碰撞射流在航站樓的應(yīng)用及與分層空調(diào)的比較

張劍英 李琳 劉夢(mèng) 楊洪海*

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

碰撞射流在航站樓的應(yīng)用及與分層空調(diào)的比較

張劍英1李琳2劉夢(mèng)1楊洪海1*

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

碰撞射流通風(fēng)是近年提出的一種新通風(fēng)方式，有較好的應(yīng)用前景。本文將其應(yīng)用于航站樓類高大空間建筑，模擬分析室內(nèi)氣流組織及舒適性，并與分層空調(diào)通風(fēng)方式進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明，兩種通風(fēng)方式均能滿足工作區(qū)的設(shè)計(jì)溫度；若采用碰撞射流通風(fēng)方式，可以緩解工作區(qū)的吹冷風(fēng)感，使得氣流在同一水平面的分布更均勻，同時(shí)提高室內(nèi)的熱通風(fēng)效率，更好地消除熱負(fù)荷。

碰撞射流通風(fēng) 分層空調(diào) 航站樓 氣流組織 數(shù)值模擬

航站樓是一種特殊的建筑類型，要在送風(fēng)的同時(shí)控制溫度、速度等的穩(wěn)定性和舒適性，有一定難度，航站樓類高大空間建筑的空調(diào)負(fù)荷也與送風(fēng)方式密切相關(guān)。因此，室內(nèi)空調(diào)的能耗大小以及均勻理想的溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)都取決于合適的送風(fēng)方式。

目前我國(guó)舒適性空調(diào)通常采用混合送風(fēng)方式，該方式通風(fēng)效率和能源利用率低，空氣品質(zhì)差[1]。置換通風(fēng)在垂直方向上利用了熱力分層，使室內(nèi)空氣質(zhì)量得到改善[2]。置換通風(fēng)的送風(fēng)速度一般小于0.5m/s，氣流無(wú)法到達(dá)房間較遠(yuǎn)的區(qū)域，限制了在大跨度房間中的使用。分層空調(diào)與全室空調(diào)系統(tǒng)相比，節(jié)省能耗和初投資[3～4]。李琳[5]等利用FLUENT軟件，對(duì)虹橋機(jī)場(chǎng)新航站樓采用分層空調(diào)系統(tǒng)的氣流組織及熱舒適性進(jìn)行了模擬分析，得到溫度、速度及熱舒適性指標(biāo)值隨著空間位置的變化規(guī)律。碰撞射流通風(fēng)是近年來(lái)提出的一種新通風(fēng)方式，結(jié)合了混合通風(fēng)和置換通風(fēng)的優(yōu)點(diǎn)，被譽(yù)為“The Air Queen”，有較好的應(yīng)用前景，值得深入研究[6～8]。

在文獻(xiàn)[5]的基礎(chǔ)上，針對(duì)航站樓建筑，將碰撞射流通風(fēng)方式應(yīng)用于高大空間，通過(guò)FLUENT模擬研究室內(nèi)氣流組織及舒適性，并與分層空調(diào)方式對(duì)比。

1 物理模型與設(shè)計(jì)參數(shù)

選取虹橋機(jī)場(chǎng)2號(hào)航站樓一層迎客廳及行李提取大廳為研究對(duì)象，該建筑南北向長(zhǎng)約280m，東西向?qū)捈s為75m，層高約為12m，面積約為16640m2。不僅具有跨度大、高度大的特點(diǎn)，而且人員密集，對(duì)室內(nèi)空調(diào)舒適性要求較高。由于建筑結(jié)構(gòu)具有南北對(duì)稱性，故計(jì)算區(qū)域選取主樓一層大廳北邊一半，包括行李提取大廳和迎客廳。建模時(shí)，對(duì)外形非常復(fù)雜的局部區(qū)域適當(dāng)?shù)囊?guī)整成矩形，如圖1。

圖1 研究對(duì)像結(jié)構(gòu)示意圖

模型按非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，對(duì)送風(fēng)口等局部區(qū)域進(jìn)行加密。采用FLUENT軟件，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。設(shè)計(jì)參數(shù)及邊界條件如表1和表2。

