自然通風(fēng)與分層空調(diào)耦合運(yùn)行的節(jié)能分析

劉夢李琳楊洪海

1東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院2中國海誠工程科技股份有限公司

目前，國內(nèi)外對如何單獨(dú)有效地利用自然通風(fēng)進(jìn)行了很多研究，如消除工業(yè)廠房余熱、改善公共建筑熱環(huán)境、在過渡季節(jié)采用自然通風(fēng)以節(jié)約建筑空調(diào)能耗等。在大空間建筑中，通常采用居留區(qū)域空調(diào)（如分層空調(diào)），此時(shí)室內(nèi)垂直方向上溫度分層現(xiàn)象較明顯，上部區(qū)域溫度很高，通過輻射和對流兩種方式向下部空調(diào)區(qū)轉(zhuǎn)移熱量，加大空調(diào)區(qū)域冷負(fù)荷。因此，如何有效利用上部自然通風(fēng)，并與下部空調(diào)系統(tǒng)耦合運(yùn)行，成為大空間建筑節(jié)能工作的一個(gè)重要方向[1～2]。

本文以大空間建筑夏季工況為例，應(yīng)用數(shù)值模擬方法，研究了自然通風(fēng)和分層空調(diào)系統(tǒng)耦合運(yùn)行下室內(nèi)熱環(huán)境特性，并與單獨(dú)使用分層空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行比較，為自然通風(fēng)與空調(diào)系統(tǒng)耦合運(yùn)行的節(jié)能價(jià)值提供理論依據(jù)。

1 模擬條件

1.1 物理模型

如圖1所示為上海地區(qū)某機(jī)場大空間建筑，長、寬、高分別為30m×30m×12m。外圍護(hù)結(jié)構(gòu)為玻璃幕墻，傳熱系數(shù)6.25W/(m2·K)。聯(lián)合設(shè)置分層空調(diào)及自然通風(fēng)。

圖1 物理模型

其中，分層空調(diào)部分的風(fēng)口布置如下：送風(fēng)口在南北側(cè)墻上各5個(gè)，均勻布置，單個(gè)面積0.5m×0.5m，高4m；回風(fēng)口位于地面附近，南北側(cè)墻上各3個(gè)，單個(gè)面積1m×0.5m。自然通風(fēng)部分的風(fēng)口布置如下：進(jìn)風(fēng)口2個(gè)，設(shè)置在南側(cè)墻上，單個(gè)面積4m×0.5m，高8m；排風(fēng)口1個(gè)，設(shè)在北側(cè)墻上，面積為4m×0.5m，高10.5m。

設(shè)計(jì)參數(shù)及負(fù)荷指標(biāo)如下[3]：

1）夏季空調(diào)室外設(shè)計(jì)干球溫度34.6℃，濕球溫度28.2℃。通風(fēng)室外設(shè)計(jì)干球溫度30.8℃，平均風(fēng)速3.4m/s，主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槟?。室?nèi)設(shè)計(jì)干球溫度25℃，相對溫度55%。

2）旅客處于輕度勞動(dòng)狀態(tài)，顯熱散熱量可取100W/人，人員密度取3.9m2/人；照明負(fù)荷為30W/m2。

3）分層空調(diào)送風(fēng)速度3m/s，送風(fēng)溫度16℃。

1.2 邊界條件及計(jì)算方法

計(jì)算邊界條件簡化如下：

1）將人員散熱量均布于地面，照明散熱量均布于天花板。

2）外墻采用常熱流邊界條件，熱流密度為60W/m2。內(nèi)墻以4m高度為界，設(shè)定上下兩個(gè)常壁溫：空調(diào)區(qū)域墻壁溫度29℃，非空調(diào)區(qū)域墻壁溫度33℃。

3）自然通風(fēng)狀態(tài)穩(wěn)定，進(jìn)風(fēng)口采用速度入口邊界條件，排風(fēng)口采用出風(fēng)口邊界條件。

研究對象為高大空間建筑，建筑本身網(wǎng)格數(shù)較多，且風(fēng)口尺寸相對于大空間顯得很小，因此模型按非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，并對網(wǎng)格進(jìn)行自適應(yīng)加密。應(yīng)用FLUENT 軟件[4～5]，計(jì)算模型選取 RNG k-ε 兩方程紊流模型，近壁面區(qū)域則選用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法，速度-壓力耦合采用SIMPLE算法。

