大空間建筑室內(nèi)熱環(huán)境的數(shù)值模擬

李莉 蔣露

0 引言

隨著工業(yè)生產(chǎn)的持續(xù)發(fā)展和人們對舒適性要求的不斷提高,中央空調(diào)系統(tǒng)在大空間建筑中的應(yīng)用也越來越廣泛。從保證人體舒適度和節(jié)省能耗兩方面考慮,研究大空間建筑的中央空調(diào)系統(tǒng)是很有必要的。

1 建筑實例概況

本文所選建筑為某工廠印刷車間,位于河北保定。夏季室外計算干球溫度34.8℃,濕球溫度26.8℃,室外平均風速2.1 m/s,大氣壓力100.26 Pa;室內(nèi)設(shè)計干球溫度 25℃,相對濕度50%;冬季室外計算干球溫度-9℃,冬季室外最冷月相對濕度45%,室外平均風速3 m/s,大氣壓力102.04 kPa,室內(nèi)設(shè)計干球溫度22℃,相對濕度50%[2]。房間長33.0 m,寬9.0 m,吊頂高度7.8 m,建筑面積為297 m2。

2 數(shù)值模擬

2.1 物理模型

根據(jù)廠房的建筑尺寸建立三維立體模型,以東、高度、南作為坐標的x,y,z方向。吊頂布置兩排風口,北側(cè)為送風口,南側(cè)為排風口,且送、排風口均采用散流器;北墻采用條形風口側(cè)壁送風,風口中心距地面高度為4.0 m,南墻采用條形風口側(cè)壁排風,風口中心距地面高度為0.4 m;在室內(nèi)南側(cè)放置了一臺全自動印刷機。房間西墻、南墻為內(nèi)墻,其他墻為外墻,所有門均為內(nèi)門。所建立廠房的物理模型如圖1所示。

本文計算對象為形狀較復雜的建筑空間,在模型的網(wǎng)格劃分中,對模型的送、排風口進行了單獨劃分,同時對整體模型進行區(qū)域劃分。經(jīng)統(tǒng)計,模型約劃分為264 520個網(wǎng)格。

2.2 邊界條件

房間內(nèi)各模型的邊界條件類型如表1所示。

3 兩種空調(diào)方案下室內(nèi)熱環(huán)境的數(shù)值模擬及結(jié)果分析

3.1 全室性空調(diào)工況室內(nèi)熱環(huán)境的數(shù)值模擬

采用該廠房原有的氣流組織方式進行常溫送風全室性空調(diào)工況的數(shù)值模擬。

表1 邊界條件

該建筑原設(shè)計采用的是常溫全室性全新風空調(diào)系統(tǒng),室內(nèi)空調(diào)設(shè)計溫度(24±2)℃,相對濕度(50±10)%,夏季送風溫度為14℃,室內(nèi)設(shè)計冷負荷為90 kW,冷負荷指標為303 W/m2,總送風量為22 000 m3/h。頂送、頂排風散流器的尺寸均為360 mm×360 mm,分別為8個;單側(cè)條形送風口尺寸為 1 500×40,共15個,單側(cè)排風口尺寸為1 500×60,共15個。吊頂送(排)風承擔總送(排)風量的30%,側(cè)送(排)承擔總送(排)風量的 70%。

根據(jù)該廠房的建筑尺寸,x=10.5 m和z=2.5 m為人員的工作區(qū),因此取 x=10.5 m和z=2.5 m為分析截面。模擬結(jié)果如圖2所示。

從圖2a),圖2b)可以看出,當采用全室性空調(diào)時,空調(diào)區(qū)域的溫度在24℃～26℃,氣流速度小于0.3 m/s,根據(jù)模擬結(jié)果圖進行取值,在人員工作區(qū)域取點計算等效吹風感溫度。經(jīng)計算,kt=0.040 3,kv=0.319 2,ˉF=0.94,ADPI=82%＞80%,此時室內(nèi)的熱環(huán)境滿足熱舒適要求。局部工作區(qū)溫度為24℃時,風速為0.3 m/s,等效吹風感溫度為-1.8℃,會讓人有吹冷風的感覺。圖2c)顯示,當側(cè)送風口以水平射流進入房間后,由于射流、房間上部風口氣流的卷吸作用和設(shè)備的阻擋等因素,使得室內(nèi)產(chǎn)生了上、下兩個比較明顯的旋渦,旋渦的存在雖在一定程度上有利于室內(nèi)空氣的流動,但不利于室內(nèi)污染物的直接排除。

