1 项目设计概况
新疆国际会展中心二期，地处乌鲁木齐市水磨沟区，为特大型展览建筑，总建筑面积203 126 m2；最高檐口标高为23.30 m，屋面最高点标高为35.30 m。由6个标准展厅和1个多功能展厅（9＃～15＃展厅，其中12＃展厅为多功能展厅），以及休息廊、相关配套服务用房、管理和设备等功能用房组成。9＃～11＃，13＃～15＃展厅面积均为7 740 m2，屋顶高度为19.1～25.7 m；12＃展厅面积为12 800 m2，屋顶高度为27～35 m。
该项目夏季采用间接蒸发式空调，全新风系统；冬季热源为市政高温水，经换热后提供给空调系统，采用新风＋回风的空调系统。展厅采用分层空调，在每个展厅四角或者展厅两侧（12＃展厅），即设备平台上设置空调机组；风管从展厅两侧管廊接至展厅，风管接温控球形喷口。展厅三维剖切面见图1。
2 项目空调负荷计算
经计算，该项目采用全室空调系统时，展厅夏季空调总冷负荷为3 214 kW；采用分层空调，空调负荷为2 386 kW，减少约25.8%。若按照当量满负荷运行时间法，忽略2种空调形式的运行时间差异，则采用分层空调可节能25.8%。下面以9＃展厅为例，计算分层空调负荷。
2.1 负荷计算参数
9＃展厅平面尺寸为120 m×64.5 m，圆形屋面的高度为19.1～25.7 m，工作区高度为2 m。乌鲁木齐夏季空调室外计算干球温度tｗ＝33.5 ℃，计算日平均温度为28.3 ℃；展厅内设计温度为26 ℃。围护结构具体参数见表1。
2.2 负荷计算过程
分层空调的冷负荷由空调区域冷负荷和热转移冷负荷组成。空调区域冷负荷包括空调区的外围护结构冷负荷Qkw，空调区内热冷负荷Qkn（人员、设备和灯光等发热而引起的冷负荷），以及室外新风渗透造成的冷负荷Qx（由于围护结构密闭性较好，且夏季全新风运行，本次设计中忽略此项）。热转移冷负荷包括辐射热转移负荷Qf和对流热转移负荷Qd。其中辐射热转移负荷又包括：1）非空调区各个面（屋面、墙和窗户等）对地面辐射换热引起的冷负荷；2）非空调区域各个面对空调区域墙体辐射换热引起的冷负荷。因此，分层空调的冷负荷Qfc表示为
空调区域冷负荷的计算与传统冷负荷计算无异，故本文重点介绍热转移冷负荷计算。
2.2.1 空调分层高度H
根据喷口参数，计算得出送风射流落差Y＝9.9 m，取10 m。分层高度H＝12 m。非空调区域内的温度t2＝31 ℃。
2.2.2 外围护结构冷负荷及内热冷负荷
根据空调系统分层高度，采用谐波反应法分别计算空调区和非空调区的室内冷负荷，得到空调区域围护结构冷负荷Qkw＝25 kW，空调区域内热冷负荷Qkn＝293 kW；非空调区外围护结构冷负荷Qfw＝198 kW，非空调区域设备冷负荷Qfn＝65 kW。
2.2.3 外围护结构内表面温度τw
展厅外围护结构内表面温度计算结果见表2。Δtfp为屋顶或外墙外表面辐射平均温升，取7.5 ℃；Δtw为屋顶或外墙“作用时间”室外温度波动部分的综合负荷温差；tn为室内计算温度；Δtzh为外围护结构综合温差。
2.2.4 辐射热转移负荷Qf
经计算Qf＝36.6 kW，计算过程见原文。
2.2.5 对流热转移负荷Qd
经计算，对流热转移负荷为61.1 kW。展厅分层空调总的冷负荷为415.7 kW。
2.3 分析
采用全空调系统时，总冷负荷为581 kW，采用分层空调冷负荷比全空调冷负荷减少28.2%。由负荷计算可知，分层空调的分层高度越小，需要保证舒适度的区域越小，则空调的冷负荷也越小。本次设计中由于建筑设备层高度和展厅宽度的限制，造成送风口安装高度较高，射程较远；为保证工作区处于回流区，需以较大仰角（10°）喷射。造成分层高度较高，限制了分层空调进一步发挥其节能优势。
3 气流组织计算