表1 設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 邊界條件匯總

2 結(jié)果分析

2.1 垂直速度的比較

圖2為碰撞射流與分層空調(diào)兩種通風(fēng)方式在工作區(qū)（0～2m）內(nèi)平均速度沿高度方向的變化趨勢(shì)，從圖中可以看出：

兩種送風(fēng)方式在工作區(qū)的送風(fēng)速度均隨著高度的升高而下降。分層空調(diào)較為緩慢，碰撞射流下降較快。

2）分層空調(diào)方式下，工作區(qū)的平均風(fēng)速在0.4～0.6m/s，大于推薦值0.3m/s[10]，人在房間中會(huì)全身有吹冷風(fēng)感。

3）碰撞射流通風(fēng)方式下，底部工作區(qū)（0～0.8m）平均風(fēng)速在0.3～0.75m/s，大于推薦值0.3m/s，會(huì)有吹冷風(fēng)感；在上部工作區(qū)（0.8～2m）平均風(fēng)速在0.15～0.3m/s，小于推薦值，吹風(fēng)感不明顯。

因此，從工作區(qū)風(fēng)速分布來(lái)看，相比于分層空調(diào)方式，在碰撞射流通風(fēng)方式下，人體吹冷風(fēng)感得到改善。

圖2 垂直速度的比較

2.2 垂直溫度的比較

圖3為兩種通風(fēng)方式在工作區(qū)（0～2m）平均溫度沿高度方向的變化趨勢(shì)，可以看出：

1）分層空調(diào)方式下，隨著垂直高度的增加，平均溫度略有下降；碰撞射流通風(fēng)方式下，隨著垂直高度的增加，平均溫度緩慢上升。

2）碰撞射流通風(fēng)方式下，最低平均溫度出現(xiàn)在地面附近，在人體腳裸處會(huì)有稍涼的感覺(jué)。

就溫度分布來(lái)說(shuō)，分層空調(diào)通風(fēng)方式垂直溫差小、平均溫度更滿足人體熱舒適要求，優(yōu)于碰撞射流通風(fēng)方式。

圖3 垂直溫度的比較

2.3 同一水平面溫度及風(fēng)速不均勻性的比較

在室內(nèi)各點(diǎn)，溫度、風(fēng)速等均有不同程度的差異，這種差異可以用“不均勻系數(shù)”指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)，如式（1）所示[9]：

其中：

式中：ku為不均勻系數(shù)；u為多個(gè)測(cè)點(diǎn)的平均溫度（或速度）值；ui為某個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度（或速度）；n為所測(cè)點(diǎn)數(shù)。

ku的值越小，表示氣流分布的均勻性越好。在離地面1.7m高度處（人員采取站立姿勢(shì)高度）選擇9個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別計(jì)算碰撞射流通風(fēng)與分層空調(diào)方式下溫度及風(fēng)速的不均勻系數(shù)，結(jié)果如表3所示。

表3 1.7m高度處溫度及風(fēng)速不均勻系數(shù)

從表3可以看出，在分層空調(diào)方式下，同一水平面上的風(fēng)速和溫度不均勻系數(shù)較大；在碰撞射流通風(fēng)方式下，同一水平面上的風(fēng)速和溫度不均勻系數(shù)較小，尤其是速度不均勻系數(shù)。說(shuō)明在碰撞射流通風(fēng)方式下，房間中氣流分布的均勻性較好。

2.4 熱通風(fēng)效率的比較

通風(fēng)效率是指通風(fēng)系統(tǒng)排除通風(fēng)空間內(nèi)部產(chǎn)生的污染物或熱量的能力，它一方面與室內(nèi)污染物含量分布相關(guān)，另一方面與室內(nèi)溫度分布相關(guān)[10]。從溫度分布角度定義熱通風(fēng)效率可表示為：

為便于比較，兩種送風(fēng)方式取相同的送風(fēng)溫度（參見(jiàn)表1），通過(guò)FLUENT模擬計(jì)算得到平均排風(fēng)溫度te及整個(gè)室內(nèi)空氣平均溫度，代入式（3）得到兩種送風(fēng)方式下的熱通風(fēng)效率，結(jié)果如表4所示。

