高大空間輻射板導(dǎo)流送風(fēng)的氣流組織特性研究

王蒙 顧煒莉 易小芳 彭小勇

南華大學(xué)土木工程學(xué)院

0 引言

大型建筑空調(diào)能耗占建筑總能耗的 40%～60%，因此空調(diào)節(jié)能顯得尤為重要。與全空調(diào)系統(tǒng)相比，分層空調(diào)因具有節(jié)約能源的優(yōu)勢而成為目前高大空間最常用的氣流組織形式[1-3]?；疖囌竞蜍噺d是典型的高大空間建筑也主要采用分層空調(diào)系統(tǒng)，其中側(cè)墻腰部送風(fēng)是最常使用的送風(fēng)形式，風(fēng)口類型大都是圓形噴口。當(dāng)冷空氣從噴口自由射出,其射流衰減和降落速度較快導(dǎo)致射程較小，當(dāng)空間跨度較大時，如果要使射流達(dá)到規(guī)定的射程，送風(fēng)速度通常較大，射流卷吸周圍空氣的能力增強(qiáng)，這對空調(diào)區(qū)的舒適性以及節(jié)約空調(diào)能耗是不利的。為了提高下部空調(diào)區(qū)的舒適性，噴口的安裝高度，送風(fēng)速度，送風(fēng)角度以及一些組合送風(fēng)方式被大量探究[4-7]，但這些研究通常會以增加能耗來提高舒適性，顯然這些并不是最好的方式。如何同時實現(xiàn)候車廳內(nèi)環(huán)境舒適和降低空調(diào)能耗仍然是研究的熱點問題。

本文提出了一種利用輻射板誘導(dǎo)氣流的新方法，即將扁形送風(fēng)口與輻射板組合在一起構(gòu)成組合式風(fēng)口，根據(jù)貼附射流原理[8]，輻射板為射流空氣營造了局部貼附條件。一方面，輻射板誘導(dǎo)氣流降低速度衰減系數(shù)和冷（熱）空氣的下降（上升）速度，在保證射程的前提下能有效的降低送風(fēng)速度。另一方面，冷卻（熱）氣流與輻射板對流換熱，使輻射板形成冷（熱）面，輻射板主要與空調(diào)區(qū)其他表面輻射換熱。本文選取某火車站候車廳作為應(yīng)用對象，探究該送風(fēng)方式是否具有提高空調(diào)舒適性與節(jié)能的潛力。

1 模型建立

1.1 物理模型建立

本文以某火車站候車廳為原型，建立穩(wěn)態(tài)傳熱幾何模型。候車廳空調(diào)區(qū)采用條型風(fēng)口并組合安裝與之同等寬上部設(shè)置保溫材料的金屬輻射板。如圖 1 為該候車廳的簡化物理模型，采用中送下回，上部排風(fēng)20%的氣流組織形式。該模型的長×寬 ×高 =30 m×20 m×10 m（取候車廳的一半），內(nèi)部有 4 排背靠背座椅將其簡化為8 個長×寬 ×高=15.4 m×0 .4 m×1 .2 m 的熱源；距地面 4.5 m 處分別設(shè)置 6 個長×寬 =1.5 m×0 .1 m 的進(jìn)風(fēng)口；輻射板長度為3 m、傾斜角度 10°；下部距地面0.5 m 處設(shè)置6 個長×寬 =0.8 m×0 .5 m 的回風(fēng)口，頂部設(shè)置6 個長×寬 =0.6 m×0 .5 m 的排風(fēng)口，為簡化模型將燈具與設(shè)備省略。

圖1 高大空間輻射板導(dǎo)流送風(fēng)物理模型

1.2 控制方程和數(shù)值計算方法

高大空間內(nèi)部空氣流動通常自然對流和強(qiáng)迫對流同時存在，需要合適的湍流模型才能確保模擬的正確性，由于本次模擬的模型并不復(fù)雜，選擇 reliablek-ε兩方程模型足以滿足計算要求，其通用控制方程具體如下：

