復雜建筑環(huán)境中冷卻塔

1、復雜建筑環(huán)境中冷卻塔風環(huán)境的數(shù)值模擬彭小勇(南華大學) 范曉檣（國防科技大學）摘要 采用CFD模擬技術(shù)，分析了復雜建筑環(huán)境中布置的冷卻塔的氣流分布和氣流溫度分布，比較了不同工況下冷卻塔的熱工特性，提出了改善冷卻塔有效運行的技術(shù)措施。算例結(jié)果表明，CFD模擬是解決此類問題的有效手段。關(guān)鍵詞 冷卻塔 風環(huán)境 CFDNumerical Simulation of Wind Environment of Cooling Tower in the Complex Environment of BuildingsPENG Xiao-yong1, FANG Xiao-qiang2（1. Nanhua Uni

2、versity; 2. National University of Defence Technology）Abstract: The CFD (computational fluid dynamics) technology is used to simulate the distribution of flow field and airflow temperature of cooling tower which is set in the complex environment of buildings. By comparing the thermal characteristics

3、 of cooling tower under different working conditions, the technical measures that can make the cooling tower working effectively is given in this paper. The numerical results show that the CFD technology is an effective method for such problems.Keywords: cooling tower; wind environment; CFD1 引言冷卻塔作為

4、空調(diào)系統(tǒng)的主要組成部分，如果它不能有效地發(fā)揮作用，將直接影響到整個空調(diào)系統(tǒng)的制冷效果和能耗。影響冷卻塔有效工作的因素很多，其中冷卻塔的布置是影響其熱工特性的主要因素之一。文獻1就冷卻塔的布置對其熱工特性的影響，包括冷卻塔和周邊建筑、冷卻塔和冷卻塔、成組冷卻塔等的布置的相互影響做了系統(tǒng)地分析和實驗研究。此外，冷卻塔的布置不當，其熱羽流不能有效地抬升、輸運和擴散，不僅會組成濕熱氣流返混，同時也會影響周邊環(huán)境的空氣質(zhì)量。文獻2對冷卻塔水溫與軍團病的滋生、繁殖做了分析，指出軍團病菌主要是由冷卻塔熱羽流來傳播，冷卻塔濕熱氣流可散布在幾百米的范圍。事實上，冷卻塔的布置必須考慮其所在的場所的氣流環(huán)境，尤其是

5、廣大的民用建筑空調(diào)系統(tǒng)，冷卻塔工作的風環(huán)境是難以用簡單的工程經(jīng)驗方法來分析的，因為它融入到了建筑或建筑群中，必須將冷卻塔的熱羽流和進風氣流與建筑（群）的繞流一起考慮。而上述氣流流態(tài)是復雜的、非線性的。目前，研究它們的方法主要有風洞實驗和CFD（Computational Fluid Dynamics）模擬二種方法，前者由于實驗周期長和費用高等因素的影響，應(yīng)用面受到限制，大多是對一些重要工程的風環(huán)境做方案可行性的論證性實驗；后者由其快捷、經(jīng)濟、可模擬復雜邊界和多工況分析等特點，已廣泛地被人們所應(yīng)用。有關(guān)建筑風環(huán)境對冷卻塔熱工特性的影響，以及冷卻塔熱羽流對周邊環(huán)境影響的研究還較為鮮見。本文采用CF

6、D模擬技術(shù)，對復雜建筑環(huán)境中布置的冷卻塔的空氣環(huán)境做了數(shù)值模擬。彭小勇，男，1961年12月生，副教授，地址：湖南省衡陽市南華大學建筑工程與資源環(huán)境學院郵編：421001，電話：（0734）8142669 ，E-mail：pengxiaoyong2 復雜建筑環(huán)境中布置的冷卻塔風環(huán)境的CFD模擬2.1 工程概況和氣象參數(shù)采用CFD技術(shù)模擬冷卻塔氣流特性的建筑物地處南方某沿海城市，該建筑物空調(diào)工程選用三臺500RT的橫流式冷卻塔，冷卻塔布置在屋頂?shù)臇|南邊緣區(qū)域，四周均有建筑圍護結(jié)構(gòu)，圍護結(jié)構(gòu)中下方開有進風百葉，建筑外觀要求冷卻塔不得高出周邊圍護結(jié)構(gòu)。該城市夏季空調(diào)期間室外氣象參數(shù)：濕球溫度為28；

7、通風（干球）溫度為305；大氣壓力為100550。 CFD方法和冷卻塔運行工況（1）CFD方法數(shù)值模擬采用商業(yè)軟件Fluent完成。數(shù)值模擬方法應(yīng)用定常不可壓縮Reynolds平均的Navier-Stokes方程和標準-湍流模型，物面邊界條件為無滑移條件，冷卻塔出風口給定氣流速度和溫度，回風口按出流條件設(shè)置；數(shù)值方法為有限體積法，對流項采用一階迎風差分格式。（2）設(shè)計工況（見圖1）由于受到建筑平面布局和建筑立面要求的限制，冷卻塔不能按照技術(shù)規(guī)范的要求進行安裝，冷卻塔布置在凹槽中，進風口與墻間距過小，建筑墻面所開百葉窗面積不夠，進風風量和進風均勻性均得不到保證，其熱工特性受到外部環(huán)境的影響較大。

