基于CFD技術(shù)的暖通空調(diào)制冷工程探析

郎俊

摘? ? 要：基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)是維持我國當(dāng)前社會正常運(yùn)轉(zhuǎn)的主要方式之一，因此基礎(chǔ)設(shè)施的施工工藝和相關(guān)技術(shù)也必須進(jìn)行不斷的創(chuàng)新和優(yōu)化，本文結(jié)合了CFD技術(shù)展開論述，分析該項(xiàng)技術(shù)在暖通空調(diào)制冷工程中的應(yīng)用。本文首先簡述了該技術(shù)的概念及原理，其次分析了CFD技術(shù)在暖通空調(diào)制冷工程中的實(shí)際應(yīng)用，意在通過本文的論述，進(jìn)一步推動暖通空調(diào)制冷技術(shù)的優(yōu)化創(chuàng)新，使我國的基礎(chǔ)設(shè)施性能更為完善。

關(guān)鍵詞：CFD技術(shù);暖通空調(diào);制冷工程

1? 引言

暖通空調(diào)制冷技術(shù)主要是針對當(dāng)前的居住環(huán)境進(jìn)行溫度調(diào)控，為人們營造更加舒適的居住體驗(yàn)，因此暖通空調(diào)工程可以與建筑系統(tǒng)融為一體，共同發(fā)揮各自的優(yōu)勢。伴隨著人們對于居住條件需求的不斷升高，暖通空調(diào)制冷工程具備著極為廣闊的發(fā)展前景，因此在制冷技術(shù)方面也需要不斷創(chuàng)新。CFD技術(shù)能夠憑借自身的特點(diǎn)，有效解決制冷工程研發(fā)過程中出現(xiàn)的相應(yīng)問題，因此二者在技術(shù)方面有著較強(qiáng)的交互性。

2? CFD技術(shù)概述及原理

CFD技術(shù)又稱為流體動力學(xué)，與力學(xué)有著緊密的聯(lián)系，并且借助了當(dāng)前的高科技技術(shù)、數(shù)學(xué)原理以及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，構(gòu)建起數(shù)學(xué)模型，可以將流體運(yùn)轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行代入，從而計(jì)算出需要解決的問題，提供合理的解決措施?？偟膩碚f，CFD技術(shù)是建立在以計(jì)算機(jī)為核心的基礎(chǔ)上，針對流體流動過程中所產(chǎn)生的守恒控制情況等進(jìn)行演算分析。

就暖通空調(diào)制冷工程領(lǐng)域來看，其中的液體流動流速通常在每秒幾米以下，這種流動狀態(tài)被稱為低速流動，同時(shí)系統(tǒng)內(nèi)的流體溫度以及密度的變化浮動不大，因此又被稱作為不可壓縮流動。另外，空調(diào)系統(tǒng)大多數(shù)以對流換熱的形式，對室內(nèi)的溫濕度進(jìn)行控制，而室內(nèi)的空氣流速更小，這與CFD技術(shù)掌控的領(lǐng)域有著極大的交互性，因此可以利用CFD技術(shù)調(diào)整暖通空調(diào)制冷工程中出現(xiàn)的一系列問題。能夠結(jié)合暖通空調(diào)制冷工程中的不同需求建立數(shù)學(xué)應(yīng)用模型，通過數(shù)值算法進(jìn)行求解，并且將結(jié)果可視化呈現(xiàn)。

