高大建筑空調(diào)氣流組織方案研究

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(石家莊鐵道大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 河北 石家莊 050043)

0 引言

空調(diào)能耗日益受到業(yè)內(nèi)人士的關(guān)注，預(yù)計(jì)到2020年建筑能耗將占據(jù)全國能源消耗總量的35%左右，其中空調(diào)能耗在建筑能耗中所占比例為30%～50%[1]。對(duì)于諸如體育館，影劇院以及現(xiàn)代化工業(yè)廠房而言，由于需要空調(diào)的區(qū)域往往僅限于人員的活動(dòng)區(qū)而非整個(gè)空間，因此，如能通過合理的氣流組織方式使得人員活動(dòng)區(qū)達(dá)到所需的溫度，而其余空間與人員活動(dòng)區(qū)存在明顯的溫度差異，無疑會(huì)獲得極大的節(jié)能效果。以位于北京市的某精密加工車間為例，借助CFD軟件研究了高大建筑的分層空調(diào)方案，獲得了關(guān)鍵的空調(diào)氣流組織參數(shù)，為高大建筑空調(diào)的工程設(shè)計(jì)提供了有益的參考。

1 建筑概況及數(shù)值模擬方法簡介

圖1 建筑特征及風(fēng)口布置方案

選取的研究對(duì)象是位于北京地區(qū)的某精密加工廠房，如圖1所示。建筑的長、寬、高(圖1中的X、Z、Y)為30 m×20 m×18 m，建筑無外窗。采用中部送風(fēng)的方式沿高度方向分為空調(diào)區(qū)(下部人員活動(dòng)區(qū))和非空調(diào)區(qū)(上部設(shè)備區(qū))。在非空調(diào)區(qū)計(jì)算通風(fēng)負(fù)荷，在空調(diào)區(qū)計(jì)算空調(diào)冷負(fù)荷。空調(diào)區(qū)域的冷負(fù)荷由3部分組成，分別為空調(diào)區(qū)本身得熱形成的冷負(fù)荷；射流卷吸作用引起的對(duì)流冷負(fù)荷；以及由于外墻內(nèi)表面溫度沿高度方向的不同引起的非空調(diào)區(qū)對(duì)空調(diào)區(qū)的熱輻射引起的輻射冷負(fù)荷[2]。由于車間為精密流水線裝配車間，設(shè)備發(fā)熱量較少，同時(shí)人員也較少，因此本次計(jì)算的冷負(fù)荷主要是圍護(hù)結(jié)構(gòu)的冷負(fù)荷，計(jì)算中也僅考慮了圍護(hù)結(jié)構(gòu)的冷負(fù)荷。參考相關(guān)資料[3]，計(jì)算得出空調(diào)區(qū)的冷負(fù)荷為57 985 W。下部空調(diào)送、回風(fēng)口以及上部通風(fēng)送、回風(fēng)口的布置方案如圖1所示。通過相關(guān)計(jì)算最終確定的風(fēng)口位置、數(shù)量及相關(guān)風(fēng)速參數(shù)見表1。

數(shù)學(xué)模型采用標(biāo)準(zhǔn)的兩方程紊流模型及SIMPLE算法。邊界條件：送風(fēng)口采用速度進(jìn)口邊界條件，回風(fēng)口采用出流邊界條件，圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)壁采用溫度邊界條件。壁面溫度通過建筑的空調(diào)室內(nèi)外計(jì)算溫度結(jié)合保溫結(jié)構(gòu)并參照分層空調(diào)的熱負(fù)荷計(jì)算方法獲得。計(jì)算網(wǎng)格采用疏密網(wǎng)格的方式以便在保證計(jì)算精度的前提下減少計(jì)算節(jié)點(diǎn)數(shù)，數(shù)值模擬過程均已通過網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證。本文主要研究了夏季送風(fēng)速度和送風(fēng)角度對(duì)室內(nèi)溫度場和速度場的影響。

表1 氣流組織相關(guān)參數(shù)匯總表

2 送風(fēng)速度對(duì)室內(nèi)溫度場和速度場的影響

在冷負(fù)荷不變的前提下，送風(fēng)口速度和面積直接影響室內(nèi)的速度場。數(shù)值模擬過程選取了L1、L2、L3、L4、L5等5種工況，見表2。

