分层空调在高大空间建筑中的应用

分层空调在高大空间建筑中的应用

1基于cfd技术的大空间建筑空调系统模拟研究近年来，随着计算机容量和高效率的开发，以及计算水流的优化（commercialfluiddynamis，简称rcd），应用cpd技术进行了大空间建筑空调系统的气流组织、可靠性和优化设计方案的应用。本文利用Airpak2.1软件,对天津国际展览中心扩建工程B展厅高大空间建筑分层空调改进方案的热舒适性与气流组织进行了模拟研究,所得研究结论为高大空间类建筑空调系统优化设计、预测气流组织等提供了理论依据和指导方法。由于篇幅有限,本文仅对国际展览中心高大空间建筑分层空调改进方案夏季模拟方法进行了探讨和研究,冬季模拟研究见另文。2空调及回风管道分层空调是指仅对下部区域进行空调,而对上部区域不空调的空调方式。与全室空调相比,夏季可节省冷量30%左右。分层空调适于高大建筑,当高大建筑物高度H≥10m,建筑物体积V>1万m3,空调区高度与建筑高度之比h1/H≤0.5时,才经济合理。天津国际展览中心扩建工程B展厅层高18m,展厅体积V=9.6228万m3,故采用分层空调较为适宜。工作区为高大建筑物所必须保证温湿度参数的区域,展厅为舒适性空调区域,工作区高度取2m。在满足使用要求的前提下,分层高度h1越低越节能:h1=h+y+ha(1)式中h——工作区高度,my——射流垂直落差,mha——安全值,对恒温车间取0.3m,一般舒适性空调可不考虑展厅两侧为5.5～7m高的实体墙,可以架设送风管道,故分层高度取6m(略高于计算确定值)。该展厅采用全空气送风的空调系统;空调区、空调系统、防火分区均独立。室内设计温度为26℃,相对湿度为65%。新风量为51000m3/h,排风量为51000m3/h,送风量为170000m3/h,回风量为119000m3/h;2台空调机组,每台额定风量为85000m3/h。新风与回风混合经表冷器处理后送入展厅。送风管道明装在展厅两侧;回风管道设在地面地沟,位于送风管道同侧下方。喷口中心高度6m,双向对喷(多股平行)射流送风构成了一道水平风幕,以此为界,房间的上部为非空调区,下部为空调区。同时顶棚排风,送风口下部同侧进行回风,使工作区处于较好的回流区,得到较为均匀的速度场和温度场,使之满足展厅的舒适要求。3屋顶喷口、回口考虑计算机内存容量和计算速度,在不影响计算结果的前提下适当简化模型,如图1所示。假设屋顶为平面,模型为高18m(Y方向)、宽54m(X方向)、长99m(Z方向)的长方体。人体负荷按轻劳动强度、环境温度全热设定,人流密度为0.8人/m2,人体模型简化成144组blocks;屋顶、外墙、地面负荷按常热流设定,与其它展厅相邻墙按绝热设定,其壁温为环境温度。在X=0,X=54m的两墙上分别设27个ue07e350mm喷口进行送风,喷口间距为3.6m,中心高度为6m,喷速为9.1m/s,送风温度16℃。回风口每侧设26个,均设在两喷口中间位置下方,面积为0.5m×0.5m;启动屋顶中心排烟风扇(ue07e500mm)6台,排走非空调区废气、废热。展厅是高大空间,近似非等温自由射流,射流与周围介质密度不同,浮力和重力不平衡,射流发生变形,其判据阿基米德数Ar:Ar=gd0(Τ0-Τn)u20Τa(2)Ar=gd0(T0−Tn)u20Ta(2)式中d0——喷口直径,mT0——射流出口温度,KTn——周围空气温度,Ku0——喷口出流的平均速度,m/s当Ar>0时为热射流,Ar<0时为冷射流,|Ar|<0.001时,忽略射流轴的弯曲按等温射流计算。4量难以实现量难CFD技术在室内热环境中的应用是基于对室内不可压缩气体质量、动量、能量守恒微分方程的离散化处理及其数值解析。本文是一个紊流的三维稳定流场流动问题,基于空气紊流特性的微观解析,采用Launder及Spalding等提出的一种平均湍流能量模型——k-ε双方程湍流模型求解方程组。