深圳 518000）

針對深圳國際會展中心超大展廳的空間尺度和球型噴口射流特點(diǎn)，結(jié)合建筑內(nèi)部空間特點(diǎn)，研究了超大空間側(cè)送風(fēng)的氣流組織的可行性。并通過氣流組織經(jīng)典計(jì)算方法初步確定送風(fēng)口送風(fēng)量及安裝高度，最后通過CFD模擬計(jì)算軟件進(jìn)行氣流組織模擬并優(yōu)化風(fēng)口布置。

超大展廳；氣流組織；送風(fēng)口；計(jì)算流體動力學(xué)

0 工程概況

近現(xiàn)代會展業(yè)經(jīng)過了上百年的發(fā)展，進(jìn)入21世紀(jì)以來，參展展品越來越多樣化，大型展覽品也日漸走入展廳，超大體型的展廳應(yīng)運(yùn)而生。深圳國際會展中心作為未來全球第一大會展中心，設(shè)計(jì)上更具國際前瞻性。

為滿足舉辦特殊類型的展覽（比如航空展、游輪展等）和舉辦大型群眾文體活動（比如春節(jié)聯(lián)歡晚會、大型企業(yè)的年會等）等需求，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了一個(gè)建筑面積約5.3萬m2超大展廳。

展廳內(nèi)部空間長度約230m，寬度約160m，桁架下凈高呈中間高兩側(cè)低的弧形屋頂，最大高度約24m，最小高度約19m。沿著展廳兩側(cè)長邊另設(shè)置凈深22.5m的展廳配套功能房間，沿著展廳兩側(cè)短邊設(shè)置凈寬11.5m的展廳設(shè)備機(jī)房。為了保證超大展廳內(nèi)部空間的完整性和視覺的通透性，在展廳內(nèi)部空間內(nèi)只設(shè)有支撐三角桁架的四個(gè)鋼結(jié)構(gòu)支架。展廳二層平面圖如圖1所示。

圖1 超大展廳二層平面圖

1 送風(fēng)方式的選擇及球形噴口特性分析

為節(jié)約空調(diào)能耗，高大空間通常采用分層空調(diào)，即送風(fēng)口設(shè)在低于頂棚的側(cè)墻上，節(jié)約負(fù)擔(dān)上部空調(diào)負(fù)荷的能耗，具有良好的節(jié)能效果。在某些建筑空間內(nèi)，側(cè)送風(fēng)的分層空調(diào)與全室空調(diào)方式相比，夏季可節(jié)省冷量30%左右[1]。因此，在高大空間場合，分層空調(diào)通常作為首選方案。

雖然文獻(xiàn)[2]對類似超大展廳頂送風(fēng)全室空調(diào)和側(cè)送風(fēng)分層空調(diào)的能耗及氣流組織對比分析結(jié)果表明：全室空調(diào)氣流組織可滿足使用要求，且能耗增加不明顯。但該分析基于設(shè)備、照明負(fù)荷主要集中在人行高度附近的情況下。而超大型機(jī)械設(shè)備展覽的設(shè)備、照明負(fù)荷往往在高位也占據(jù)較大比例；大型年會和晚會也會在高空中設(shè)置大量的專業(yè)照明，給室內(nèi)高空帶來較大的散熱負(fù)荷。因此，在上述類似工況下，側(cè)送風(fēng)具有可觀的節(jié)能性。

在設(shè)計(jì)定案中，項(xiàng)目運(yùn)營單位也提出采用側(cè)送風(fēng)分層空調(diào)的建議，主要考慮以下兩方面原因：基于多年的運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)，側(cè)送風(fēng)的分層空調(diào)在實(shí)際運(yùn)營中具有良好的節(jié)能效果，其次，頂送風(fēng)對后期展廳上空吊掛的大型宣傳幅會引起抖動，進(jìn)而影響參展商廣告效應(yīng)。

而建設(shè)單位及施工單位從施工角度，認(rèn)為頂送風(fēng)方式勢必在展廳桁架中帶來大量大規(guī)格的風(fēng)管，其安裝難度增加，進(jìn)而會影響到項(xiàng)目施工周期。

