分層空調(diào)在高大空間建筑中的應(yīng)用

分層空調(diào)在高大空間建筑中的應(yīng)用

1基于cfd技術(shù)的大空間建筑空調(diào)系統(tǒng)模擬研究近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)容量和高效率的開(kāi)發(fā)，以及計(jì)算水流的優(yōu)化（commercialfluiddynamis，簡(jiǎn)稱(chēng)rcd），應(yīng)用cpd技術(shù)進(jìn)行了大空間建筑空調(diào)系統(tǒng)的氣流組織、可靠性和優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的應(yīng)用。本文利用Airpak2.1軟件,對(duì)天津國(guó)際展覽中心擴(kuò)建工程B展廳高大空間建筑分層空調(diào)改進(jìn)方案的熱舒適性與氣流組織進(jìn)行了模擬研究,所得研究結(jié)論為高大空間類(lèi)建筑空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)、預(yù)測(cè)氣流組織等提供了理論依據(jù)和指導(dǎo)方法。由于篇幅有限,本文僅對(duì)國(guó)際展覽中心高大空間建筑分層空調(diào)改進(jìn)方案夏季模擬方法進(jìn)行了探討和研究,冬季模擬研究見(jiàn)另文。2空調(diào)及回風(fēng)管道分層空調(diào)是指僅對(duì)下部區(qū)域進(jìn)行空調(diào),而對(duì)上部區(qū)域不空調(diào)的空調(diào)方式。與全室空調(diào)相比,夏季可節(jié)省冷量30%左右。分層空調(diào)適于高大建筑,當(dāng)高大建筑物高度H≥10m,建筑物體積V>1萬(wàn)m3,空調(diào)區(qū)高度與建筑高度之比h1/H≤0.5時(shí),才經(jīng)濟(jì)合理。天津國(guó)際展覽中心擴(kuò)建工程B展廳層高18m,展廳體積V=9.6228萬(wàn)m3,故采用分層空調(diào)較為適宜。工作區(qū)為高大建筑物所必須保證溫濕度參數(shù)的區(qū)域,展廳為舒適性空調(diào)區(qū)域,工作區(qū)高度取2m。在滿(mǎn)足使用要求的前提下,分層高度h1越低越節(jié)能:h1=h+y+ha(1)式中h——工作區(qū)高度,my——射流垂直落差,mha——安全值,對(duì)恒溫車(chē)間取0.3m,一般舒適性空調(diào)可不考慮展廳兩側(cè)為5.5～7m高的實(shí)體墻,可以架設(shè)送風(fēng)管道,故分層高度取6m(略高于計(jì)算確定值)。該展廳采用全空氣送風(fēng)的空調(diào)系統(tǒng);空調(diào)區(qū)、空調(diào)系統(tǒng)、防火分區(qū)均獨(dú)立。室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為26℃,相對(duì)濕度為65%。新風(fēng)量為51000m3/h,排風(fēng)量為51000m3/h,送風(fēng)量為170000m3/h,回風(fēng)量為119000m3/h;2臺(tái)空調(diào)機(jī)組,每臺(tái)額定風(fēng)量為85000m3/h。新風(fēng)與回風(fēng)混合經(jīng)表冷器處理后送入展廳。送風(fēng)管道明裝在展廳兩側(cè);回風(fēng)管道設(shè)在地面地溝,位于送風(fēng)管道同側(cè)下方。噴口中心高度6m,雙向?qū)?