側(cè)送低溫風(fēng)口防結(jié)露的數(shù)值模擬分析

周　磊，劉　輝

（1.浙江省建筑設(shè)計(jì)研究院，浙江杭州310006；2.浙江東南建筑設(shè)計(jì)有限公司，浙江杭州310012）

側(cè)送低溫風(fēng)口防結(jié)露的數(shù)值模擬分析

周磊1，劉輝2

（1.浙江省建筑設(shè)計(jì)研究院，浙江杭州310006；2.浙江東南建筑設(shè)計(jì)有限公司，浙江杭州310012）

通過對(duì)設(shè)計(jì)的側(cè)送低溫風(fēng)口進(jìn)行氣流組織和溫度場的CFD模擬（FLUENT），分析了引起結(jié)露的主要因素，并采取改進(jìn)措施以達(dá)到防結(jié)露的要求，制作出符合要求的側(cè)送低溫風(fēng)口。得出的結(jié)論可以為側(cè)送低溫風(fēng)口的設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。

側(cè)送低溫風(fēng)口；氣流組織；防結(jié)露；數(shù)值模擬

0　引言

近年來，我國用電負(fù)荷不斷增長，且增長的用電負(fù)荷絕大部分集中在高峰用電時(shí)段，各地區(qū)頻繁出現(xiàn)電力緊張，甚至拉閘限電的狀況。國家現(xiàn)行的峰谷電價(jià)措施，推進(jìn)了冰蓄冷和低溫送風(fēng)技術(shù)的發(fā)展。低溫的風(fēng)是“高品位冷量”，可以提高空調(diào)制冷系統(tǒng)整體能效和降低制冷系統(tǒng)整體投資及建筑造價(jià)，改善室內(nèi)空氣品質(zhì)和熱舒適性［1］，如何合理的利用低溫送風(fēng)，關(guān)鍵在于低溫風(fēng)口的設(shè)計(jì)選擇。

然而，現(xiàn)在應(yīng)用的大多是頂送的低溫風(fēng)口，對(duì)于那些要求較高層高的空間，就要采用側(cè)送的形式，但是某些頂送的低溫風(fēng)口能不能用于側(cè)送，以及如何開發(fā)出合適的側(cè)送低溫風(fēng)口，仍然是需要探討的問題。

鑒于實(shí)際試驗(yàn)條件的限制以及制作低溫風(fēng)口的復(fù)雜過程，針對(duì)以上問題，本文主要借助于CFD軟件對(duì)側(cè)送低溫風(fēng)口進(jìn)行氣流組織和溫度場的數(shù)值模擬，并采取改進(jìn)措施以達(dá)到防結(jié)露的要求，制作出符合要求的側(cè)送低溫風(fēng)口。

1　工程概況

現(xiàn)有某工程根據(jù)現(xiàn)場裝修及層高要求，需要側(cè)面安裝低溫風(fēng)口。以前大多采用的是頂送低溫風(fēng)口，頂送低溫風(fēng)口的送風(fēng)形式不易將其用于側(cè)送（如圖1所示），使得低溫風(fēng)口的模板要重新制作，但可以借鑒頂送的形式來開發(fā)側(cè)送低溫風(fēng)口?？紤]到夏季低溫風(fēng)口需要防結(jié)露的特殊性，要確保其改造后的風(fēng)口不結(jié)露才好成批生產(chǎn)。為了節(jié)約時(shí)間和費(fèi)用，本文簡化一側(cè)送風(fēng)房間來進(jìn)行CFD模擬，用其來指導(dǎo)側(cè)送低溫風(fēng)口的設(shè)計(jì)。

圖1　頂送低溫風(fēng)口氣流組織分布圖

圖2　側(cè)送低溫風(fēng)口氣流組織分布圖

從圖1和圖2中可以看出，頂送和側(cè)送都是貼附平面射流的形式，可以相互借鑒，貼附射流軸心速度的衰減比自由射流慢，達(dá)到同樣的軸心速度射程更遠(yuǎn)，防止冷風(fēng)過早沉降，適合低溫送風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)。

本文設(shè)計(jì)的側(cè)送低溫風(fēng)口模型尺寸為800×110mm，兩排小孔的尺寸為φ20mm，共56個(gè)，如圖3所示。

2　房間模型

本模擬采用的一個(gè)簡化的側(cè)送風(fēng)房間。模擬低溫送風(fēng)下送方式情況下室內(nèi)氣流場和溫度場。房間的尺寸5m×3m×3m，內(nèi)部熱源為人員和計(jì)算機(jī)，其中電腦1臺(tái)（300W/臺(tái)），工作人員1人（150W/人），總計(jì)所需冷負(fù)荷為3.08kW；低溫送風(fēng)口1個(gè)；回風(fēng)口尺寸為0.5m× 0.3m。將坐姿的人體簡化為0.4m×0.3m×1.2m長方體，電腦簡化為0.4m×0.4m×0.4m的正方體。房間內(nèi)的具體布置如圖4所示。

圖3　側(cè)送低溫風(fēng)口的模型

圖4　房間模型

3　房間模型說明

室內(nèi)的冷負(fù)荷是由低溫送風(fēng)來承擔(dān)的，室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為25℃，相對(duì)濕度為60%。設(shè)定低溫送風(fēng)的送風(fēng)溫度9℃，低溫風(fēng)口一個(gè)，送風(fēng)風(fēng)量560m3/h。為簡化問題，使控制方程適用于本問題，作如下假設(shè)：對(duì)于流場計(jì)算條件的設(shè)定室內(nèi)流體為不可壓縮常物性牛頓流體；空氣密度采用Boussinesq假設(shè)，即流體密度僅依賴溫度變化，與壓力無關(guān)；室內(nèi)的湍流Re數(shù)較低，采用RNG的k-ε模型求解流場控制方程；在近壁面處采用非平衡壁面函數(shù)法［2］。

