高大廠房分層空調(diào)氣流計(jì)算與模擬分析

肖書博， 周 濤

空調(diào)技術(shù)

高大廠房分層空調(diào)氣流計(jì)算與模擬分析

肖書博， 周 濤

（中航長(zhǎng)沙設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南長(zhǎng)沙410014）

對(duì)于高大空間的建筑采用分層空調(diào)可以減小空調(diào)負(fù)荷，節(jié)約能源。本文結(jié)合實(shí)際工程，詳細(xì)分析了分層空調(diào)的氣流組織，并對(duì)噴口射流進(jìn)行了詳細(xì)計(jì)算。然后利用計(jì)算流體力學(xué)軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)室內(nèi)空氣氣流分布情況進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。通過(guò)結(jié)果分析可知，室內(nèi)溫度場(chǎng)和氣流組織分布的總體規(guī)律與設(shè)計(jì)預(yù)想情況基本一致，設(shè)計(jì)滿足要求。

分層空調(diào)； 節(jié)能； 氣流組織； CFD模擬

0 引言

高大空間的工業(yè)廠房、機(jī)場(chǎng)航站樓、會(huì)展中心、體育館、影劇院等建筑，空調(diào)負(fù)荷大，能耗高，必須對(duì)其氣流組織進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算分析。目前對(duì)于該類建筑一般采用分層空調(diào)的形式，即只對(duì)人員聚集的下部工作區(qū)域保證空調(diào)效果，而非工作區(qū)域則不設(shè)置空調(diào)系統(tǒng)，從而降低整個(gè)建筑的空調(diào)能耗。

1 項(xiàng)目概況

西北地區(qū)某部裝廠房，總建筑面積27360m2，長(zhǎng)240m，寬114m，其中兩跨240m×36m和一跨240m× 42m，主廠房屋面鋼梁最低點(diǎn)標(biāo)高16.0m，屬于高大空間建筑。

按照《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50189-2015）中第4.4.4條及條文解釋的規(guī)定，建筑空間高度≥10m且體積V＞10000m3時(shí)，宜采用分層空調(diào)系統(tǒng)。分層空調(diào)與全室性空調(diào)相比，前者夏季可節(jié)省冷量約30%左右[1～3]，因此，能減少空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行能耗和初投資。針對(duì)該項(xiàng)目的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)決定采用分層空調(diào)系統(tǒng)。

2 分層空調(diào)氣流組織設(shè)計(jì)計(jì)算

分層空凋又稱部分空調(diào)，是根據(jù)空氣密度隨溫度變化出現(xiàn)的自然分層現(xiàn)象。夏季利用比重較大的冷空氣的自然下沉原理，經(jīng)周密的熱工計(jì)算和合理的氣流組織，實(shí)現(xiàn)對(duì)下部工作區(qū)的空調(diào)，保證一定的空氣參數(shù)，對(duì)上部非工作區(qū)不設(shè)計(jì)空調(diào)或用通風(fēng)來(lái)排除余熱的方法，以達(dá)到節(jié)能的目的。

2.1 分層空調(diào)氣流組織的基本形式

該廠房末端射流機(jī)組設(shè)計(jì)時(shí)采用雙側(cè)對(duì)送，雙側(cè)下回的形式，并采用部分新風(fēng)型機(jī)組滿足廠房?jī)?nèi)的新風(fēng)要求。夏季為排除非空調(diào)區(qū)余熱，還需設(shè)置屋頂風(fēng)機(jī)機(jī)械排風(fēng)，在側(cè)面設(shè)置自然進(jìn)風(fēng)等措施；過(guò)渡季節(jié)通過(guò)屋頂風(fēng)機(jī)排除室內(nèi)余熱，可開啟外門自然補(bǔ)風(fēng)。

2.2 噴口射流計(jì)算

空調(diào)末端機(jī)組采用射流機(jī)組，分為回風(fēng)型和新風(fēng)型?；仫L(fēng)型機(jī)組承擔(dān)空調(diào)區(qū)內(nèi)部負(fù)荷，新風(fēng)型機(jī)組承擔(dān)新風(fēng)負(fù)荷。每臺(tái)機(jī)組額定風(fēng)量為5000m3/h。