表4 各溫度值及熱通風(fēng)效率

從表4可以看出，送風(fēng)溫度相同（均為289K）時(shí)，碰撞射流方式下的熱通風(fēng)效率為289%，分層空調(diào)方式下的熱通風(fēng)效率為235%。說(shuō)明碰撞射流通風(fēng)消除熱負(fù)荷的效果更好，能更有效利用新風(fēng)。

3 結(jié)論

通過(guò)數(shù)值模擬，將碰撞射流通風(fēng)應(yīng)用于上海虹橋機(jī)場(chǎng)新航站樓，并與分層空調(diào)方式的熱環(huán)境進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明：

1）分層空調(diào)在整個(gè)工作區(qū)的平均風(fēng)速高于推薦指標(biāo)，全身有吹冷風(fēng)感；碰撞射流通風(fēng)只在地板附近風(fēng)速略高，其他區(qū)域吹冷風(fēng)感得到改善。

2）兩種空調(diào)方式均能滿足工作區(qū)的設(shè)計(jì)溫度，但分層空調(diào)的垂直溫差比碰撞射流通風(fēng)的小，溫度分布更好。

3）與分層空調(diào)相比，在碰撞射流通風(fēng)方式下，同一水平面上溫度及速度的均勻性較好，氣流分布更均勻；且熱通風(fēng)效率較高，能更好地消除熱負(fù)荷，充分利用新風(fēng)。

[1]馬仁民.通風(fēng)的有效性與室內(nèi)空氣品質(zhì)[J].暖通空調(diào),2000,30 (5):20-23

[2]李強(qiáng)民.置換通風(fēng)原理、設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].暖通空調(diào),2000,30(5): 41-46

[3]鄒月琴,王師白,彭榮.分層空調(diào)氣流組織計(jì)算方法的研究[J].暖通空調(diào),1983,(3):1-6

[4]樊少星,周平章.分層空調(diào)設(shè)計(jì)的若干問(wèn)題[J].暖通空調(diào),1980, (4):7-10

[5]李琳,楊洪海,甘長(zhǎng)德.虹橋機(jī)場(chǎng)新航站樓分層空調(diào)氣流組織模擬計(jì)算[J].制冷與空調(diào),2010,10(6):77-80

[6]袁麗麗,寇利,劉斌.對(duì)比置換通風(fēng)碰撞射流通風(fēng)室內(nèi)顆粒物分布特性的研究[J].潔凈與空調(diào)計(jì)術(shù),2008,12(4):30-35

[7]李曉冬,董磊.碰撞射流通風(fēng)方式的研究[A].見(jiàn):全國(guó)暖通空調(diào)制冷2006年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C].2006.68-71

[8]王紅梅.碰撞射流通風(fēng)的特性及節(jié)能分析[J].低溫建筑技術(shù), 2012,07:137-138

[9]朱穎心.建筑環(huán)境學(xué)(第二版).北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2008

[10]陸亞俊,馬最良,鄒平華.暖通空調(diào)(第二版)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2007

Applic a tion of Im pinging J e t Ve ntila tion in Avia tion Building a nd Contra s t w ith Stra tifie d Air Conditioning

ZHANG Jian-ying1,LI Lin2,LIU Meng1,YANG Hong-hai1*
1 School of Environmental Science and Engineering,Donghua University 2 China Haisum Engineering Co.,Ltd.

Impinging jet ventilation is a new and quite potential type of ventilation mode,which is now presented in an aviation building to investigate the air distribution and indoor comfortableness,and compared with the stratified air conditioning mode.Results show that,two type ventilation modes both satisfied the indoor temperature,while under the mode of impinging jet ventilation,cold feeling is weaken in the work area,and air distribution is more uniform along the same plane,also the ventilation efficiency is improved to eliminate the heat load more efficiently.

impinging jet ventilation,stratified air conditioning,aviation building,air distribution,numerical simulation

1003-0344（2015）05-088-3

2014-6-28

楊洪海（1968～），女，博士，副教授；上海市松江區(qū)人民北路2999號(hào)東華大學(xué)環(huán)境學(xué)院（201600）；E-mail:yhh@duh.edu.cn