基于本專業(yè)的技術(shù)分析，并綜合各方意見，本項(xiàng)目最終確定采用側(cè)送風(fēng)的氣流組織形式。

超長距離側(cè)送風(fēng)形式通常采用良好射流特性的球形噴口。根據(jù)國內(nèi)某主流球形噴口廠商的產(chǎn)品，球形噴口的最大規(guī)格為DUK-D630，出口處的直徑0.3737m。為限制出口的阻力和噪聲，通常要求單個(gè)噴口的風(fēng)量不宜超過6000CMH，對應(yīng)的出口風(fēng)速15.31m/s。

根據(jù)側(cè)送風(fēng)射流特性，射程隨著送風(fēng)高度的增加而增加，而送風(fēng)高度越高，分層空調(diào)的節(jié)能效果越差。因此，在結(jié)合場地高度和風(fēng)口安裝條件，初步擬定風(fēng)口最大安裝高度為15.5m或13.5m。

圖2 球形噴口射流計(jì)算模型

2 送風(fēng)氣流設(shè)計(jì)及計(jì)算

根據(jù)上一節(jié)分析，該展廳的側(cè)送風(fēng)口布置應(yīng)控制球形噴口的射程不大于54m。因此，根據(jù)展廳的體型，利用展廳中間三角桁架支撐結(jié)構(gòu)，在南、北側(cè)和中間4個(gè)送風(fēng)柱設(shè)置上、下兩排球形送風(fēng)噴口，并在空調(diào)機(jī)房下方設(shè)置回風(fēng)集氣室，通過集氣室側(cè)面百葉（南、北）和集氣室下方百葉（送風(fēng)柱）回風(fēng)。如圖3所示，單側(cè)最大送風(fēng)距離40m，雙側(cè)最大送風(fēng)距離73m。其中南、北側(cè)凈高較矮，上排噴口安裝高度為13.5m；中間送風(fēng)柱的上排噴口安裝高度為15.5m；各位置的下排噴口安裝高度均為10.5m。

為防止西側(cè)中間展廳入口的冷負(fù)荷向內(nèi)部入侵，在西側(cè)靠近入口的兩端設(shè)置噴口，并在入口南北兩側(cè)各設(shè)置3個(gè)規(guī)格D630球形噴口以改善入口氣流組織。噴口安裝高度15.5m。

圖3 超大展廳側(cè)送風(fēng)口布置圖

圖4 送風(fēng)柱上排噴口布置圖

由圖3可以看出，送風(fēng)柱的四個(gè)角會形成送風(fēng)盲區(qū)，對遠(yuǎn)區(qū)會有一定的影響，因此，在送分柱的上排噴口優(yōu)化成切角改變送風(fēng)角度，最大限度減少送風(fēng)盲區(qū)，如圖4。而近區(qū)處于上排噴口的氣流回流區(qū)，因此維持四邊形的送風(fēng)口布置形式。

圖5為該展廳的氣流組織剖面示意圖，噴口的射程均覆蓋了室內(nèi)空間。

圖5 超大展廳氣流組織剖面圖

3 CFD氣流組織模擬計(jì)算及優(yōu)化

圖6 1/2標(biāo)準(zhǔn)展廳側(cè)送風(fēng)口布置圖

根據(jù)上一節(jié)的送、回風(fēng)口布置設(shè)計(jì)，對比標(biāo)準(zhǔn)展廳的氣流組織形式：兩側(cè)送風(fēng)口距離97m，上、下排球形噴口安裝高度分別為13.5m和10.5m。對比圖3和圖6的氣流組織形式，可看出除入口處的氣流組織形式相對特殊外，其余空間氣流組織形式均相似，即圖7位置。而標(biāo)準(zhǔn)展廳的氣流組織在前期已經(jīng)經(jīng)過計(jì)算流體動力學(xué)（下稱CFD）數(shù)值模擬計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求。因此，為減少數(shù)值模擬工作量，超大展廳僅對圖7復(fù)雜氣流組織區(qū)域進(jìn)行CFD數(shù)值模擬計(jì)算。

圖7 超大展廳數(shù)值模擬計(jì)算范圍

本次模擬采用Fluent軟件進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，計(jì)算模型取圖7范圍的一半，如圖8所示。

圖8 CFD計(jì)算模型

邊界條件設(shè)定如下：（1）采用基于壓力基的求解器；（2）采用K-E REALIZE方程；（3）近壁面采用壁面函數(shù)法；（4）采用湍流充分發(fā)展噴口模型模擬直管段湍流充分發(fā)展段的速度分布；（5）采用PSEDUO TRANSIENT算法改善對流擴(kuò)散問題。整體模型采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格SKEWNESS小于0.7。