圖5　側(cè)送低溫風(fēng)口的氣流組織分布

圖7　房間的氣流組織分布

4　側(cè)送低溫風(fēng)口氣流組織和溫度場的模擬分析

4.1側(cè)送低溫風(fēng)口防結(jié)露的分析

由圖5可以看出，低溫風(fēng)口側(cè)送出的氣流是貼附著風(fēng)口側(cè)壁流出的，形成貼附射流，因此風(fēng)口側(cè)壁不接觸高溫氣流不易結(jié)露。值得注意的是，有氣流被誘導(dǎo)反吹到中間百葉和孔芯上，考慮到結(jié)露的標(biāo)志是物體的表面溫度低于空氣的露點(diǎn)溫度，所以還要根據(jù)該氣流的露點(diǎn)溫度來判斷是否會(huì)引起結(jié)露，這就要由該風(fēng)口的溫度場分布（如圖6所示）來分析。由圖6可以看出，這股誘導(dǎo)返回的氣流溫度接近送風(fēng)溫度9℃，由焓濕圖可以計(jì)算出：不論誘導(dǎo)返回的氣流的相對(duì)濕度是多少，該氣流的露點(diǎn)溫度都應(yīng)該低于中間百葉和孔芯的表面溫度，就不易出現(xiàn)結(jié)露的現(xiàn)象。

圖6　側(cè)送低溫風(fēng)口的溫度場分布

圖8　房間的溫度場分布

由圖5和圖6可見，低溫氣流離開風(fēng)口時(shí)，利用產(chǎn)生較高的流速來誘導(dǎo)旁邊的氣流，使得送出的低溫氣流沒有完全包絡(luò)到風(fēng)口包邊，包邊周圍的氣流溫度高于送風(fēng)溫度9℃，且下面包邊周圍的氣流溫度顯著高于上面包邊，因此風(fēng)口的包邊是易于產(chǎn)生結(jié)露的部位。防結(jié)露的措施是：上面包邊可以將風(fēng)口緊貼頂板安裝，通過產(chǎn)生較好的貼附射流效果來避免結(jié)露，下面包邊僅靠氣流組織的方法很難做到防結(jié)露的要求，一般采用在包邊上貼附導(dǎo)熱性差的材料--塑料或者注絨來提高包邊表面溫度的方法。

4.2房間舒適性的分析

分析完低溫風(fēng)口是否結(jié)露的首要條件，再來看看房間的氣流組織和溫度場分布情況。由圖7可以看出，氣流射流到墻邊，在離墻邊較近的距離下沉，再從人體下方自下向上流動(dòng)，使得人體旁邊的氣流是呈上升的羽流形式，溫度較高的氣流由頂板的排風(fēng)口排出，氣流的渦流區(qū)遠(yuǎn)離人體，人體周圍的流速在0.3m/s左右，符合較好的氣流組織標(biāo)準(zhǔn)［3］。由圖8可以看出，低溫的氣流貼近頂板和墻邊，人體周圍的氣流溫度在垂直方向上的溫差不超過3℃，符合設(shè)計(jì)要求。

5　結(jié)語

從以上的模擬分析來看，側(cè)送低溫風(fēng)口的包邊是最容易結(jié)露的部位，很難通過外形改進(jìn)的措施（即優(yōu)化氣流組織的方式）來避免結(jié)露，但可以借鑒別的廠家防結(jié)露的經(jīng)驗(yàn)：貼附導(dǎo)熱性差的材料--塑料或者注絨。本文僅為側(cè)送低溫風(fēng)口防結(jié)露的設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)，具體的實(shí)施還需要通過試驗(yàn)來驗(yàn)證實(shí)際的應(yīng)用效果。當(dāng)然要設(shè)計(jì)出較合理的側(cè)送低溫風(fēng)口還要考慮房間的特征長度、射程、貼附長度及靜壓降等參數(shù)，這就需要試驗(yàn)來分析計(jì)算和不斷完善。

［1］周俊凱.冰蓄冷低溫送風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)低溫風(fēng)口的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)研究［D］.杭州：浙江大學(xué)，2004.

［2］王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析-CFD軟件原理與應(yīng)用［M］.1版.北京：清華大學(xué)出版社，2004.

［3］吳喜平，朱哲.低溫送風(fēng)空調(diào)室內(nèi)氣流和舒適度的研究［J］.華東電力，2000，18：16～18

Numerical Simulation Study on Preventing Moisture Condensation of the Cold Air Diffuser in the Side

ZHOU Lei1，LIU Hui2
（1.Zhejiang Province Institute of Architectural Design And Research，Hangzhou 310006，China；2.Zhejiang Southeast Architectural Design Co.，Ltd，Hangzhou 310012，China）

This paper analyses the important factors that cause dew by the CFD（FLUENT）which simulates the air distribution and temperature fields of the cold air diffuser in the side，and takes measures to prevent moisture condensation，and manufactures the cold air diffuser in the side according to quality requirements.The conclusion provides the theoretical foundation for the actual design of cold air diffuser in the side.

cold air diffuser in the side；air distribution；prevention of moisture condensation；numerical simulation

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.04.019

TU831

B

2095-3429（2015）04-0070-04

2015-05-25

修回日期：2015-07-10

周磊（1981-），男，山東泰安人，工學(xué)碩士，工程師，從事暖通設(shè)計(jì)工作。