大跨度空間非等間距噴口送風(fēng)空調(diào)設(shè)計(jì)方法*

舒海文 馬天馳 高 進(jìn)

(1.大連理工大學(xué),大連;2.大連理工大學(xué)土木建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司,大連)

0 引言

空調(diào)系統(tǒng)能耗占建筑總能耗的30%～50%[1],設(shè)計(jì)不當(dāng)容易造成較大的能源浪費(fèi)。大跨度公共建筑經(jīng)常采用噴口送風(fēng)空調(diào)設(shè)計(jì)方案,存在空調(diào)區(qū)局部冷熱不均、豎直溫差較大、吹風(fēng)感明顯等問(wèn)題[2]。工程中,傳統(tǒng)氣流組織設(shè)計(jì)方法是按照射流經(jīng)驗(yàn)公式[3]計(jì)算工作區(qū)流速,并驗(yàn)證其對(duì)人體是否適宜。此方法實(shí)際上是基于室內(nèi)負(fù)荷均勻分布的情形,并經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化[4],因而在室內(nèi)負(fù)荷分布明顯不均勻時(shí),會(huì)存在較大誤差甚至失效。

自1974年丹麥的Nielsen首次將計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)技術(shù)引入到暖通空調(diào)領(lǐng)域[5],CFD技術(shù)在預(yù)測(cè)室內(nèi)氣流組織狀況、改進(jìn)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面取得了許多優(yōu)秀的研究成果[6-11]。CFD方法相對(duì)于傳統(tǒng)方法而言,適用范圍更廣,對(duì)室內(nèi)氣流分布預(yù)測(cè)更準(zhǔn)確。

經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn),采用噴口送風(fēng)的工程默認(rèn)采用等間距的噴口布置方法[12-14],如前所述,該設(shè)計(jì)方法在室內(nèi)負(fù)荷分布不均勻時(shí)存在較大問(wèn)題,因此,本文提出了噴口非等間距布置的設(shè)計(jì)方法,并以某多功能廳為例,詳細(xì)闡述了該設(shè)計(jì)方法,并利用CFD軟件進(jìn)行了模擬計(jì)算,驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方法的可行性。

1 大跨度空間等間距噴口設(shè)計(jì)方法及其問(wèn)題分析

噴口送風(fēng)依靠噴口吹出的高速射流實(shí)現(xiàn)送風(fēng),主要適用于大跨度建筑空間的氣流組織,其中噴口側(cè)向送風(fēng)形式的應(yīng)用最廣泛[3]。為了說(shuō)明等間距的風(fēng)口設(shè)計(jì)方法及其可能存在的問(wèn)題,下面以一個(gè)具體案例進(jìn)行闡述。

1.1 案例概況

以沈陽(yáng)市某酒店的多功能廳(如圖1所示)為研究對(duì)象,房間長(zhǎng)25.2 m、寬16.8 m,南墻高3.30 m、北墻高2.85 m,西、北兩側(cè)為外墻,東、南兩側(cè)為內(nèi)墻,為一斜頂空間。外墻傳熱系數(shù)為0.47 W/(m2·K),外窗傳熱系數(shù)為2 W/(m2·K)。經(jīng)計(jì)算,房間總?cè)珶崂湄?fù)荷為16 456 W,總顯熱冷負(fù)荷為11 700 W。其中,人員、設(shè)備、照明負(fù)荷為7 643 W,西墻與西面8扇外窗的冷負(fù)荷為2 522 W,北墻與北面玻璃幕墻的冷負(fù)荷為1 536 W,其余兩面墻體與空調(diào)房間相鄰,沒(méi)有冷負(fù)荷。可見(jiàn),各朝向的圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷明顯分布不均。

1.2 等間距噴口送風(fēng)設(shè)計(jì)方案的確定

計(jì)算得射流末端軸心速度vx=0.87 m/s,射流末端平均速度vp=0.43 m/s,噴口送風(fēng)速度和射流末端平均速度均符合要求。

經(jīng)校核,實(shí)際噴口送風(fēng)速度v′s=4.42 m/s,符合舒適性空調(diào)要求。

因此,確定每側(cè)等間距設(shè)置7個(gè)直徑為0.2 m的圓形噴口送風(fēng),噴口安裝高度為2.6 m,回風(fēng)口為矩形風(fēng)口,尺寸為400 mm×320 mm。噴口布置如圖2所示。

圖2 等間距方案噴口布置示意圖

1.3 等間距噴口送風(fēng)設(shè)計(jì)方案的氣流組織分析

前面采用傳統(tǒng)的射流公式法確定了等間距的噴口設(shè)計(jì)方案,本節(jié)采用Fluent軟件對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬,并簡(jiǎn)要分析室內(nèi)溫度、速度分布和熱舒適性指標(biāo)。模擬計(jì)算結(jié)果如圖3～5所示(具體的建模方法及條件設(shè)置見(jiàn)第2.2節(jié))。