3? CFD技術(shù)在暖通空調(diào)制冷工作中的應(yīng)用

3.1? 構(gòu)建流體分析模型

利用CFD技術(shù)在暖通空調(diào)制冷工作中進(jìn)行優(yōu)化，首先要建立起空調(diào)系統(tǒng)的流體模型，主要利用了物理模型以及數(shù)學(xué)模型相結(jié)合的方式共同構(gòu)建起工程模型，其中涉及到了流體的特征、設(shè)備參數(shù)以及運(yùn)行狀態(tài)等;另外我國使用的大部分暖通空調(diào)的制冷系統(tǒng)均屬于湍流流動狀態(tài)，因此還需要結(jié)合流動狀態(tài)建立起湍流模型，來模擬空調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的運(yùn)行狀態(tài)。這個(gè)過程需要工作人員能夠提取空調(diào)的制冷參數(shù)，將其納入到模型中去，才可以使模型的構(gòu)建更加的標(biāo)準(zhǔn)、科學(xué)，為后續(xù)的數(shù)值計(jì)算以及公式代入提供良好的基礎(chǔ)。

3.2? 進(jìn)行數(shù)據(jù)收斂計(jì)算

暖通空調(diào)制冷系統(tǒng)在實(shí)際的運(yùn)行過程中可能會受到諸多因素的影響，例如室內(nèi)的整體溫度變化情況、人為操作因素等，這些條件的變化都會改變這種工作的狀態(tài)，因此在建立起相關(guān)的流體模型之后，可以利用收斂技術(shù)，對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行代入計(jì)算，收斂技術(shù)的使用是統(tǒng)籌了制冷過程中的諸多因素，考慮到所有的可能性并且將其影響程度減少到最小，主要可以分為多重網(wǎng)格計(jì)算方式以及殘差計(jì)算法。前者在實(shí)際應(yīng)用的過程中能夠顯著提升計(jì)算效率，并且可以深入分析流體在運(yùn)行過程中的運(yùn)動狀態(tài)，在CFD技術(shù)應(yīng)用的過程中較為廣泛;另外還可以利用平行計(jì)算的方式簡化計(jì)算流程，同樣具備較高的計(jì)算效率，并且能夠針對暖通空調(diào)制冷過程中產(chǎn)生的能源消耗進(jìn)行分析，從而達(dá)到節(jié)能優(yōu)化。

3.3? 系統(tǒng)氣體流通優(yōu)化

暖通空調(diào)供冷供熱過程中，如果管道中的預(yù)處理氣體流通不暢，極有可能產(chǎn)生制冷/制熱效率低、空氣質(zhì)量差等問題，也有可能出現(xiàn)室內(nèi)外溫差較大的情況，將會嚴(yán)重影響人體舒適性，因此提升暖通空調(diào)制冷系統(tǒng)運(yùn)行過程中的氣體流通狀態(tài)，也是工程施工過程中的難題之一。CFD技術(shù)可以有效檢測氣體的流通狀態(tài)，并根據(jù)室內(nèi)的環(huán)境以及室外的氣流分布，合理的預(yù)測制冷/制熱氣流的分布情況。同時(shí)該項(xiàng)技術(shù)也可以結(jié)合室內(nèi)的相關(guān)環(huán)境進(jìn)行綜合分析，例如溫度、輻射制冷狀態(tài)、濕度等，將所有干擾因素所形成的結(jié)果進(jìn)行整合，提供制冷運(yùn)行優(yōu)化方案，這不僅能夠有效解決空調(diào)制冷過程中的空氣流通問題，也可以進(jìn)一步提升制冷的效率，保證室內(nèi)的溫度符合正常的舒適性標(biāo)準(zhǔn)。