式中：φ為通用因變量，ε為擴(kuò)撒系數(shù)，S為源項。

另外具體的數(shù)學(xué)模型選取和數(shù)值計算方法有：1）空間內(nèi)的空氣為不可壓縮定常流動，考慮浮升力的影響令空氣參數(shù)滿足Boussinesq 假設(shè)。2）以對流換熱為主，金屬輻射板輻射換熱為輔，選用 DO 輻射模型來計算各壁面間的輻射換熱。3）采用壓力基求解器、simple算法進(jìn)行解析計算，能量殘差精度達(dá)到 10-6，其他達(dá)到10-3可認(rèn)為計算收斂。

1.3 邊界條件設(shè)定

參閱《鐵路旅客車站建筑設(shè)計規(guī)范》和 《空氣調(diào)節(jié)設(shè)計手冊》可知：客運專線候車廳的最大人員密度為0.67 人/m2，每人最小新風(fēng)量為 10 m3/ (人·h)。候車廳的設(shè)計溫度為 27 ℃，此時人員的顯熱散熱量按58 W/m2，潛熱散熱量按 50 W/m2計算，而照明負(fù)荷按19 W/m2計算，設(shè)備負(fù)荷按8 W/m2計算。其中中間座椅為每隔 0.6 m 做一個，僅計算座椅上總共可有 202人，將顯熱負(fù)荷按面積平均分配到座椅上，采用第二類邊界條件，熱流密度值為 31 W/m2。針對本文研究對象，圍護(hù)結(jié)構(gòu)主要包括側(cè)墻、屋頂、地面，其中側(cè)墻傳熱計算中包含了外窗的傳熱量，采用第二類邊界條件，熱流密度值設(shè)為 44W/m2，屋頂傳熱熱量按第二類邊界條件并附加照明符合，熱流密度值為 35 W/m2，地面本身可以設(shè)置為絕熱，但本文將設(shè)備負(fù)荷，部分人員負(fù)荷及太陽輻射熱量平均分配到地面上，熱流密度值為26 W/m2。

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1 氣流組織分析

經(jīng) FLUENT 模擬得到候車廳內(nèi)的速度場、溫度場，選取一些典型切面，對其速度、溫度分布進(jìn)行分析?？紤]到各送風(fēng)口的送風(fēng)參數(shù)都相同，故選取Y=-1.1 m送風(fēng)口縱斷面研究送風(fēng)射流軌跡的變化情況，由于距地面1.1 m 左右是坐姿狀態(tài)下人體頭部高度，故選取高度為1.1 m 的水平切面來探究送風(fēng)射流對工作區(qū)的影響。

如圖2 為Y=-1.1 m 送風(fēng)口切面的速度矢量圖，從圖2 中可知：在貼附效應(yīng)作用下，冷空氣先沿輻射板流動，送風(fēng)射流流過輻射板后繼續(xù)向前流動并逐漸向下彎曲，在空間中部兩股射流搭接，一部分向上流動道道一定距離后又被卷吸到送風(fēng)射流中形成渦旋，一部分射流流入下部空調(diào)區(qū)并向側(cè)墻擴(kuò)散，一些空氣從回風(fēng)口排出，一些空氣繼續(xù)沿側(cè)壁向上運動后又被卷吸到送風(fēng)射流中，在空調(diào)區(qū)域形成渦旋。

圖2 Y=-1.1 m 風(fēng)口切面的速度矢量圖

如圖3 為Z=1.1 m 切面的速度矢量圖，從圖3 中可知：中部區(qū)域的速度值較小，靠近座椅邊緣處速度增大，最大值為 0.6 m/s，再向側(cè)墻流動速度又逐漸減少。產(chǎn)生這種速度分布的原因是空調(diào)區(qū)處于回流區(qū)，氣流從中部側(cè)墻流動時收到回風(fēng)口的吸引和上部渦旋的卷吸作用速度值增大，其中座椅附近上部為渦旋中卷吸作用最強(qiáng)，速度達(dá)最大，再想側(cè)墻流動時渦旋起到約束氣流向前運動，速度值又逐漸減小，該切面的平均速度為0.26 m/s。