3.2 分層空調(diào)工況室內(nèi)熱環(huán)境的數(shù)值模擬

在大空間建筑空調(diào)設(shè)計中,為了節(jié)省初投資和運行能耗,一般采用分層空調(diào)的設(shè)計方案。

本文在對所選定的廠房進行常溫送風分層空調(diào)系統(tǒng)模擬時,以側(cè)墻條形風口中心標高4.0 m作為分層空調(diào)的垂直分界面,僅對4.0 m以下的區(qū)域進行空調(diào),而對4.0 m以上的區(qū)域設(shè)置排風。由文獻[2]可知,當采用分層空調(diào)時,夏季室內(nèi)冷負荷減少系數(shù)可取30%進行計算。采用與全室性空調(diào)工況相同的送風溫差,則總送風量降為15 400 m3/h,廠房下部南墻設(shè)單側(cè)排風口,排風量為10 500 m3/h(約占總排風量的70%),頂部兩排散流器均為排風口,排風量為5 200 m3/h(約占總排風量的30%),這時側(cè)送風口(條形風口)尺寸為1 600 mm×40 mm,共15個,下側(cè)排風口(條形風口)尺寸為 1 500 mm×40 mm,共 15個,上排風口(散流器)的尺寸為150 mm×150 mm,共16個,模擬結(jié)果如圖3所示。

從圖3可以看出,當采用常溫送風分層空調(diào)時,房間下部空調(diào)區(qū)域的溫度在24℃～26℃,氣流速度小于0.3 m/s,經(jīng)計算,ADPI=83%,kt=0.041 9,kv=0.320 4,ˉF=0.93,滿足 舒適 要求,比全室性空調(diào)系統(tǒng)工作區(qū)的溫度場分布稍好,速度場分布稍差,但相差都不多。上部非空調(diào)區(qū)域只排風不空調(diào),空氣溫度與常溫送風時相比要高出2℃～3℃左右,夏季對下部空調(diào)區(qū)域沒有影響;當采用分層空調(diào)工況時,在滿足工作區(qū)熱舒適性的情況下減少了30%的冷負荷,進而可大大減小系統(tǒng)的初投資和運行費用,所以在大空間建筑設(shè)計中應(yīng)廣泛采用分層空調(diào)方式。

4 結(jié)語

對于大空間建筑,當采用全室性空調(diào)工況和分層空調(diào)工況進行數(shù)值模擬時,室內(nèi)空調(diào)區(qū)域溫度均在24℃～26℃,氣流速度均小于0.3 m/s,ADPI均大于80%;兩種空調(diào)工況室內(nèi)熱環(huán)境都能滿足設(shè)計要求,但分層空調(diào)系統(tǒng)工作區(qū)域的溫度分布比全室性空調(diào)系統(tǒng)工作區(qū)域的溫度分布稍好。當采用分層空調(diào)時,室內(nèi)設(shè)計冷負荷減少30%,室內(nèi)熱環(huán)境仍能滿足設(shè)計要求,因此文獻[2]提到的分層空調(diào)可節(jié)省30%的設(shè)計冷負荷是合理的。原因在于分層空調(diào)僅對下部區(qū)域進行空調(diào),而對上部非空調(diào)區(qū)域只通風的空調(diào)方式,未考慮上部非空調(diào)區(qū)域圍護結(jié)構(gòu)、燈具及吊頂?shù)刃纬傻睦湄摵?可實現(xiàn)制冷空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能。因此,分層空調(diào)是一種有效的節(jié)能措施,應(yīng)當廣泛應(yīng)用于大空間建筑的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計中。

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