人行高度（1.5m處）的溫度場、人行高度（1.5m處）的速度場及球形噴口速度跡線如圖9~11。計(jì)算結(jié)果顯示：（1）人行高度的室內(nèi)平均溫度符合設(shè)計(jì)要求；（2）因送風(fēng)柱下側(cè)回風(fēng)口較高（8m），導(dǎo)致一部分氣流提前返回引起室內(nèi)局部氣流過高，超過文獻(xiàn)[6]要求的最大流速0.5m/s；（3）入口處風(fēng)口射程過大且間距過大導(dǎo)致入口處氣流不均勻，且局部風(fēng)速過高。

圖9 1.5m處溫度場

圖10 1.5m處速度場

圖11 球形噴口氣流速度跡線

因室內(nèi)裝飾要求，送風(fēng)柱的回風(fēng)口高度無法降低。而入口處的送風(fēng)口布置進(jìn)行優(yōu)化，增加送風(fēng)口數(shù)量，將原單側(cè)布置的3個(gè)D630的球形噴口改為9個(gè)D400的球形噴口，減少每個(gè)風(fēng)口的風(fēng)量，縮短射程，提升了氣流組織均勻性。

針對入口處的送風(fēng)氣流組織的改善進(jìn)行CFD復(fù)核驗(yàn)證。其計(jì)算范圍及CFD計(jì)算模型分別如圖12和13所示。邊界條件設(shè)置原則同上，此處不再贅述。

圖12 超大展廳入口處數(shù)值模擬計(jì)算范圍

圖13 入口處CFD計(jì)算模型

人行高度（1.5m處）的溫度場、人行高度（1.5m處）的速度場及球形噴口速度跡線如圖14~16。計(jì)算結(jié)果顯示：（1）入口處人行高度室內(nèi)平均溫度符合設(shè)計(jì)要求；（2）入口處人行高度的平均速度約0.44m/s，符合文獻(xiàn)[6]的規(guī)定值。（3）從流線圖及人行高度速度分布圖可以看出，局部區(qū)域的風(fēng)速已經(jīng)達(dá)到0.55m/s的程度，有不同程度的超標(biāo)?？紤]到入口處為人員短暫停留區(qū)，局部風(fēng)速允許略超設(shè)計(jì)指標(biāo)。

圖14 1.5m處溫度場

圖15 1.5m處速度場

圖16 球形噴口氣流速度跡線

根據(jù)以上兩個(gè)區(qū)域的CFD數(shù)值模擬結(jié)果顯示，主要存在局部氣流流速超過0.5m/s的問題。引起該結(jié)果的因素主要有以下兩方面：（1）應(yīng)運(yùn)營方要求，室內(nèi)的設(shè)計(jì)溫度按22℃考慮，低于文獻(xiàn)[4]推薦的24~26℃和文獻(xiàn)[6]推薦的25~27℃，因此室內(nèi)送風(fēng)量需大幅度增加；（2）受現(xiàn)場條件限制，室內(nèi)回風(fēng)口的安裝高度較高，導(dǎo)致部分送風(fēng)氣流未經(jīng)充分?jǐn)U散而提前回流導(dǎo)致回風(fēng)口附近流速過高。

4 運(yùn)營情況介紹

本工程于2019年9月完成竣工驗(yàn)收并投入使用。超大展廳也在2019年年底至2020年年初成功舉辦了2020年央視新年音樂會“揚(yáng)帆遠(yuǎn)航大灣區(qū)”和多場大型企業(yè)的年會。

央視新年音樂會于2019年12月23日~24日錄制。此時(shí)間段內(nèi)，深圳市室外干球溫度高達(dá)23~25℃，天氣較為炎熱。且為滿足現(xiàn)場舞臺效果，燈光設(shè)備負(fù)荷較大，現(xiàn)場觀眾及大部分主持人、表演者衣著較厚。因此，為滿足室內(nèi)舒適度要求，仍需開啟空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行制冷。根據(jù)現(xiàn)場參與者的感受及反饋，室內(nèi)溫度符合設(shè)計(jì)要求，現(xiàn)場觀眾、主持人及表演者均無過熱、吹風(fēng)感等不適體感，空調(diào)運(yùn)行取得良好的效果。

