高大建筑空调气流组织方案研究

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(石家庄铁道大学 机械工程学院, 河北 石家庄 050043)

0 引言

空调能耗日益受到业内人士的关注，预计到2020年建筑能耗将占据全国能源消耗总量的35%左右，其中空调能耗在建筑能耗中所占比例为30%～50%[1]。对于诸如体育馆，影剧院以及现代化工业厂房而言，由于需要空调的区域往往仅限于人员的活动区而非整个空间，因此，如能通过合理的气流组织方式使得人员活动区达到所需的温度，而其余空间与人员活动区存在明显的温度差异，无疑会获得极大的节能效果。以位于北京市的某精密加工车间为例，借助CFD软件研究了高大建筑的分层空调方案，获得了关键的空调气流组织参数，为高大建筑空调的工程设计提供了有益的参考。

1 建筑概况及数值模拟方法简介

图1 建筑特征及风口布置方案

选取的研究对象是位于北京地区的某精密加工厂房，如图1所示。建筑的长、宽、高(图1中的X、Z、Y)为30 m×20 m×18 m，建筑无外窗。采用中部送风的方式沿高度方向分为空调区(下部人员活动区)和非空调区(上部设备区)。在非空调区计算通风负荷，在空调区计算空调冷负荷。空调区域的冷负荷由3部分组成，分别为空调区本身得热形成的冷负荷；射流卷吸作用引起的对流冷负荷；以及由于外墙内表面温度沿高度方向的不同引起的非空调区对空调区的热辐射引起的辐射冷负荷[2]。由于车间为精密流水线装配车间，设备发热量较少，同时人员也较少，因此本次计算的冷负荷主要是围护结构的冷负荷，计算中也仅考虑了围护结构的冷负荷。参考相关资料[3]，计算得出空调区的冷负荷为57 985 W。下部空调送、回风口以及上部通风送、回风口的布置方案如图1所示。通过相关计算最终确定的风口位置、数量及相关风速参数见表1。

数学模型采用标准的两方程紊流模型及SIMPLE算法。边界条件：送风口采用速度进口边界条件，回风口采用出流边界条件，围护结构内壁采用温度边界条件。壁面温度通过建筑的空调室内外计算温度结合保温结构并参照分层空调的热负荷计算方法获得。计算网格采用疏密网格的方式以便在保证计算精度的前提下减少计算节点数，数值模拟过程均已通过网格无关性验证。本文主要研究了夏季送风速度和送风角度对室内温度场和速度场的影响。

表1 气流组织相关参数汇总表

2 送风速度对室内温度场和速度场的影响

在冷负荷不变的前提下，送风口速度和面积直接影响室内的速度场。数值模拟过程选取了L1、L2、L3、L4、L5等5种工况，见表2。

图2、图3为工况L1在x=7.5 m处的风口断面速度矢量图和温度分布图。从图中可以看出，当空调区送风口的送风速度为3.0 m/s时，由于送风速度小，射流的射程短，所以空调送风射流尚未搭接上便流向回风口，未能实现将上部非空调区与下部空调区明显隔断的效果，空调区与非空调区温度分层效果较差。

表2 数值模拟边界条件汇总表

图2 工况L1风口断面速度矢量图( x=7.5 m)

图3 工况L1风口断面温度分布图(x=7.5 m)

图4、图5为工况L5在x=7.5 m处的风口断面速度矢量图和温度分布图。由图4可以看出，当送风速度为5.0 m/s时，因为送风速度过大，所以气流在射流末端仍有很大速度，对冲射流在射流末端碰撞后，一部分转移到非空调区域，另一部分流向下部空调区域。由图5可以看出，空调区与非空调区的温度过渡区明显增厚。由于射流末端碰撞激烈，所以进入非空调区域的冷量较多，不仅导致输送能耗较大，同时温度分布也开始变差。因此，应该避免过高的射流速度。

图4 工况L5风口断面速度矢量图(x=7.5 m)

图5 工况L5风口断面温度分布图(x=7.5 m)

