某嬉水大厅气流组织防结露模拟分析

某嬉水大厅气流组织防结露模拟分析
张晓明;姚明政;张骁
【摘要】文中以盘锦市某嬉水大厅为例,利用CFD模拟软件Airpak3.0,在冬季工况下,模拟分别采用分层式、笼罩式两种气流组织时,围护结构内表面的结露情况.得出结论:分层式气流组织可以保证墙体部分的防结露要求,但玻璃幕墙结露可能性极大;笼罩式气流组织室内温湿度分布均匀,基本可以保证围护结构不结露,但考虑风口位置影响室内采光等,建议笼罩式与局部送风方式联合使用.
【期刊名称】《低温建筑技术》
【年(卷),期】2016(038)005
【总页数】3页(P37-39)
【关键词】游泳馆;CFD;笼罩式气流组织;分层式气流组织;结露
【作者】张晓明;姚明政;张骁
【作者单位】沈阳建筑大学建筑设计研究院,沈阳110015;沈阳建筑大学市政与环境工程学院,沈阳110168;沈阳市热力工程设计研究院,沈阳110015
【正文语种】中文
【中图分类】TU245.2
随着社会经济的发展，人们的物质、文化生活都有了显著的提高。

游泳馆已经不单单是一个体育竞技项目的代名词，更多的是作为一个健身、理疗、休闲的娱乐场所。

社会需求的不断扩大，使得各类游泳馆在全国范围内大量涌现。

与此同时，由于游泳馆在使用功能上的特殊性，使得防结露问题在游泳馆空调设计中成为一个重点、难点。

尤其是对于北方地区，冬季室内外温差较大，加之游泳馆内湿度较大，极易出现室内结露的现象[1]。

合理的气流组织是游泳馆防结露的有效手段。

目前国内外关于游泳馆气流组织的研究主要有两方面：笼罩式、分层式[2]。

笼罩式是将处理过的气体直接吹向顶棚,再从下部区域回风。

分层式是指仅对游泳馆内的下部区域进行空调，保持在室内的设计温、湿度，而对上部区域进行排风的气流组织。

关于这两种气流组织的优劣，在
暖通届争论颇多。

该工程为盘锦市某嬉水大厅，建筑面积约16000m2,层高25m，共一层。

墙体多为玻璃幕墙，约占整个外墙面积的65%。

屋顶设有大面积天窗，约占整个屋面面积的21%。

大厅内设有螺旋组合滑道、风洞造浪区、急速组合滑道、滑板冲浪等大型水上设备。

文中仅分析冬季工况下大厅内的热湿环境。

室内设计参数：干球温度28℃、相对湿度65%，水池水温26℃。

人员活动区域风速小于0.2m/s,人员密度按0.2人/m2计，约3200人。

墙体传热系数0.68 W/(m2·℃)，幕墙传热系数2.77 W/(m2·℃)，屋顶传热系数0.51 W/(m2·℃)。

在冬季，由于馆内水蒸气分压力较大，热工计算时，必须保证围护结构内表面的温度高于馆内壁面附近空气的露点温度，一般应高出1～2℃[3]。

因此应该对围护结构易发生结露的部位进行校核。

文献[4]中给出了不同温度、湿度下的围护结构内表面露点温度。

2.1物理模型由于建筑模型较大，且形体较为规整。

笔者截取整个嬉水大厅的1/2模拟研究,截取模型大小为60m(X)×25m(Y)×126m(Z)。

为构建的几何模型。

南墙、北墙、西墙均为外墙，东侧墙体为对称面。

外墙、屋顶设有玻璃幕墙。

由于幕墙形状较为特别，笔者在等面积的情况下，将各处玻璃幕墙均按矩形设置。

地面采用低温地板辐射采暖方式。

嬉水大厅内的水池分布不均，笔者将其分成3个区域设置在大厅地面。

(1)分层式气流组织。

分层式送风口为Φ=630mm球形喷口，标高18m，贴壁设置于北墙、南墙和西墙。

每个相邻送风口间距为5m，其中北墙和南墙各有12个，西墙设有24个，共计48个送风口。

回风口为1000mm×500mm单层百叶回风口，设在四周墙体的底部0.5m高处。

每个相邻回风口水平间距7m，南墙、北墙各有8个，西墙17个，共计33个。

分层式气流组织风口布置如图1所示。

(2)笼罩式气流组织。

笼罩式送风口为500mm×500mm方形散流器，以7m×7.5m间距的形式设置在距顶棚2m处。

送风口共8列，每列16个，共计128个，经机组处理的空气直接吹向顶棚。

回风口的设置同分层式一致。

笼罩式气流组织风口布置见图2。

2.2边界条件冬季工况下，嬉水大厅围护结构的热负荷以热流密度的形式添加到建筑模型中。

其中人员散湿量、池边湿润区散湿量全部加入到水池散湿量中，并假设其均匀附加在水池表面。

笔者将水池蒸发吸热和室内空气对水面传热都考虑在模型当中。

考虑人体舒适性问题，大厅地面设有低温地板辐射采暖系统。