過往項(xiàng)目中，對于高大空間如何合理設(shè)計(jì)室內(nèi)末端空調(diào)設(shè)備以及風(fēng)口布置，主要根據(jù)設(shè)計(jì)師的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)而得。尤其冬季供熱情況下，外界條件影響因素非常大。比如商場中庭，辦公大堂，酒店宴會廳等高大空調(diào)，不僅受到熱空氣始終浮于上方，同時(shí)還要受到由于井道，電梯等“煙囪效應(yīng)”，以及出入口冷風(fēng)滲透影響室，對于諸多影響因素，無法量化。引入CFD模型后，在建立3D空間模型的同時(shí)還可以加入其他影響因素進(jìn)行綜合分析。通過對室外空氣的溫濕度，滲入位置，以及空氣流速的輸入可以通過數(shù)學(xué)模型將室內(nèi)空間分別從X，Y，Z方向切成無數(shù)個(gè)平面和立面，進(jìn)行有效分析。一般人體感官高度大約在1.5m水平面，對于溫濕度的研究范圍也主要集中于人體可以感受到的高度，通過CFD技術(shù)的介入，可以更有效的將空調(diào)設(shè)計(jì)進(jìn)行量化，通過模擬后的數(shù)據(jù)選用合適的設(shè)備以及送風(fēng)參數(shù)控制室內(nèi)溫濕度，同時(shí)也可以避免“送風(fēng)死角”造成局部空間滿足不了設(shè)計(jì)要求。

隨著時(shí)代的發(fā)展，建筑方面的美學(xué)要求越來越高，室外空調(diào)設(shè)備的安裝在很大程度上無法融入建筑師的要求，尤其是空調(diào)系統(tǒng)中的冷卻塔布置。冷卻塔的正常工作，需要足夠的進(jìn)行風(fēng)條件，合理環(huán)境溫濕度，這些都要有合理的安裝空間支持。如何提供相應(yīng)的條件，在以往的設(shè)計(jì)過程中更多的依靠設(shè)備供應(yīng)商技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)，無法提供量化的數(shù)據(jù)。在CFD技術(shù)誕生并引入空調(diào)設(shè)計(jì)后，這個(gè)問題得到了有效地解決。室外的溫度，濕度以及風(fēng)速是一組量化數(shù)據(jù)，風(fēng)機(jī)的風(fēng)量、設(shè)備進(jìn)出口風(fēng)速以及填料的換熱面積也都是量化數(shù)據(jù)，當(dāng)詳細(xì)的數(shù)據(jù)通過計(jì)算模型后，能夠模擬環(huán)境條件并推導(dǎo)出詳細(xì)尺寸。因此，很大程度上解決了上述問題的矛盾。

2012年南京某五星級酒店設(shè)計(jì)項(xiàng)目，酒店宴會廳前廳面積約300m2狹長型，頂部由內(nèi)向外超過45o角度向上傾斜延申至外玻璃幕墻，最低點(diǎn)7m，最高點(diǎn)超過15m且高點(diǎn)側(cè)緊貼幕墻。由于幕墻面積非常大，因此夏季顯熱負(fù)荷非常大，冬季傳熱損失也非常大。室內(nèi)精裝設(shè)計(jì)師為體現(xiàn)室內(nèi)裝飾效果，在前廳中間區(qū)域高空垂吊了幾盞超大水晶燈，這給空調(diào)風(fēng)口的布置帶來了巨大挑戰(zhàn)。

首先，圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷較大，室內(nèi)空間也很大;其次，由于斜頂，風(fēng)口布置有效位置較少;最重要的是南京當(dāng)?shù)囟臼彝鉁囟鹊陀?℃，采暖要求非常高，高大空間容易集聚熱空氣于上空，對人的活動區(qū)域很難進(jìn)行覆蓋。針對上述各種問題，通過CFD技術(shù)建模，對不同風(fēng)口安裝位置做了嘗試，同時(shí)對合理的射流風(fēng)速及溫度展開模擬，限定吊燈區(qū)域的最高風(fēng)速（避免風(fēng)速過高，造成水晶吊頂吹動而引起的噪音）。經(jīng)過軟件模型的計(jì)算，按照設(shè)計(jì)條件對該區(qū)域的氣流以及溫度場分析，最終解決了設(shè)計(jì)問題。經(jīng)安裝調(diào)試后的測試，基本與CFD模擬的結(jié)論一致，很大程度上簡化了設(shè)計(jì)工作并且加強(qiáng)了設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。