多股平行)射流送風(fēng)構(gòu)成了一道水平風(fēng)幕,以此為界,房間的上部為非空調(diào)區(qū),下部為空調(diào)區(qū)。同時(shí)頂棚排風(fēng),送風(fēng)口下部同側(cè)進(jìn)行回風(fēng),使工作區(qū)處于較好的回流區(qū),得到較為均勻的速度場(chǎng)和溫度場(chǎng),使之滿(mǎn)足展廳的舒適要求。3屋頂噴口、回口考慮計(jì)算機(jī)內(nèi)存容量和計(jì)算速度,在不影響計(jì)算結(jié)果的前提下適當(dāng)簡(jiǎn)化模型,如圖1所示。假設(shè)屋頂為平面,模型為高18m(Y方向)、寬54m(X方向)、長(zhǎng)99m(Z方向)的長(zhǎng)方體。人體負(fù)荷按輕勞動(dòng)強(qiáng)度、環(huán)境溫度全熱設(shè)定,人流密度為0.8人/m2,人體模型簡(jiǎn)化成144組blocks;屋頂、外墻、地面負(fù)荷按常熱流設(shè)定,與其它展廳相鄰墻按絕熱設(shè)定,其壁溫為環(huán)境溫度。在X=0,X=54m的兩墻上分別設(shè)27個(gè)ue07e350mm噴口進(jìn)行送風(fēng),噴口間距為3.6m,中心高度為6m,噴速為9.1m/s,送風(fēng)溫度16℃。回風(fēng)口每側(cè)設(shè)26個(gè),均設(shè)在兩噴口中間位置下方,面積為0.5m×0.5m;啟動(dòng)屋頂中心排煙風(fēng)扇(ue07e500mm)6臺(tái),排走非空調(diào)區(qū)廢氣、廢熱。展廳是高大空間,近似非等溫自由射流,射流與周?chē)橘|(zhì)密度不同,浮力和重力不平衡,射流發(fā)生變形,其判據(jù)阿基米德數(shù)Ar:Ar=gd0(Τ0-Τn)u20Τa(2)Ar=gd0(T0?Tn)u20Ta(2)式中d0——噴口直徑,mT0——射流出口溫度,KTn——周?chē)諝鉁囟?Ku0——噴口出流的平均速度,m/s當(dāng)Ar>0時(shí)為熱射流,Ar<0時(shí)為冷射流,|Ar|<0.001時(shí),忽略射流軸的彎曲按等溫射流計(jì)算。4量難以實(shí)現(xiàn)量難CFD技術(shù)在室內(nèi)熱環(huán)境中的應(yīng)用是基于對(duì)室內(nèi)不可壓縮氣體質(zhì)量、動(dòng)量、能量守恒微分方程的離散化處理及其數(shù)值解析。本文是一個(gè)紊流的三維穩(wěn)定流場(chǎng)流動(dòng)問(wèn)題,基于空氣紊流特性的微觀解析,采用Launder及Spalding等提出的一種平均湍流能量模型——k-ε雙方程湍流模型求解方程組。4.1控制矩陣4.1.1為加熱和液體流的開(kāi)口設(shè)定方程式(1)ui值?ρ?t+??xi(ρui)=0(3)?ρ?t+??xi(ρui)=0(3)不可壓縮流體方程簡(jiǎn)化為:?ui?xi=0(4)?ui?xi=0(4)式中ρ——流體密度,kg/m3ui——i方向的速度,m/s(2)壓力值??t(ρui)+??xj(ρuiuj)=-?p?xi+?τij?xj+ρgi+Fi(5)??t(ρui)+??xj(ρuiuj)=??p?xi+?τij?xj+ρgi+Fi(5)τij=μ(?ui?xj+?uj?xi)-23μ?ul?xlδij(6)τij=μ(?ui?xj+?uj?xi)?23μ?ul?xlδij(6)式中τij——應(yīng)力張量μ——分子粘度p——靜壓,Paρgi——i方向的體積力Fi——由熱源、污染源等引起的源項(xiàng)式(6)右邊第二項(xiàng)是體積擴(kuò)散的影響。