保证出风口为自由出流。

2.3数学模型CFD技术在室内热环境中的应用是基于对室内不可压缩气体质量、动量、能量守恒微分方程的离散化处理及其数值解析。

文中采用k-ε双方程湍流模型求解方程组，控制方程包括连续性方程、动量方程、能量方程及k-ε方程和湍流粘性系数ηt公式[5]。

收敛准则为：流场0.001；能量1e-6；组份0.001。

笔者分别选取屋顶和北墙两处最具代表性，也最容易结露的位置，分析两种气流组织防结露能力。

(1)分层式气流组织。

送风参数：干球温度36℃，相对湿度40%，风速8m/s，模拟结果如下。

图3中看出，在屋顶附近的室内温度分布不均，主要是因为屋顶和天窗的保温效果相差较远，屋顶保温能力远远大于天窗。

因此，屋顶附近温度大部分处于30℃左右，而天窗附近温度在20℃～24℃之间，局部位置甚至低于17℃。

图4中显示出屋顶附近的相对湿度分布较为均匀，但天窗下部的相对湿度较大，在75%～80%之间，其他位置相对湿度较低，约在55%左右。

根据文献[4]天窗附近空气的露点温度在15℃～20℃之间，如若保证天窗不结露，则天窗内表面温度应大于22℃。

从图5中显示，天窗内表面温度只有较小的一部分满足防结露要求。

屋顶其他位置露点温度约在20℃左右，而内表面温度均在25℃～30℃之间，可以满足要求。

图6中，左右两侧温度差异明显，墙体一侧温度较高为30℃左右，幕墙侧温度在24℃～27℃之间。

整个北墙边角附近温度较低在18℃左右。

图7中各个位置相对湿度呈中间高，两侧低；上侧低，下侧高的趋势。

这主要是由水面湿源位置决定的。

相对湿度中心区域达70%～75%，外围区域在60%～65%之间。

根据文献[4]，湿度较高的中心区域露点温度在18℃～22℃之间，外围区域露点温度幕墙侧15℃～19℃；墙体侧21℃～23℃。

从图8中北墙内表面温度，分析得出墙体一侧可以满足防结露要求，而幕墙一侧很大面积难以保证设计要求，在墙体边角和墙面局部位置结露可能性极大。

(2)笼罩式气流组织，送风参数：干球温度36℃，相对湿度40%，风速3m/s，模拟结果如下。

图9、图10中，屋顶附近室内空气温湿度分布均匀，天窗设置已无法影响室内环境。

温湿度分别保持在28℃～30℃、60%～70%。

根据文献[4]得，此时屋顶附近室内空气露点温度为20℃～24℃，图11显示，屋顶内表面温度均高于露点温度，可满足防结露要求。

图12、13中北墙附近室内空气温湿度总体上分布较为均匀，幕墙一侧温度略低，湿度略大，局部区域温度在22℃～25℃，湿度为70%～75%。

大部分区域温度在30℃左右，湿度为60%～65%。

根据文献[4]，北墙附近的露点温度整体保持在21℃～23℃，局部露点温度为16℃～21℃。

根据图14中北墙内表面温度，大部分表面温度在30℃左右，局部位置约为25℃，完全满足壁面防结露的设计要求。

(1)在尽量保证计算结果准确性的情况下，CFD数值模拟技术能够灵活便捷的对温湿度复杂的高大空间建筑的室内环境模拟分析。

在学术研究和工程实践当中，都值得推广使用。

(2)采用分层式气流组织，当围护结构是外墙或屋面时，其内表面温度都高出露点温度2℃，基本能满足防结露要求。

但当围护结构是外窗或幕墙等通透性玻璃建材时，会出现大面积结露状况。

因此，在游泳馆防结露方面，尤其是当围护结构采用大量的玻璃幕墙时，分层式气流组织很难达到设计要求。

(3)采用笼罩式气流组织，室内温湿度分布均匀，风口直接吹向屋顶，可有效控制围护结构结露，达到设计要求，是游泳馆类建筑防结露的必要选择。

但由于一般游泳馆内对送风口布置位置要求较为苛刻，因此可考虑在天窗附近采用局部送风取代笼罩式送风。

贴近天窗壁面送风，防止其结露。

这样既实现了设计天窗的初衷，又满足了防结露的设计要求。

【相关文献】
[1]姜宇飞.室内游泳馆空调设计的几点体会[J].安徽建筑,1999,(3):82.
[2]魏文宇.游泳馆空调气流组织方式分析[J].暖通空调，2004,34(9)：65-67.
[3]田文正.浅析某游泳馆围护结构内壁结露问题[J].科技信息，2007,(28)：590.
[4]电子部十院主编,空气调节设计手册(第二版)[M].北京：中国建筑工业出版社，1995.
[5]王福军.计算流体力学分析—CFD软件原理与应用[M].北京：清华大学出版社,2004.。