3.4? 完善空調(diào)制冷設(shè)備

空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行過程中，制冷的效率和質(zhì)量也會受到系統(tǒng)硬件設(shè)備的影響，我們可以將制冷系統(tǒng)看作是整體暖通空調(diào)中的運(yùn)行主體，那么硬件空調(diào)設(shè)備則是支撐主體正常運(yùn)行的核心。如果硬件設(shè)備的運(yùn)行效率降低，或者出現(xiàn)性能方面的問題，便會直接影響空調(diào)系統(tǒng)的制冷質(zhì)量。從流體力學(xué)的角度來看，空調(diào)硬件設(shè)備的設(shè)計(jì)以及安裝必須要符合流體的運(yùn)行原理。例如風(fēng)機(jī)系統(tǒng)、空調(diào)硬件裝置等，因此，CFD技術(shù)可以應(yīng)用在解決空調(diào)系統(tǒng)硬件問題領(lǐng)域。首先系統(tǒng)可以通過已經(jīng)建成的運(yùn)行模型來合理判斷流體的運(yùn)行狀態(tài)是否發(fā)生了變化，同時(shí)也可以根據(jù)運(yùn)行狀態(tài)的改變來定位性能下降的系統(tǒng)設(shè)備，并且將相關(guān)性能的缺陷數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，制定出優(yōu)化措施。

例如，空調(diào)系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)設(shè)備可能在長時(shí)間的運(yùn)行過程中出現(xiàn)性能下降的情況，因此可以利用CAD軟件呈現(xiàn)出風(fēng)機(jī)設(shè)備運(yùn)行的平面圖，將平面圖中所呈現(xiàn)出的相關(guān)數(shù)據(jù)代入到CFD技術(shù)的數(shù)學(xué)模型中，利用流體的動態(tài)運(yùn)行以及網(wǎng)格功能，定位低性能運(yùn)轉(zhuǎn)的因素，同時(shí)也可以執(zhí)行不同模塊的分工計(jì)算，能夠有效縮短計(jì)算時(shí)間，并且提升計(jì)算的精準(zhǔn)度。在檢查出設(shè)備的性能缺陷之后，可以針對缺陷的等級進(jìn)行判斷并提出不同的解決方案。

4? 結(jié)束語

綜上所述，暖通空調(diào)制冷技術(shù)并不局限于物理學(xué)境遇，在制冷過程中所產(chǎn)生的氣體及液體流動均與液體動力學(xué)有關(guān)。目前行業(yè)內(nèi)，CFD技術(shù)對室內(nèi)外進(jìn)行溫度場，濕度場，風(fēng)速場研究應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛，無論在數(shù)據(jù)中心動環(huán)研究，冷卻塔的安裝空間研究，甚至于醫(yī)院項(xiàng)目中空氣齡的研究，都有了極大推進(jìn)作用，對設(shè)計(jì)師合理量化的規(guī)劃室內(nèi)氣流組織，給予了極大設(shè)計(jì)依據(jù)。在上述類型的項(xiàng)目中其實(shí)都有一個(gè)共同的特點(diǎn)，若空間環(huán)境無法達(dá)到設(shè)計(jì)要求，則可能造成系統(tǒng)無法正常運(yùn)行，室內(nèi)局部環(huán)境污染等重大影響。因此，充分發(fā)揮CFD技術(shù)的優(yōu)勢，結(jié)合初期的建模、中期的數(shù)據(jù)演算以及后期的結(jié)果顯示，來進(jìn)一步研究暖通空調(diào)制冷過程中的相關(guān)問題并且提出解決方案，同時(shí)，也能夠全面推進(jìn)暖通空調(diào)科學(xué)制冷工程的發(fā)展，不僅可以為人類營造良好的環(huán)境，也可以進(jìn)一步推動我國基礎(chǔ)設(shè)施科學(xué)創(chuàng)新優(yōu)化的前進(jìn)腳步。

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