(3)w/mkkt—能量守恒方程:kt=cpμt/Prt式中k——分子導(dǎo)熱率,W/(m·K)kt——湍流擴(kuò)散引起的導(dǎo)熱率,W/(m·K)Sh——體積熱源μt——湍流粘度Prt——湍流普朗克數(shù),Prt=0.854.1.2gk—湍流模型方程——標(biāo)準(zhǔn)k—ε雙方程模型標(biāo)準(zhǔn)k—ε雙方程模型是湍流動(dòng)能及其擴(kuò)散率的傳輸方程的半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。湍流?dòng)能k方程:ρDkDt=??xi[(μ+μtσk)?k?xi]+Gk+Gb-ρε(8)ρDkDt=??xi[(μ+μtσk)?k?xi]+Gk+Gb?ρε(8)擴(kuò)散率ε方程:ρDεDt=??xi[(μ+μtσε)?ε?xi]+C1εεk(Gk+C3εGb)-C2ερε2k(9)ρDεDt=??xi[(μ+μtσε)?ε?xi]+C1εεk(Gk+C3εGb)?C2ερε2k(9)μt=ρCμk2εμt=ρCμk2ε式中Gk——平均速度梯度產(chǎn)生的湍流動(dòng)能Gk=-ρˉu′iu′j?uj?uiGb——浮力產(chǎn)生的湍流動(dòng)能Gb=βgiμtΡrt?Τ?xiβ——熱膨脹系數(shù)β=-1ρ(?ρ?Τ)pσk,σε——k,ε的湍流普朗克數(shù)模型常數(shù)分別為:C1ε=1.44,C2ε=1.92,C3ε=1,Cμ=0.09,σk=1.0,σε=1.34.2數(shù)值模擬方程的離散格式本文中,求解主要變量(速度及溫度等)的控制方程都可以表示成以下通用形式:div(ρu?)=div(Γgrad?)+S(10)式中?——通用因變量,代表(u,v,w,T,k,ε,1)ρ——密度u——速度矢量Γ——擴(kuò)散系數(shù)S——源項(xiàng)以式(10)為基礎(chǔ),采用控制容積法進(jìn)行離散,離散后的方程可寫(xiě)成如下的通用形式:ap?=∑nbanb?nb+b(11)式中ap,anb——系數(shù)b——源項(xiàng)nb——下標(biāo),相鄰的網(wǎng)格模擬時(shí)動(dòng)量、壓力方程離散格式是二階迎風(fēng)格式,能量、湍流動(dòng)能及其擴(kuò)散率守恒等方程的離散格式是采用一階迎風(fēng)格式。5比較和分析模擬結(jié)果5.1空調(diào)-空調(diào)非織造布的特點(diǎn)氣流組織設(shè)計(jì),就是在空調(diào)房間內(nèi)合理布置送、回風(fēng)口,組織通風(fēng)空調(diào)室內(nèi)空氣流動(dòng),經(jīng)過(guò)凈化和熱濕處理的空氣送入室內(nèi),在擴(kuò)散與混合的過(guò)程中,均勻地消除室內(nèi)余熱余濕,從而使工作地區(qū)具有舒適和滿(mǎn)意的空氣分布,如均勻而穩(wěn)定的溫度、濕度、氣流速度和潔凈度,同時(shí)保證較低的空調(diào)能耗和良好的室內(nèi)空氣品質(zhì),以滿(mǎn)足生產(chǎn)工藝和人體舒適的要求。本文側(cè)重比較工作區(qū)風(fēng)速、空調(diào)區(qū)與非空調(diào)區(qū)垂直溫度、熱舒適評(píng)價(jià)PMV-PPD指標(biāo)和典型斷面流場(chǎng)。模擬結(jié)果如圖2～5所示。(1)按工況區(qū)分控制風(fēng)速分別在距地面0.3m、0.6m、0.9m、1.2m、1.5m、2m高處選取橫截面,其速度值代表工作區(qū)的速度值,可見(jiàn)工作區(qū)內(nèi)速度絕大部分在0.3m/s以下,符合GBJ19—1987《采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定舒適性空調(diào)室內(nèi)風(fēng)速≤0.3m/s,距噴口7～13m區(qū)域超出規(guī)范規(guī)定值,在0.3～0.5m/s之間。