圖2、圖3為工況L1在x=7.5 m處的風(fēng)口斷面速度矢量圖和溫度分布圖。從圖中可以看出，當(dāng)空調(diào)區(qū)送風(fēng)口的送風(fēng)速度為3.0 m/s時(shí)，由于送風(fēng)速度小，射流的射程短，所以空調(diào)送風(fēng)射流尚未搭接上便流向回風(fēng)口，未能實(shí)現(xiàn)將上部非空調(diào)區(qū)與下部空調(diào)區(qū)明顯隔斷的效果，空調(diào)區(qū)與非空調(diào)區(qū)溫度分層效果較差。

表2 數(shù)值模擬邊界條件匯總表

圖2 工況L1風(fēng)口斷面速度矢量圖( x=7.5 m)

圖3 工況L1風(fēng)口斷面溫度分布圖(x=7.5 m)

圖4、圖5為工況L5在x=7.5 m處的風(fēng)口斷面速度矢量圖和溫度分布圖。由圖4可以看出，當(dāng)送風(fēng)速度為5.0 m/s時(shí)，因?yàn)樗惋L(fēng)速度過大，所以氣流在射流末端仍有很大速度，對(duì)沖射流在射流末端碰撞后，一部分轉(zhuǎn)移到非空調(diào)區(qū)域，另一部分流向下部空調(diào)區(qū)域。由圖5可以看出，空調(diào)區(qū)與非空調(diào)區(qū)的溫度過渡區(qū)明顯增厚。由于射流末端碰撞激烈，所以進(jìn)入非空調(diào)區(qū)域的冷量較多，不僅導(dǎo)致輸送能耗較大，同時(shí)溫度分布也開始變差。因此，應(yīng)該避免過高的射流速度。

圖4 工況L5風(fēng)口斷面速度矢量圖(x=7.5 m)

圖5 工況L5風(fēng)口斷面溫度分布圖(x=7.5 m)

圖6、圖7為工況L3(L2、L4與L3相似，由于篇幅所限不再贅述) 在x=7.5 m處風(fēng)口斷面的速度矢量圖和溫度分布圖。從圖6可以看出，在這個(gè)工況下空調(diào)送風(fēng)和通風(fēng)送風(fēng)均能按照希望的流動(dòng)方式進(jìn)行，機(jī)械通風(fēng)在中上部形成兩個(gè)明顯的漩渦，空調(diào)送回風(fēng)在中下部也形成兩個(gè)明顯的漩渦?？照{(diào)送風(fēng)和通風(fēng)送風(fēng)兩股氣流不存在明顯交叉的情況，表明上部的熱空氣未被空調(diào)射流卷入空調(diào)區(qū)。從圖7可以看出，沿高度方向存在明顯的溫度分層，即通風(fēng)送風(fēng)口以上溫度明顯高于空調(diào)送風(fēng)口下部的溫度，實(shí)現(xiàn)了建筑物內(nèi)沿高度方向的溫度分層。一方面工作區(qū)達(dá)到了所需的溫度，而非工作區(qū)幾乎沒有消耗空調(diào)的冷量。在空調(diào)區(qū)和非空調(diào)區(qū)存在一個(gè)穩(wěn)定的過渡區(qū)。

圖6 工況L3風(fēng)口斷面速度矢量圖(x=7.5 m)

圖7 工況L3風(fēng)口斷面溫度分布圖(x=7.5 m)

圖8 L1～L5工況建筑空間內(nèi)自下而上的平均溫度分布

圖8是根據(jù)上述5種工況的模擬計(jì)算結(jié)果整理的，建筑空間內(nèi)自下而上的平均溫度分布圖。從圖中可以看出，當(dāng)空調(diào)區(qū)送風(fēng)口的送風(fēng)速度為3.0 m/s時(shí)(工況L1)，建筑空間自下而上的平均溫度差最小，頂部區(qū)域約30 ℃，工作區(qū)約27 ℃，工作區(qū)與非工作區(qū)溫差約3 ℃。顯然不能很好地實(shí)現(xiàn)溫度分層，節(jié)能效果差。當(dāng)空調(diào)區(qū)送風(fēng)口的送風(fēng)速度為5.0 m/s時(shí)(工況L5)，上下溫度分層效果尚可，溫差約7.5 ℃，但溫度過渡區(qū)明顯變厚，大約在高度方向5～11 m的范圍內(nèi)，過渡層約7 m。較厚的過渡層同樣導(dǎo)致節(jié)能效果差。當(dāng)空調(diào)送風(fēng)速度在3.5～4.5 m/s的范圍內(nèi)，溫度過度層厚度約為3 m ，上下層溫差約8.5 ℃，建筑室內(nèi)溫度分層效果好，從而節(jié)能效果明顯。