圖3 等間距噴口送風(fēng)方案高度分別為1.5、1.8 m平面的溫度云圖

對(duì)上述數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果簡(jiǎn)要分析如下:

1) 溫度分布情況。從圖3可見(jiàn),在1.5 m和1.8 m高的截面上,溫度分布總體較為均勻,但房間西側(cè)空氣溫度為24.6 ℃,明顯高于東側(cè)空氣平均溫度23.4 ℃。結(jié)合室內(nèi)負(fù)荷分布情況,推測(cè)房間東西側(cè)溫差略大的原因?yàn)?西側(cè)和北側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)形成的冷負(fù)荷較大,而東側(cè)和南側(cè)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)并沒(méi)有產(chǎn)生冷負(fù)荷。

2) 風(fēng)速分布情況。規(guī)范要求夏季空調(diào)區(qū)風(fēng)速小于0.3 m/s[15],且室內(nèi)由于吹風(fēng)感造成的不滿(mǎn)意度DR值不大于20%。由圖4可知,工作區(qū)部分區(qū)域風(fēng)速已明顯超過(guò)0.3 m/s,而大部分區(qū)域的DR值在20%之內(nèi)(見(jiàn)圖5c)。整體來(lái)看,風(fēng)速偏大且在整個(gè)房間內(nèi)的分布不均勻,不符合規(guī)范要求。

圖4 等間距噴口送風(fēng)方案高度為1.8 m平面的速度云圖

圖5 等間距噴口送風(fēng)方案高度為1.8 m平面的熱舒適性指標(biāo)分布云圖

3) 熱舒適性指標(biāo)情況。如圖5所示,熱舒適性指標(biāo)PMV、PPD和DR在z=1.8 m的水平截面上的分布并不理想,對(duì)應(yīng)GB/T 50785—2012《民用建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》[16]的熱舒適等級(jí)為Ⅲ級(jí)(見(jiàn)表1)。受射流影響,PMV值最低達(dá)到-1.4,PPD值達(dá)到40%,DR值達(dá)到30%,且影響區(qū)域的范圍沒(méi)有得到很好的控制。熱舒適指標(biāo)雖算合格,但等級(jí)較低,PMV、PPD、DR在房間中部區(qū)域上的分布明顯不均勻,且不均勻區(qū)域較大。

表1 熱舒適評(píng)價(jià)等級(jí)

綜上可知,在等間距噴口送風(fēng)方案下,盡管室內(nèi)空氣平均溫度基本滿(mǎn)足夏季室溫的要求,但部分區(qū)域的風(fēng)速明顯偏大,且熱舒適等級(jí)較低,室內(nèi)熱舒適性指標(biāo)的分布明顯不均勻。經(jīng)初步分析,判斷原因在于該大跨度房間的負(fù)荷分布明顯不均勻。

2 大跨度空間非等間距噴口設(shè)計(jì)方法及驗(yàn)證

為解決大跨度房間負(fù)荷分布明顯不均勻時(shí)采用等間距噴口送風(fēng)存在的問(wèn)題,本文提出了一種非等間距噴口送風(fēng)設(shè)計(jì)方法,并以上述多功能廳為例,具體闡述了該設(shè)計(jì)方法,并利用CFD模擬計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證了其可行性。

2.1 非等間距噴口送風(fēng)設(shè)計(jì)方法

非等間距噴口送風(fēng)設(shè)計(jì)方法與傳統(tǒng)方法的主要區(qū)別在于,在布置噴口時(shí)需要考慮室內(nèi)負(fù)荷分布的具體情況,總的原則是:對(duì)于負(fù)荷占比大的區(qū)域應(yīng)減小噴口的布置間距;反之,噴口間距應(yīng)適當(dāng)增大。以下結(jié)合前述案例,具體闡述該非等間距噴口送風(fēng)設(shè)計(jì)方法。

1) 分區(qū)計(jì)算房間空調(diào)冷負(fù)荷(可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行分區(qū),按與噴口送風(fēng)方向平行進(jìn)行劃分,建議不少于4個(gè)區(qū),見(jiàn)圖6),并根據(jù)總負(fù)荷確定送風(fēng)參數(shù),按照射流公式法計(jì)算得到送風(fēng)口數(shù)量n、風(fēng)口尺寸等結(jié)果,具體可參見(jiàn)《實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)》[3]。