由于建筑所限，球形喷口设置在标高11.8 m处（相对于室内地面）。采用下回风，回风口底距地面0.3 m。9＃展厅及15＃展厅采用80 000 m3/h的空调机组，其他展厅采用50 000 m3/h的空调机组，送风温差10 ℃。按照室内空间的划分确定喷口数量和单个喷口风量范围，并查阅厂家样本，选择喷口型号。每侧设置58个喷口，单个喷口风量为2 750 m3/h，初选喷口规格为D500，出风口直径300 mm。每侧喷口送风距离为28.8 m。通过计算确定喷口的送风流速和送风方向，校核工作区的流速是否满足舒适性要求。该工程中喷口射流的计算按照《实用供热空调设计手册》介绍的方法进行。
4 气流组织模拟
在本次设计中，空调分层高度H是一个关键的参数，而H是结合气流组织计算公式，经过试算得出的，比较容易出现误差。故在设计过程中，进行了气流组织模拟验证，并检验冬季分层空调的可行性。
4.1 CFD建模
建模过程中进行必要的简化，忽略中间展厅，将9＃和15＃展厅对接合拼在一起。采用Gambit软件，按照设计实际尺寸和展位布置，送回风口及排风口数量、位置、大小等信息建立模型。
外围护结构的边界条件按照设计值，输入热流边界条件；展厅底部设置展台，人员热负荷附加在展台上，人员密度按照0.33 人/m2，人员冷负荷为108 W/人；灯光冷负荷附加在屋顶冷负荷中。实际设计选用Φ500的球形喷口，单个喷口有效面积为0.064 2 m2，模型中等效采用Φ300的圆形入口边界；风口风量、送风角度、送风温度等按照气流组织计算结果输入；根据工程实际情况，每个展厅两端设置2个回风口，夏季全新风运行时，将其边界条件改为Wall类型。
网格划分主要以六面体结构化网格为主，局部地区采用非结构化网格；人员活动区和喷口上下1 m范围的网格间距采用0.5 m；其他区域网格间距为1 m；并对喷口入口边界的面网格加密为间距0.15 m。网格总数量为52.5万个。网格模型见图2。
4.2 计算设置
由于设计喷口速度较高，空间较大，采用K-ε湍流模型；内部空气近似简化为理想气体，并考虑空气密度变化产生的浮力，其密度近似采用Boussinesq假设。考虑空调区域和非空调区域的辐射热转移，展厅的围护结构传热模型采用Mixed模型，辐射因子根据设计实际情况，依据《实用供热空调设计手册》选用。
4.3 模拟结果及分析
将Gambit模型导入ANSYS软件，并分别计算夏季和冬季工况至收敛；得到展厅的夏、冬季工况室内的流场。夏季温度场见图3，4。
由图3，4可以看出，展厅内存在明显的温度分层现象；但由于喷口安装高度较高，且有向上的喷射角度存在，分层面高度达到13 m左右，比气流组织计算值12 m略高。故需重新调整分层高度，最终计算空调所需负荷为431.4 kW。夏季工况展厅的速度场见图5，6。
由图5，6可知，展厅内喷口以及上部排风窗附近的风速相对较高，而下部活动区域基本于回流区，风速可控制在0.3 m/s以下，与计算值相吻合。故分层空调设计在夏季基本能够满足人员舒适性要求。修改边界条件，按照冬季设计条件，设置各模拟边界条件，参照夏季喷口射流计算，喷口向下的角度调整为25°。将回风口调整成出口边界，边界条件按照设计值输入，重新模拟计算，得到如图7，8所示的冬季温度场。
由温度场可验证，由于存在“热气上浮，冷气下沉”的影响，冬季空调难以实现清晰的上下分层现象，导致分层空调在冬季难以实现节能的目的。冬季展厅人员活动范围内的风速大部分能保证＜0.2 m/s，局部地区可达0.4 m/s，基本能够满足冬季人员舒适性要求。
全文刊登于《暖通空调》2017年第4期
作者：中信建筑设计研究总院有限公司
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