8、（3）改進工況（見圖2）建議甲方和設(shè)計單位加大百葉窗面積。一是將百葉窗長度延長至整個墻面長，使各方格塔的進風均勻；其次是將百葉窗的高度加大，其高度大于冷卻塔進風口的高度加上進風口距墻面的距離，且二者的中心線在同一標高，加大百葉窗葉片間的距離，以減小百葉窗的進風阻力和噪聲，確保冷卻塔進風量。為減少風向和風速變化對冷卻塔運行的影響，在冷卻塔出風筒上加裝擴散筒（高出冷卻塔周邊墻頂一定距離），以利于冷卻塔出風筒排出的濕熱氣流的擴散，抑制冷卻塔風機的噪聲對周邊環(huán)境的影響。 冷卻塔風環(huán)境CFD模擬結(jié)果和分析對設(shè)計工況和改進工況冷卻塔風環(huán)境做了CFD模擬，模擬結(jié)果見圖16。圖中溫度單位為開（）；圖中流線及等

9、值線紅色為高溫，藍色為低溫。由圖16可見，CFD技術(shù)能很好地模擬出復雜建筑環(huán)境中布置冷卻塔的流線分布和溫度分布，給出了渦流區(qū)的分布和氣流流向規(guī)律，以及冷卻塔的熱羽流和冷卻塔之間的復雜的氣流流態(tài)。由圖1、2可見，改進工況冷卻塔熱羽流的抬升較設(shè)計工況的要好；由圖3、4可見，冷卻塔的濕熱氣流在回旋氣流區(qū)中循環(huán)，而且有一個較大的影響區(qū)；由圖5、6可見，由于設(shè)計工況冷卻塔的出風口低于周邊圍護結(jié)構(gòu)，圍護結(jié)構(gòu)引起的分離流對出風口處的氣流干擾較大，熱氣流的返混較大； 圖1 設(shè)計工況熱羽流流線圖2 改進工況熱羽流流線 圖3 設(shè)計工況流線分布圖圖4 改進工況流線分布圖圖5 設(shè)計工況速度矢量圖圖6 改進工況速度矢量

10、圖3 冷卻塔熱工特性分析（1）冷卻塔氣流溫度CFD模擬結(jié)果和分析由圖7、8給出了CFD模擬出的冷卻塔周邊氣流的溫度分布。可見，改進工況熱氣流抬升較設(shè)計工況要好，設(shè)計工況冷卻塔進風口的溫度大于改進工況，即其熱氣流的返混率較大。圖7 設(shè)計工況溫度等值線圖圖8 改進工況溫度等值線圖（2）冷卻塔熱工特性分析冷卻塔進風口溫度和濕度是影響其熱工特性的主要因素，濕熱氣流的返混率也是衡量冷卻塔運行質(zhì)量的標準之一。由于實際濕熱氣流的返混率的計算過于復雜，本文采用以下近似公式計算。 （1）其中：返混率，；：通風（干球）溫度，取305；：冷卻塔出風溫度，取310；：冷卻塔進風溫度，。對冷卻塔按圖1所示從左到右編為：

11、1#冷卻塔、2#冷卻塔和3#冷卻塔。各個冷卻塔的進風溫度的數(shù)值計算結(jié)果和返混率的計算結(jié)果見表1。由表1可見，對于設(shè)計工況1#、2#冷卻塔的進風溫度和返混率明顯大于3#冷卻塔，這是由于1#、2#冷卻塔處于渦流區(qū)中間區(qū)域，熱羽流較易卷入渦流區(qū)所至；此外，改進工況的返混率明顯小于設(shè)計工況，這說明改進工況所采用的技術(shù)措施是正確有效的。表1 冷卻塔熱工特性分析1#冷卻塔2#冷卻塔3#冷卻塔進風口溫度（）出風口溫度（）返混率()進風口溫度（）出風口溫度（）返混率()進風口溫度（）出風口溫度（）返混率()設(shè)計工況31016306310203102改進工況3108310231024 結(jié)束語由于建筑（群）的繞流流態(tài)非常復雜，設(shè)置在建筑（群）中的冷卻塔工作的風環(huán)境是難以用簡單的工程經(jīng)驗方法來分析的，因為它融入到了建筑或建筑群中，必須將冷卻塔的熱羽流和進風氣流與建筑（群）的繞流一起考慮。冷卻塔的布置遵循建筑（群）繞流的氣流規(guī)律，是可以避免或減輕建筑風環(huán)境對其熱工特性的影響。 CFD技術(shù)是用來模擬復雜建筑環(huán)境中布置的冷卻塔空氣