綜上所述，針對(duì)所給建筑，空調(diào)送風(fēng)在3.5～4.5 m/s的范圍內(nèi)，氣流組織的效果較好，能夠?qū)崿F(xiàn)高大空間的溫度分層效果；當(dāng)送風(fēng)速度小于3 m/s時(shí)，分層效果差；而當(dāng)送風(fēng)速度大于5 m/s時(shí)，對(duì)射氣流末端速度過高，不僅輸送能耗高，而且還形成了較厚的過渡層，不利于上下區(qū)的溫度分層。

3 送風(fēng)角度對(duì)室內(nèi)溫度場和速度場的影響

從圖6、圖7可看出，在空調(diào)送風(fēng)口之上仍存在一定范圍的低溫區(qū)，不利于空調(diào)節(jié)能。為此，在工況L3的基礎(chǔ)上進(jìn)一步模擬了夏季空調(diào)送風(fēng)角度對(duì)溫度場的影響。

在夏季分層空調(diào)設(shè)計(jì)方案(L3)的基礎(chǔ)之上，通過調(diào)整送風(fēng)角度來獲得新工況下的溫度場和速度場。工況條件見表3。

表3 空調(diào)送風(fēng)角度對(duì)室內(nèi)溫度場速度場的影響

工況L6在x=7.5 m風(fēng)口斷面處的速度矢量和溫度分布見圖9、圖10。建筑空間內(nèi)自下而上的平均溫度分布見圖11。

圖9 工況L6風(fēng)口斷面x=7.5 m處的速度矢量圖

圖10 工況L6風(fēng)口斷面x=7.5 m處的溫度分布

圖11 L3、L6、L7工況建筑空間自下而上的平均溫度分布圖

比較圖7和圖10可以看出，當(dāng)送風(fēng)角度為15°時(shí)，建筑室內(nèi)溫度分布有所改善，主要表現(xiàn)為上部非空調(diào)區(qū)的高溫范圍略有增大。從圖11可以看出，當(dāng)送風(fēng)角度自0°～30°范圍內(nèi)變化時(shí)，建筑空間內(nèi)自下而上的平均溫度分布略有變化。但通過分析這一變化范圍內(nèi)工作區(qū)的平均風(fēng)速發(fā)現(xiàn)，工作區(qū)的平均風(fēng)速則由0.20 m/s增大到0.45 m/s，這將導(dǎo)致工作區(qū)有明顯的吹風(fēng)感，不滿足舒適感的要求。可見，對(duì)于夏季空調(diào)而言，可不考慮空調(diào)送風(fēng)口向下傾斜。

4 結(jié)論

(1)對(duì)于高大建筑空調(diào)實(shí)施分層空調(diào)的氣流組織方式，可以實(shí)現(xiàn)明顯的上下溫度分層，從而達(dá)到空調(diào)節(jié)能的目的。

(2)采用CFD軟件可以優(yōu)化室內(nèi)氣流組織的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，可通過數(shù)值模擬結(jié)果中室內(nèi)溫度場和速度場的可視化工具，為高大建筑空調(diào)的氣流組織方案提供有益參考。但由于建筑形式和空間大小各不相同，因此除了按相關(guān)規(guī)范設(shè)計(jì)外，條件允許時(shí)可借助CFD軟件進(jìn)行方案的優(yōu)化，從而避免工程設(shè)計(jì)的盲目性和不確定性，達(dá)到設(shè)計(jì)節(jié)能的效果。

(3)對(duì)于高大建筑空調(diào)而言，夏季工況下空調(diào)送風(fēng)口的向下傾斜角對(duì)室內(nèi)溫度場影響不大。相反，如果傾斜角過大還會(huì)造成工作區(qū)過大的風(fēng)速，因此可采用簡單的水平送風(fēng)方式。

參 考 文 獻(xiàn)

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