圖6 房間分區(qū)示意圖

根據(jù)1.2節(jié)的計(jì)算結(jié)果,在多功能廳南北兩側(cè)各布置7個(gè)直徑為0.2 m的圓形噴口。

2) 用各分區(qū)負(fù)荷占房間總負(fù)荷的比例乘以總送風(fēng)口數(shù)量n,得到該分區(qū)應(yīng)布置的風(fēng)口數(shù)量。另外,根據(jù)具體的計(jì)算結(jié)果,將風(fēng)口數(shù)量較多(或較少)的相鄰區(qū)域適當(dāng)合并,經(jīng)四舍五入,得到重新分區(qū)后各分區(qū)的風(fēng)口數(shù)量。然后,在合并后的分區(qū)內(nèi),根據(jù)負(fù)荷情況布置風(fēng)口,得到非等間距噴口送風(fēng)設(shè)計(jì)初步方案。

本文算例中,將多功能廳沿東西方向平均分為7個(gè)區(qū)域,分別計(jì)算負(fù)荷占比,相應(yīng)得出各區(qū)應(yīng)布置噴口數(shù)量,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。從表2可見(jiàn),區(qū)域1、2內(nèi)風(fēng)口數(shù)量明顯偏多,故將這2個(gè)區(qū)域合并成1個(gè)區(qū)域,共需3個(gè)噴口,其余區(qū)域合并成1個(gè)大的區(qū)域,共需4個(gè)噴口。根據(jù)重新合并后各分區(qū)的負(fù)荷情況,適當(dāng)布置風(fēng)口,噴口布置示意圖見(jiàn)圖7。此外,考慮到房間為斜頂且層高較低的特點(diǎn),調(diào)整噴口送風(fēng)角度為水平向上傾斜10°。

表2 多功能廳分區(qū)負(fù)荷及噴口分布

圖7 非等間距噴口布置示意圖

3) 根據(jù)房間的實(shí)際情況,利用CFD軟件構(gòu)造房間計(jì)算模型,對(duì)步驟2)中設(shè)計(jì)方案進(jìn)行數(shù)值模擬,從工作區(qū)的溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)和熱舒適度三方面,分析噴口布置方案的效果。本文案例的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果見(jiàn)2.2節(jié)。

4) 如果步驟3)的模擬計(jì)算結(jié)果能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)目標(biāo),則完成設(shè)計(jì);否則,結(jié)合模擬計(jì)算結(jié)果,返回步驟2)重新進(jìn)行區(qū)域合并,然后再按步驟3)繼續(xù)進(jìn)行模擬計(jì)算。

通常,經(jīng)過(guò)1～2次的區(qū)域合并操作即可得到滿(mǎn)意的風(fēng)口布置方案。

2.2 非等間距噴口送風(fēng)設(shè)計(jì)方案的數(shù)值模擬驗(yàn)證

2.2.1物理模型的簡(jiǎn)化

本文算例的多功能廳建筑面積為413.52 m2,包括8扇西外窗與2扇北外窗,建筑的數(shù)值模擬計(jì)算域如圖8所示。

圖8 計(jì)算域軸測(cè)圖

機(jī)械通風(fēng)房間內(nèi)的空氣流動(dòng)一般屬于非穩(wěn)態(tài)湍流流動(dòng),在利用CFD軟件進(jìn)行模擬時(shí),需要對(duì)物理模型進(jìn)行一定的假設(shè)和簡(jiǎn)化處理[17]。本文作假設(shè)如下:1) 夏季室內(nèi)環(huán)境溫度為25 ℃,即室內(nèi)空氣溫度和內(nèi)圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度都為25 ℃;2) 室內(nèi)空氣視為不可壓縮的牛頓流體,且忽略溫度變化對(duì)空氣比熱容、動(dòng)力黏度和導(dǎo)熱系數(shù)的影響;3) 忽略空氣的輻射和吸收特性。

2.2.2數(shù)值模擬條件設(shè)置

本文算例的噴口送風(fēng)采用5 ℃溫差。送風(fēng)噴口設(shè)置為速度入口,送風(fēng)溫度為20 ℃,風(fēng)速為4.42 m/s;回風(fēng)口設(shè)為壓力出口?？紤]多功能廳內(nèi)人員、設(shè)備、燈光呈圍繞桌子分布的特點(diǎn),將室內(nèi)人員、設(shè)備、燈光的顯熱散熱擬合成6個(gè)物體的顯熱散熱,并以“矩形桌子”代替,尺寸為4 500 mm×500 mm×1 000 mm(長(zhǎng)×寬×高),設(shè)為內(nèi)熱源,壁面熱流密度為顯熱散熱量除以熱源總表面積,計(jì)算結(jié)果為99.68 W/m2。圍護(hù)結(jié)構(gòu)的邊界條件按相應(yīng)的冷負(fù)荷設(shè)置為常熱流,即第二類(lèi)邊界條件,其余沒(méi)有冷負(fù)荷的圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)置為恒溫壁面,即第一類(lèi)邊界條件。邊界條件設(shè)置見(jiàn)表3。