對(duì)于圓噴口水平吹出的多股平行冷射流，圓噴口直徑為：

圓噴口送風(fēng)速度：

式中 X—射程，m，通過(guò)上述計(jì)算可知，X=18.1m；

Y—射流落差，m，通過(guò)上述計(jì)算可知，Y=3.0m；

T—空調(diào)區(qū)空氣的絕對(duì)溫度，K，按空調(diào)室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度26℃計(jì)算，T=273+26=299K；

Δt0—送風(fēng)溫差，選用10℃；

vx—射流末端速度，m/s，通常vx=2vp=2×0.3=0.6m/s。通過(guò)計(jì)算，選擇噴口規(guī)格為D600，出口直徑d0= 405mm；v0=9.13m/s。

根據(jù)每個(gè)風(fēng)口的送風(fēng)量為5000m3/h，計(jì)算每個(gè)風(fēng)口的實(shí)際風(fēng)速v0′為：

廠房噴口射流屬于大空間多股平行吹出的非等溫射流，軸心軌跡方程為：

式中 Ar—送風(fēng)射流的阿基米德數(shù)。

帶入相關(guān)數(shù)據(jù)，計(jì)算出Ar=1.8×10-3，Y′=2.91m。

驗(yàn)證：ΔY=｜Y′-Y｜=0.09≤0.20m，滿足要求。

射流末端軸心速度vx為：

計(jì)算得：vx=0.57m/s。

回流區(qū)風(fēng)速vp=0.5×0.57=0.285m/s＜0.3m/s，滿足相關(guān)規(guī)范要求。

3 CFD模擬

利用CFD（計(jì)算流體力學(xué)）方法，對(duì)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算分析，通過(guò)構(gòu)建數(shù)值模型，利用軟件得到房間內(nèi)氣流的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)等物理量，為設(shè)計(jì)部門提供較為完整的技術(shù)依據(jù)。

3.1 物理模型

由于室內(nèi)氣流組織呈對(duì)稱性，

且每一跨的氣流組織特點(diǎn)基本一致，因此本文僅對(duì)42m跨的中間部位任意兩個(gè)柱間距進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。模型尺寸為42m×24m×16m，室內(nèi)總發(fā)熱量為48kW；人員約12人（因軟件分析需要，將人體簡(jiǎn)化為棱柱形），每人的熱流為134W；共18盞金屬燈提供室內(nèi)照明，每盞燈400W。不考慮其他的室內(nèi)發(fā)熱量。送風(fēng)口布置在兩側(cè)，風(fēng)口距地面6m，風(fēng)口間距6m。

3.2 數(shù)學(xué)模型和邊界條件

3.2.1 數(shù)學(xué)模型

在對(duì)室內(nèi)氣流組織的數(shù)值模擬計(jì)算中，進(jìn)行了如下假設(shè)：

（1）不考慮漏風(fēng)的影響，認(rèn)為房間氣密性良好；（2）室內(nèi)空氣流速較低，可以視為不可壓縮流體，符合Boussinesq的基本假設(shè)理論；

（3）在射流風(fēng)機(jī)出口處氣流參數(shù)均勻，且為穩(wěn)態(tài)流動(dòng)；

（4）室內(nèi)空調(diào)區(qū)空氣的物理性質(zhì)為定值，室內(nèi)空氣為輻射透明介質(zhì)。

3.2.2 邊界條件設(shè)置

入口邊界條件：根據(jù)計(jì)算分析可知，射流機(jī)組送風(fēng)速度v0=8.9 m/s，送風(fēng)溫度T0的熱力學(xué)溫度為289 K（約16℃）。

出口邊界條件：根據(jù)相關(guān)參考文獻(xiàn)的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)出口邊界條件采用局部單項(xiàng)化處理，即認(rèn)為出口界面上的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)與其相鄰的第一個(gè)內(nèi)節(jié)點(diǎn)之間已無(wú)相互影響，即對(duì)內(nèi)節(jié)點(diǎn)的影響系數(shù)為零，這樣就可以簡(jiǎn)化計(jì)算，無(wú)需知道出口邊界上的值[4]。