图6、图7为工况L3(L2、L4与L3相似，由于篇幅所限不再赘述) 在x=7.5 m处风口断面的速度矢量图和温度分布图。从图6可以看出，在这个工况下空调送风和通风送风均能按照希望的流动方式进行，机械通风在中上部形成两个明显的漩涡，空调送回风在中下部也形成两个明显的漩涡。空调送风和通风送风两股气流不存在明显交叉的情况，表明上部的热空气未被空调射流卷入空调区。从图7可以看出，沿高度方向存在明显的温度分层，即通风送风口以上温度明显高于空调送风口下部的温度，实现了建筑物内沿高度方向的温度分层。一方面工作区达到了所需的温度，而非工作区几乎没有消耗空调的冷量。在空调区和非空调区存在一个稳定的过渡区。

图6 工况L3风口断面速度矢量图(x=7.5 m)

图7 工况L3风口断面温度分布图(x=7.5 m)

图8 L1～L5工况建筑空间内自下而上的平均温度分布

图8是根据上述5种工况的模拟计算结果整理的，建筑空间内自下而上的平均温度分布图。从图中可以看出，当空调区送风口的送风速度为3.0 m/s时(工况L1)，建筑空间自下而上的平均温度差最小，顶部区域约30 ℃，工作区约27 ℃，工作区与非工作区温差约3 ℃。显然不能很好地实现温度分层，节能效果差。当空调区送风口的送风速度为5.0 m/s时(工况L5)，上下温度分层效果尚可，温差约7.5 ℃，但温度过渡区明显变厚，大约在高度方向5～11 m的范围内，过渡层约7 m。较厚的过渡层同样导致节能效果差。当空调送风速度在3.5～4.5 m/s的范围内，温度过度层厚度约为3 m ，上下层温差约8.5 ℃，建筑室内温度分层效果好，从而节能效果明显。

综上所述，针对所给建筑，空调送风在3.5～4.5 m/s的范围内，气流组织的效果较好，能够实现高大空间的温度分层效果；当送风速度小于3 m/s时，分层效果差；而当送风速度大于5 m/s时，对射气流末端速度过高，不仅输送能耗高，而且还形成了较厚的过渡层，不利于上下区的温度分层。

3 送风角度对室内温度场和速度场的影响

从图6、图7可看出，在空调送风口之上仍存在一定范围的低温区，不利于空调节能。为此，在工况L3的基础上进一步模拟了夏季空调送风角度对温度场的影响。

在夏季分层空调设计方案(L3)的基础之上，通过调整送风角度来获得新工况下的温度场和速度场。工况条件见表3。

表3 空调送风角度对室内温度场速度场的影响

工况L6在x=7.5 m风口断面处的速度矢量和温度分布见图9、图10。建筑空间内自下而上的平均温度分布见图11。

图9 工况L6风口断面x=7.5 m处的速度矢量图

图10 工况L6风口断面x=7.5 m处的温度分布

图11 L3、L6、L7工况建筑空间自下而上的平均温度分布图

比较图7和图10可以看出，当送风角度为15°时，建筑室内温度分布有所改善，主要表现为上部非空调区的高温范围略有增大。从图11可以看出，当送风角度自0°～30°范围内变化时，建筑空间内自下而上的平均温度分布略有变化。但通过分析这一变化范围内工作区的平均风速发现，工作区的平均风速则由0.20 m/s增大到0.45 m/s，这将导致工作区有明显的吹风感，不满足舒适感的要求。可见，对于夏季空调而言，可不考虑空调送风口向下倾斜。

4 结论

(1)对于高大建筑空调实施分层空调的气流组织方式，可以实现明显的上下温度分层，从而达到空调节能的目的。

(2)采用CFD软件可以优化室内气流组织的关键技术参数，可通过数值模拟结果中室内温度场和速度场的可视化工具，为高大建筑空调的气流组织方案提供有益参考。但由于建筑形式和空间大小各不相同，因此除了按相关规范设计外，条件允许时可借助CFD软件进行方案的优化，从而避免工程设计的盲目性和不确定性，达到设计节能的效果。

(3)对于高大建筑空调而言，夏季工况下空调送风口的向下倾斜角对室内温度场影响不大。相反，如果倾斜角过大还会造成工作区过大的风速，因此可采用简单的水平送风方式。

参 考 文 献

[1]朱能,朱天利,仝丁丁,等.我国建筑能耗基准线确定方法探讨[J].暖通空调,2012,40(9):59-64.

[2]黄晨,胡宇.大空间建筑及其相似放大建筑的室内热环境模拟分析[J].流体机械,2012,39(1):76-82.

[3]Beier R A,Gorton R L.Thermal stratification in factories-cooling loads and temperature profiles[J].ASHRAE Transactions,1978，84:325-339.