出現(xiàn)風(fēng)速略高的原因是在7～13m區(qū)域理論計(jì)算射流垂直落差接近2m,速度未能完全衰減。兩側(cè)對(duì)噴射流,因此模擬結(jié)果有一定對(duì)稱(chēng)性。(2)垂直高度溫度分層限制圖3(a)選取不同射程即距噴口分別為2.7m、5.4m、10.8m、16.2m、21.6m、27m典型斷面比較垂直方向溫度,高6m處有明顯分界線(xiàn),6m以下溫度接近或低于26℃,能夠保證工作區(qū)設(shè)計(jì)溫度;高度為6～14m處溫度緩慢升高,高度為14～18m處溫度線(xiàn)性陡增到36℃。圖3(b)選取不同高度橫截面比較垂直方向溫差,空調(diào)區(qū)溫度穩(wěn)定在設(shè)計(jì)溫度,非空調(diào)區(qū)隨著高度增加溫差增大。圖3(a)、(b)均表明分層空調(diào)垂直高度溫度分層特點(diǎn)。非空調(diào)空間溫度越低,越浪費(fèi)能源。分層空調(diào)在空調(diào)區(qū)溫度保證設(shè)計(jì)要求,非空調(diào)區(qū)溫度高于設(shè)計(jì)溫度,具有節(jié)能效果。(3)ppd-pmv值ISO7730標(biāo)準(zhǔn)對(duì)PMV-PPD指標(biāo)的推薦值:PPD<10%,-0.5<PMV<+0.5;根據(jù)ISO7730標(biāo)準(zhǔn),從事輕勞動(dòng)最舒適溫度為23℃,對(duì)應(yīng)PPD=5%,PMV=0。模擬結(jié)果:圖4(a)是不同射程斷面PPD值比較,工作區(qū)10%<PPD<20%;圖4(b)是不同射程斷面PMV值比較,工作區(qū)-0.12<PPD<0.8。模擬結(jié)果均高于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍,但與PPD-PMV的關(guān)系完全吻合。超標(biāo)的原因是設(shè)計(jì)溫度(26℃)高于標(biāo)準(zhǔn)推薦最舒適溫度。(4)氣流移動(dòng)不穩(wěn)定機(jī)理Z=5m斷面距噴口中心0.4m,斷面風(fēng)速矢量圖表明射流跡線(xiàn)趨勢(shì),空調(diào)區(qū)形成氣流運(yùn)動(dòng)漩渦,左右對(duì)稱(chēng),中心氣流受屋頂排風(fēng)扇抽吸作用向上運(yùn)動(dòng),非空調(diào)區(qū)熱氣流受浮升力向上升;Z=7.2m斷面距下側(cè)回風(fēng)口0.2m,斷面速度矢量圖表明在工作區(qū)有部分回流渦流,在空調(diào)區(qū)上部亦有部分回流渦流,在非空調(diào)區(qū)氣流上升運(yùn)動(dòng)。5.2分層空調(diào)改進(jìn)方案與現(xiàn)狀全室空調(diào)系統(tǒng)比較全空間空調(diào)夏季冷負(fù)荷設(shè)為100%;分層空調(diào)夏季空調(diào)冷負(fù)荷經(jīng)驗(yàn)值為全室空調(diào)冷負(fù)荷50%～85%,該展廳分層空調(diào)改進(jìn)方案與現(xiàn)狀全室空調(diào)系統(tǒng)相比較,模擬計(jì)算分層空調(diào)冷負(fù)荷為69.3%,送風(fēng)量降低1/3,即減少1臺(tái)空調(diào)機(jī)組。為保證改進(jìn)方案空調(diào)區(qū)室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度和氣流組織與現(xiàn)狀一致,經(jīng)有限次改變送風(fēng)溫差及送風(fēng)速度,得到經(jīng)濟(jì)送風(fēng)速度和送風(fēng)溫差。