2 計(jì)算結(jié)果與分析

選取截面x=15m（如圖1，A-A截面），分析該截面在單獨(dú)運(yùn)行分層空調(diào)和耦合運(yùn)行時(shí)的溫度場以及氣流分布情況。

2.1 溫度分布比較

圖2、圖3分別是單獨(dú)運(yùn)行分層空調(diào)和耦合運(yùn)行時(shí)在垂直方向上的溫度云圖。可以看出：

1）兩種方式下，下部空調(diào)區(qū)域（高度0～4m），空氣混合均勻，溫度均滿足舒適性要求。在上部區(qū)域，隨著高度的增加，溫度逐漸升高，均會(huì)產(chǎn)生明顯的溫度分層現(xiàn)象。

2）在分層空調(diào)單獨(dú)運(yùn)行時(shí)，下部空調(diào)區(qū)域溫度為298K（25℃），房頂處溫度最高可達(dá) 318K（45℃），在非空調(diào)區(qū)域尤其在天花板處熱氣流滯留明顯。

3）在自然通風(fēng)與分層空調(diào)耦合運(yùn)行時(shí)，下部空調(diào)區(qū)域溫度下降為296K（23℃），房頂處的溫度下降為310K（37℃），上部熱氣流滯留的現(xiàn)象得到了明顯的緩解。

圖2 溫度隨高度變化分布（分層空調(diào)單

圖3 溫度隨高度變化分布（自然通風(fēng)與分層空調(diào)耦合運(yùn)行）

對于分層空調(diào)，空調(diào)區(qū)域冷負(fù)荷由兩部分組成，即空調(diào)區(qū)域本身得熱所形成冷負(fù)荷和非空調(diào)區(qū)域通過對流及輻射方式向空調(diào)區(qū)域轉(zhuǎn)移的熱負(fù)荷[6]。也就是說，非空調(diào)區(qū)溫度越高，熱轉(zhuǎn)移負(fù)荷越大。利用自然通風(fēng)與分層空調(diào)耦合運(yùn)行，可有效降低非空調(diào)區(qū)域的溫度，從而減少空調(diào)區(qū)域的冷負(fù)荷，達(dá)到節(jié)能的效果。

2.2 氣流分布比較

圖4、圖5分別是單獨(dú)運(yùn)行分層空調(diào)和耦合運(yùn)行時(shí)速度矢量圖?？梢钥闯觯?/p>

1）分層空調(diào)系統(tǒng)單獨(dú)運(yùn)行時(shí)，空調(diào)區(qū)域采用雙側(cè)水平送風(fēng)，下部同側(cè)回風(fēng)，使工作區(qū)處于回流區(qū)，得到均勻的速度場和溫度場；在上部非空調(diào)區(qū)域，部分空氣受到熱浮升力作用上升，導(dǎo)致熱氣流滯留。

圖4 速度矢量圖（分層空調(diào)單獨(dú)運(yùn)行）

圖5 速度矢量圖（自然通風(fēng)與分層空調(diào)耦合運(yùn)行）

2）自然通風(fēng)與分層空調(diào)耦合運(yùn)行時(shí)，在下部空調(diào)區(qū)域，氣流組織與單獨(dú)使用分層空調(diào)系統(tǒng)基本一樣；在上部非空調(diào)區(qū)域，熱空氣受到自然通風(fēng)的誘導(dǎo)排到室外，有效地減少了上部非空調(diào)區(qū)域熱空氣的滯留，同時(shí)降低了非空調(diào)區(qū)向空調(diào)區(qū)域?qū)α骷拜椛錈徂D(zhuǎn)移。

3 結(jié)論

針對大空間建筑，本文研究了自然通風(fēng)與分層空調(diào)耦合運(yùn)行對室內(nèi)溫度分布和氣流分布的影響，并與單獨(dú)采用分層空調(diào)系統(tǒng)作了比較。結(jié)果表明，在大空間上部采用自然通風(fēng)可有效排除上部滯留熱量，降低下部空調(diào)區(qū)域的冷負(fù)荷，具有較好的節(jié)能性，是大空間建筑節(jié)能工作的發(fā)展方向。

[1] 劉笙,黃成.大空間建筑上部開口節(jié)能潛力研究[J].暖通空調(diào),2008,38(8):43-46

[2] 鄭東林,譚洪衛(wèi),衛(wèi)丹,等.機(jī)場高大空間分層空調(diào)中自然通風(fēng)效果的探討[A].見:上海市制冷學(xué)會(huì)2005年學(xué)術(shù)論文集[C].2005.364-366

[3] 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,2009

[4] 溫正,石良辰,任毅如.流體計(jì)算應(yīng)用教程[M].北京:清華大學(xué)出版社,2009

[5] 江帆,黃鵬.FLUENT高級應(yīng)用與實(shí)例分析[M].北京:清華大學(xué)出版社,2008

[6] 鄒月琴,王師白,彭榮,等.分層空調(diào)熱轉(zhuǎn)移負(fù)荷計(jì)算方法的研究[J].暖通空調(diào),1983,(2):11-18