圖3 Z=1.1 m 切面的速度矢量圖

如圖4 所示為Y=-1.1 m 風(fēng)口切面的溫度分布圖，從圖4 中可知，垂直方向溫度分層明顯，在金屬輻射板上部溫度逐漸升高，溫度梯度較大。在金屬輻射板的下方溫度較低也沒有明顯的溫度分層現(xiàn)象，空調(diào)區(qū)平均溫度為26.6 ℃，略低于室內(nèi)設(shè)計溫度。

圖4 Y=-1.1 m 風(fēng)口切面的溫度分布云圖

如圖 5 為Z=1.1 m 切面的溫度分布云圖，從圖 5中可知：中部區(qū)域的溫度比較低而越靠近側(cè)墻溫度的逐漸升高，這是因為空調(diào)區(qū)主要處于氣流的回流區(qū)域，氣流從中間向側(cè)墻流動的過程中不斷的吸收熱量，空氣溫度逐漸升高。

圖5 Z=1.1 m 切面的溫度分布云圖

2.2 輻射板結(jié)露與供冷能力分析

以輻射板表面溫度與其附近空氣的相濕度達(dá)到100%時的溫度對比作為判斷輻射板表面是否會發(fā)生結(jié)露的依據(jù)，理論上若輻射板表面溫度大于附近空氣露點溫度不會結(jié)露，否則輻射板將會結(jié)露。選取中間位置的一塊輻射板為研究對象（圖 6），其表面的平均溫度 24.9 ℃、最小溫度 23.8 ℃、最大溫度 26.1 ℃，附近流體的溫度 18 ℃，空調(diào)區(qū)的平均溫度 26.8 ℃其對應(yīng)的露點溫度18.6 ℃，因為最小溫度 ＞附近流體溫度＞室內(nèi)露點溫度，故輻射板不會結(jié)露。

圖6 中間一輻射板表面溫度分布圖

輻射板的平均輻射供冷能力約為62.3 W/m2，其中輻射板的輻射換熱量占總輻射換熱量的27.3%，輻射板的輻射換熱在總換熱量中所占比例較小。在實際應(yīng)用中可從增加輻射板面積，送風(fēng)溫差等增進(jìn)輻射換熱，若不考慮輻射換熱的作用可將輻射板以廣告牌，宣傳牌的形式呈現(xiàn)。

3 側(cè)墻圓噴口送風(fēng)模擬分析

3.1 模型建立與邊界條件設(shè)置

目前，火車站候車廳大多采用圓形噴口送風(fēng)，根據(jù)圓噴口多股平行非等溫射流理論[9]計算得單個風(fēng)口的直徑d=0.26 m、風(fēng)口速度為 6.8 m/s、安裝高度 5 m，共有20 個，其總送風(fēng)量與上一節(jié)相同，物理模型如圖 7，邊界條件除送風(fēng)速度不一樣外其他條件與上一節(jié)的相同。