壁面邊界條件：室內(nèi)邊界條件設(shè)為恒溫邊界，東墻、西墻和南墻壁溫為28℃（恒溫，均勻），外窗溫度為30℃；北墻為假想的隔墻（僅是計(jì)算邊界），壁溫為26℃；屋面假設(shè)為恒溫，32℃；其余物體邊界設(shè)置為絕熱邊界。

3.3 模擬結(jié)果

本文利用國(guó)際上比較成熟的流體力學(xué)計(jì)算軟件進(jìn)行模擬分析，采用有限體積法中的SIMPLE法對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。計(jì)算網(wǎng)格采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，對(duì)風(fēng)口等局部區(qū)域進(jìn)行加密處理（如圖2、圖3所示），模型網(wǎng)格總數(shù)為125萬(wàn)個(gè)，通過(guò)計(jì)算，可以看到結(jié)果收斂性好（如圖4所示），與假象一致，基本達(dá)到設(shè)計(jì)意圖。

空調(diào)出口的水平射流進(jìn)入房間后，在射流溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)的多重作用下，房間下部會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)比較對(duì)稱的旋渦區(qū)域，旋渦的存在使得房間下部氣流得到充分?jǐn)_動(dòng)，有利于凋節(jié)該區(qū)域的溫度，加快氣流流動(dòng)，降低空氣齡。

從圖5中可以看出，氣流的影響區(qū)域主要集中在房間的中下部（人員活動(dòng)區(qū)域），說(shuō)明分層空調(diào)主要影響房間中下部，從而達(dá)到了節(jié)能的目的。從圖中還可以看出，在人員活動(dòng)區(qū)域，風(fēng)速＜0.3m/s，滿足相關(guān)要求。

圖6為制冷工況豎向的溫度分布圖，從中可以看出，溫度場(chǎng)豎向分層明顯，由上至下可分為熱滯留區(qū)（非空調(diào)區(qū)）、送風(fēng)氣流區(qū)和混合區(qū)（人員活動(dòng)區(qū)）。在人員活動(dòng)區(qū)域（距地面2.0m以內(nèi)的區(qū)域）溫度值為25.2～26.5℃，滿足設(shè)計(jì)要求。在廠房設(shè)計(jì)時(shí)，一般會(huì)在房間上部采取通風(fēng)措施，排出余熱，從而減少上部熱量對(duì)空調(diào)區(qū)域的擾動(dòng)。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)數(shù)值模擬結(jié)果分析可知，室內(nèi)溫度場(chǎng)和氣流組織分布的總體規(guī)律與設(shè)計(jì)預(yù)想基本上是一致的；豎向溫差明顯，射流分層成功，氣流組織設(shè)計(jì)基本上滿足要求。

[1]陸耀慶.實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].2版.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008.

[2]GB 50189-2015，公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2015.

[3]鄺國(guó)衡.某會(huì)展中心大空間中庭分層空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].廣東土木與建筑，2005，（10）：38，39.

[4]陶文銓.數(shù)值傳熱學(xué)[M].2版.西安：西安交通大學(xué)出版社，1988.

Calculate and Simulate Analysis of Air Distribution on Stratified Air Conditioning System in High-spacious Workshops

XIAO Shu-bo， ZHOU Tao
（China Aviation Changsha Design and Research Co.，Ltd，Changsha 410014，China）

Usestratifiedairconditioningsystemcanreducetheairconditioningload，saveenergyconsumption.With theactual example，theairdistributionisdetailedanalysesandnumerical simulatedwiththeCFD software.Seeingthesimulation，theindoor air distributionandtemperaturechangeoverall rules is consistent withtheessential designforecast and thedesigncanmeettherequirement.

stratifiedairconditioning； saveenergy； airdistribution； CDF simulation

TU831

B

2095-3429（2016）03-0067-03

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.03.016

2016-05-03

修回日期：2016-05-31

肖書博（1984-），男，河南南陽(yáng)人，碩士，工程師。