而2020年年初企業(yè)舉辦的年會，室外氣溫較低，空調(diào)系統(tǒng)關(guān)閉制冷系統(tǒng)，采取大新風(fēng)比（50%）運(yùn)行模式，利用室外低溫新風(fēng)對室內(nèi)發(fā)熱量進(jìn)行“免費(fèi)冷卻”，室內(nèi)的溫濕度也均符合使用要求，室內(nèi)空氣品質(zhì)也得到良好評價(jià)。

圖17 2020年央視新年音樂會現(xiàn)場照片

5 結(jié)語

超大尺度展廳作為會展業(yè)發(fā)展大型展品展覽（如飛機(jī)、游艇、大型機(jī)械產(chǎn)品）的載體，越來越得到會展運(yùn)營方的青睞，目前新建的規(guī)模較大的會展項(xiàng)目都會配置同等體量的展廳。而當(dāng)前國內(nèi)外此類展廳運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)較少，尚無足夠的樣本量供參考和借鑒，給本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)帶來較大的困難。

本文在分析本項(xiàng)目的工程特點(diǎn)、結(jié)合運(yùn)營單位、建設(shè)單位及施工單位等各方意見的情況下，設(shè)計(jì)采用側(cè)送風(fēng)的氣流組織形式。

在進(jìn)一步分析側(cè)送風(fēng)球型噴口的氣流組織特性的基礎(chǔ)上，結(jié)合展廳內(nèi)部中間三角桁架支撐結(jié)構(gòu)，設(shè)置了側(cè)墻送風(fēng)球形側(cè)噴口及送風(fēng)柱球形側(cè)噴口。并采用“多股平行非等溫射流”的計(jì)算公式進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算和風(fēng)口布置。

考慮到入口附近區(qū)域送風(fēng)氣流組織較為復(fù)雜，各股送風(fēng)氣流之間存在互相干擾的情況，導(dǎo)致上述計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生一定偏差。因此，為獲取更為精確的計(jì)算結(jié)果，對該區(qū)域的氣流組織進(jìn)行計(jì)算流體動力學(xué)數(shù)值模擬計(jì)算。并根據(jù)計(jì)算結(jié)果對送風(fēng)口布置進(jìn)行優(yōu)化。

本項(xiàng)目自2019年9月竣工以來，在投入使用不到一年的時(shí)間內(nèi)，已成功舉辦了2020年央視新年音樂會“揚(yáng)帆遠(yuǎn)航大灣區(qū)”和多場大型企業(yè)的年會，空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行經(jīng)受住了考驗(yàn)，室內(nèi)空調(diào)舒適度得到良好的評價(jià)，進(jìn)一步驗(yàn)證了設(shè)計(jì)成果。為同類展廳的設(shè)計(jì)提供了新的設(shè)計(jì)思路。

[1] GB 50189-2015,公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2015.

[2] 賈昭凱,韓佳寶,劉建華,等.國家會展中心（上海）超高大展廳空調(diào)通風(fēng)設(shè)計(jì)[J].暖通空調(diào),2017,47(3):73-78.

[3] 趙榮義,范存養(yǎng),薛殿華,等.空氣調(diào)節(jié)（第三版）[M].中國建筑工業(yè)出版社,1994.

[4] GB 50736-2012,民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2012.

[5] 陸耀慶.實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊（第二版）[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2008.

[6] JGJ 218-2010,展覽建筑設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2010.

Air Diffusion Design of Oversized Exhibition Hall in Shenzhen International Exhibition and Convention Center

Wu Shaoguang Liao Xiaohua Zhang Yan

( Aube Architectural Engineeri ng design Co., Ltd, Shenzhen, 518000 )

In view of the extra large size of exhibition hall in Shenzhen international exhibition and convention center and the feature of jet nozzle, researches the feasibility of side air supply diffusion in oversized hall. Then calculates the air supply volume and installation height with classic air diffusion method. At last, calculates CFD numerical simulation for side air supply diffusion and optimizes according to the calculation result.

oversized exhibition hall; air diffusion; air outlet; design key points; CFD numerical calculation

TU83

A

1671-6612（2021）02-243-06

吳少光（1988-），男，本科，工程師，E-mail：1269008297@qq.com

2020-07-09