圖7 高大空間圓形噴口送風(fēng)物理模型

3.2 側(cè)墻圓噴口送風(fēng)的氣流組織分析

典型截面的選取與上節(jié)相似，圖 8 為Y=-1.05 m噴口切面的速度矢量圖，從圖 8 中可知：送風(fēng)射流一邊向前流動一邊逐漸偏離水平方向向下降落，兩股氣流在中間相撞后部分氣流向上流動，這些氣流受射流的卷吸和自身重力作用下，上升到一定高度后又被卷吸到送風(fēng)射流中形成兩個明顯的渦旋。部分氣流向下部空調(diào)區(qū)流動，受送風(fēng)射流卷吸和回風(fēng)口的吸引向側(cè)墻流動，其中一些氣流從回風(fēng)口排出，一些氣流繼續(xù)沿側(cè)墻向上流動最后卷入送風(fēng)射流中并在空調(diào)區(qū)形成兩個渦旋。從射流流動軌跡可知下部空調(diào)區(qū)處于送風(fēng)射流的回流區(qū)域。如圖 9 為Z=1.1m 切面的速度矢量圖，該切面的平均速度為 0.37 m/s 大于 0.3 m/s，靠近座椅邊緣處速度增大，最大值為 0.55 m/s，其他區(qū)域的風(fēng)速在 0.1～0.35 m/s 范圍內(nèi)，再向側(cè)墻流動速度又逐漸減少。產(chǎn)生這種速度分布的原因是空調(diào)區(qū)處于回流區(qū)，氣流從中部向側(cè)墻流動時受到回風(fēng)口的吸引和上部渦旋的卷吸作用速度值增大，其中座椅附近上部為渦旋中心卷吸作用最強(qiáng)，速度達(dá)最大，再向側(cè)墻流動時渦旋起到約束氣流向前運動，速度值又逐漸減小。

圖8 Y=-1.05 m 風(fēng)口切面的速度矢量圖

圖9 Z=1.1 m 切面的速度矢量圖

圖10 為Y=-1.05 m 切面的溫度分布云圖，從整體上看，垂直方向存在明顯的溫度分層現(xiàn)象，送風(fēng)口高度往上溫度逐漸升高，溫度梯度較大。送風(fēng)口高度以下溫度較低且分層不明顯，其中 2.1 m 以下空調(diào)區(qū)的平均溫度為27.8 ℃，高于室內(nèi)設(shè)計溫度。圖 11 為 Z=1.1 m 切面的溫度分布云圖，從圖11 中可知：中部區(qū)域的溫度比較低而越靠近側(cè)墻溫度的逐漸升高，這是因為氣流從中間向側(cè)墻流動的過程中不斷的吸收熱量，空氣溫度逐漸升高，而中心處局部溫度較高是因為該處氣流不暢人員的散熱量無法被直接排除。

圖10 Y=-1.05 m 風(fēng)口切面的溫度分布云圖

圖11 Z=1.1 m 切面的溫度分布云圖

3.3 模擬結(jié)果的可靠性分析

文獻(xiàn)[10]對火車站候車廳分層空調(diào)并進(jìn)行了結(jié)果可靠性驗證，本次模擬使用相同的方式將軸心射流軌跡變化，軸心速度變化，軸心溫度變化規(guī)律與經(jīng)驗公式進(jìn)行對比，結(jié)果與文獻(xiàn)結(jié)果相似，計模擬得到的射流落差，沿程的速度衰減、溫度衰減都快于理論計算值，即數(shù)值模擬得到的射流軸心的速度略低，溫度略高，這種誤差一方面是由于空間較大，提高計算速度通常只對風(fēng)口，座椅等處的網(wǎng)格加密處理，而其他區(qū)域的網(wǎng)格尺寸較大從而影響計算的精度，一方面是取值時存在一點誤差。