表3 邊界條件設(shè)置

根據(jù)建筑平面圖建立全尺寸模型,采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。利用RNGK-ε湍流模型[18]和S2S(surface to surface,表面到表面)輻射模型,經(jīng)過(guò)網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證后,網(wǎng)格數(shù)量確定為381萬(wàn)。采用基于壓力的隱式格式求解器,用Couple算法求解壓力速度耦合,壓力的空間離散采用PRESTO!格式,其他項(xiàng)的空間離散格式均采用二階迎風(fēng)格式。

2.2.3非等間距噴口送風(fēng)方案數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果

利用前面所建立的數(shù)值計(jì)算模型,對(duì)非等間距噴口送風(fēng)空調(diào)設(shè)計(jì)方案的室內(nèi)溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)進(jìn)行了詳細(xì)的模擬計(jì)算,結(jié)果分別見(jiàn)圖9、10,并根據(jù)熱舒適性計(jì)算模型編寫(xiě)UDF(用戶(hù)自定義函數(shù)),導(dǎo)入Fluent軟件計(jì)算后,獲得3個(gè)熱舒適性指標(biāo)(PMV、PPD和DR)的詳細(xì)結(jié)果,如圖11所示。

圖9 非等間距噴口送風(fēng)方案不同截面溫度云圖

2.2.4非等間距噴口送風(fēng)方案模擬計(jì)算結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)模擬計(jì)算結(jié)果的整理,并與等間距噴口送風(fēng)方案的模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,簡(jiǎn)要分析如下:

1) 溫度分布情況。由圖9可見(jiàn),室內(nèi)平均溫度約為24.2 ℃,靠近圍護(hù)結(jié)構(gòu)的位置溫度較高,最高溫度出現(xiàn)在屋頂附近,兩側(cè)噴口的側(cè)送風(fēng)使房間受屋頂?shù)挠绊戄^小,空調(diào)區(qū)(即人員活動(dòng)區(qū))溫度分布比較均勻,能夠滿(mǎn)足人員的舒適度要求,且空調(diào)區(qū)在豎直方向上的溫差較小,不超過(guò)3 ℃?？傮w來(lái)看,在房間內(nèi)溫度均勻性方面比等間距送風(fēng)方案有明顯的提升。

2) 風(fēng)速分布情況。由圖10可見(jiàn),噴口送風(fēng)速度衰減較快,空調(diào)區(qū)的風(fēng)速基本保持在0.2 m/s以?xún)?nèi),符合標(biāo)準(zhǔn)要求。盡管射流末端也有風(fēng)速略大的情況,但與等間距噴口送風(fēng)方案相比,局部風(fēng)速較大區(qū)域明顯縮小,且非等間距噴口送風(fēng)方案下空調(diào)區(qū)風(fēng)速可以控制在更小的范圍內(nèi),分布也更均勻。

圖10 非等間距噴口送風(fēng)方案z=1.8 m截面速度云圖

3) 熱舒適性指標(biāo)情況。由圖11可見(jiàn),房間大部分區(qū)域的熱舒適等級(jí)都能達(dá)到Ⅰ級(jí)標(biāo)準(zhǔn),只有很小的局部區(qū)域受射流影響,熱舒適等級(jí)略有降低,但也能達(dá)到Ⅱ級(jí)標(biāo)準(zhǔn),PMV指標(biāo)基本處于±0.2之間,PPD指標(biāo)在10%以?xún)?nèi),吹風(fēng)感DR也總體保持在10%以?xún)?nèi),舒適性良好。相比于熱舒適等級(jí)為Ⅲ級(jí)的等間距噴口送風(fēng)方案來(lái)說(shuō),非等間距噴口送風(fēng)方案下室內(nèi)各熱舒適指標(biāo)均得到了明顯改善。

圖11 非等間距噴口送風(fēng)方案z=1.8 m截面熱舒適性指標(biāo)分布云圖

3 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)采用噴口送風(fēng)空調(diào)方案的建筑工程房間空調(diào)負(fù)荷分布不均勻情況,本文提出了一種非等間距布置噴口的送風(fēng)設(shè)計(jì)方案,并結(jié)合某酒店的多功能廳案例,給出了非等間距噴口送風(fēng)方案的具體實(shí)施方法;然后利用CFD軟件對(duì)該多功能廳在等間距和非等間距噴口布置方案下的氣流組織效果進(jìn)行了評(píng)估,具體從空調(diào)區(qū)的空氣溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)和熱舒適性指標(biāo)(PMV、PPD、DR)分布方面進(jìn)行了對(duì)比,結(jié)果顯示,在非等間距噴口布置方案下,這些指標(biāo)均得到明顯的改進(jìn),從而驗(yàn)證了本文提出的非等間距噴口送風(fēng)設(shè)計(jì)方案的可行性,為類(lèi)似的噴口送風(fēng)空調(diào)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。