4 對比分析

為了探究輻射板導(dǎo)流送風(fēng)相對于圓形噴口送風(fēng)在氣流組織與節(jié)能的方面優(yōu)勢，在送風(fēng)量，送風(fēng)溫度相同的情況下，對全空間垂直方向的平均速度和溫度分布進(jìn)行對比分析。如圖12 為全空間垂直方向速度分布折線圖，從圖 12 中可知，兩種送風(fēng)方式垂直方向的速度分布趨勢大致相似，但圓形噴口送風(fēng)垂直方向的速度值大都高于輻射板導(dǎo)流送風(fēng)，空調(diào)區(qū)與非空調(diào)區(qū)的速度差值較小，表明送風(fēng)氣流對非空調(diào)區(qū)的擾動較大，輻射板導(dǎo)流送風(fēng)時空調(diào)區(qū)與非空調(diào)區(qū)的速度差值較大，表明送風(fēng)氣流對非空調(diào)區(qū)的擾動較小，擾動越大使大量冷量消耗在上部非空調(diào)區(qū)造成冷量浪費，顯然，從對非空調(diào)區(qū)擾動程度來看，輻射板導(dǎo)流送風(fēng)的氣流組織形式優(yōu)于圓形噴口送風(fēng)。圖 13 為全空間垂直方向溫度分布折線圖，從圖13 中可知兩種送風(fēng)方式垂直方向的溫度分布趨勢大致相似，但圓形噴口送風(fēng)空調(diào)區(qū)的溫度高于輻射板導(dǎo)流送風(fēng)，而非空調(diào)區(qū)的溫度較低，這是因為圓形噴口送風(fēng)時對非空調(diào)的擾動較大使浪費在空調(diào)區(qū)的冷量增加，而空調(diào)區(qū)能利用的冷量減少導(dǎo)致溫度較高，從空調(diào)區(qū)達(dá)到的溫度狀態(tài)來看，輻射板導(dǎo)流送風(fēng)浪費在非空調(diào)區(qū)的冷量較少而更具優(yōu)勢。

圖12 全空間垂直速度分布折線圖

圖13 全空間垂直溫度分布折線圖

表1 為兩種方案的氣流組織效果的對比，表中KT、KV、Δ ET、ADPI、分別為溫度不均勻系數(shù)，速度不均勻系數(shù)，有效吹風(fēng)溫度、空氣分布特性指標(biāo)，能量利用系數(shù)。從技術(shù)性指標(biāo)來就看，兩種送風(fēng)方式的速度不均勻系數(shù)，溫度不均勻系數(shù)相近，表示速度分布與溫度分布的均勻程度相近，但結(jié)合風(fēng)速與溫度兩個因素考慮輻射板導(dǎo)流送風(fēng)的的舒適性較好，另外輻射板導(dǎo)流送風(fēng)的能量利用系數(shù)較大，說明冷量利用率較大更具有節(jié)能的優(yōu)勢。

表1 2.1 m 以下空調(diào)區(qū)的氣流組織效果相關(guān)參數(shù)對比表

5 結(jié)論

1）在規(guī)定射程的條件下，輻射板導(dǎo)流送風(fēng)僅用4 m/s 的速度達(dá)到規(guī)定射程而圓噴嘴送風(fēng)需要6.8 m/s，送風(fēng)速度減小使氣流對非空調(diào)區(qū)的擾動較小，垂直方向速度，溫度分層效果更好。

2）當(dāng)送風(fēng)量、送風(fēng)溫度相同時，相對于圓形噴口送風(fēng)，輻射板導(dǎo)流送風(fēng)的空調(diào)區(qū)的速度、溫度值均達(dá)到設(shè)計要求，兩種送風(fēng)方式下空調(diào)區(qū)速度、溫度不均勻系數(shù)相似，綜合速度、溫度兩個因素考慮，輻射板導(dǎo)流送風(fēng)的ADPI 值較高，舒適性更好。

3）輻射板導(dǎo)流送風(fēng)氣流組織效果較好其能在降低送風(fēng)速度的同時達(dá)到規(guī)定射程。由于送風(fēng)速度減少氣流對上部空調(diào)區(qū)的擾動卷吸作用較小，冷量浪費少，能量利用系數(shù)較大，具有一定的節(jié)能優(yōu)勢。不足的是輻射板的輻射換熱量在總換熱量的比例較小，還需進(jìn)一步研究以增強(qiáng)其輻射供冷能力。若不考慮輻射板的輻射作用，可將輻射換為廣告牌，宣傳牌的形式呈現(xiàn)以增加收入從而彌補(bǔ)初投資過高的問題。