4.1控制矩阵4.1.1为加热和液体流的开口设定方程式(1)ui值∂ρ∂t+∂∂xi(ρui)=0(3)∂ρ∂t+∂∂xi(ρui)=0(3)不可压缩流体方程简化为:∂ui∂xi=0(4)∂ui∂xi=0(4)式中ρ——流体密度,kg/m3ui——i方向的速度,m/s(2)压力值∂∂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——应力张量μ——分子粘度p——静压,Paρgi——i方向的体积力Fi——由热源、污染源等引起的源项式(6)右边第二项是体积扩散的影响。(3)w/mkkt—能量守恒方程:kt=cpμt/Prt式中k——分子导热率,W/(m·K)kt——湍流扩散引起的导热率,W/(m·K)Sh——体积热源μt——湍流粘度Prt——湍流普朗克数,Prt=0.854.1.2gk—湍流模型方程——标准k—ε双方程模型标准k—ε双方程模型是湍流动能及其扩散率的传输方程的半经验模型。湍流动能k方程:ρDkDt=∂∂xi[(μ+μtσk)∂k∂xi]+Gk+Gb-ρε(8)ρDkDt=∂∂xi[(μ+μtσk)∂k∂xi]+Gk+Gb−ρε(8)扩散率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——平均速度梯度产生的湍流动能Gk=-ρ¯u´iu´j∂uj∂uiGb——浮力产生的湍流动能Gb=βgiμtΡrt∂Τ∂xiβ——热膨胀系数β=-1ρ(∂ρ∂Τ)pσk,σε——k,ε的湍流普朗克数模型常数分别为:C1ε=1.44,C2ε=1.92,C3ε=1,Cμ=0.09,σk=1.0,σε=1.34.2数值模拟方程的离散格式本文中,求解主要变量(速度及温度等)的控制方程都可以表示成以下通用形式:div(ρuϕ)=div(Γgradϕ)+S(10)式中ϕ——通用因变量,代表(u,v,w,T,k,ε,1)ρ——密度u——速度矢量Γ——扩散系数S——源项以式(10)为基础,采用控制容积法进行离散,离散后的方程可写成如下的通用形式:apϕ=∑nbanbϕnb+b(11)式中ap,anb——系数b——源项nb——下标,相邻的网格模拟时动量、压力方程离散格式是二阶迎风格式,能量、湍流动能及其扩散率守恒等方程的离散格式是采用一阶迎风格式。5比较和分析模拟结果5.1空调-空调非织造布的特点气流组织设计,就是在空调房间内合理布置送、回风口,组织通风空调室内空气流动,经过净化和热湿处理的空气送入室内,在扩散与混合的过程中,均匀地消除室内余热余湿,从而使工作地区具有舒适和满意的空气分布,如均匀而稳定的温度、湿度、气流速度和洁净度,同时保证较低的空调能耗和良好的室内空气品质,以满足生产工艺和人体舒适的要求。本文侧重比较工作区风速、空调区与非空调区垂直温度、热舒适评价PMV-PPD指标和典型断面流场。模拟结果如图2～5所示。(1)按工况区分控制风速分别在距地面0.3m、0.6m、0.9m、1.2m、1.5m、2m高处选取横截面,其速度值代表工作区的速度值,可见工作区内速度绝大部分在0.3m/s以下,符合GBJ19—1987《采暖通风与空气调节设计规范》规定舒适性空调室内风速≤0.3m/s,距喷口7～13m区域超出规范规定值,在0.3～0.5m/s之间。出现风速略高的原因是在7～13m区域理论计算射流垂直落差接近2m,速度未能完全衰减。两侧对喷射流,因此模拟结果有一定对称性。(2)垂直高度温度分层限制图3(a)选取不同射程即距喷口分别为2.7m、5.4m、10.8m、16.2m、21.6m、27m典型断面比较垂直方向温度,高6m处有明显分界线,6m以下温度接近或低于26℃,能够保证工作区设计温度;高度为6～14m处温度缓慢升高,高度为14～18m处温度线性陡增到36℃。图3(b)选取不同高度横截面比较垂直方向温差,空调区温度稳定在设计温度,非空调区随着高度增加温差增大。图3(a)、(b)均表明分层空调垂直高度温度分层特点。非空调空间温度越低,越浪费能源。分层空调在空调区温度保证设计要求,非空调区温度高于设计温度,具有节能效果。(3)ppd-pmv值ISO7730标准对PMV-PPD指标的推荐值:PPD<10%,-0.5<PMV<+0.5;根据ISO7730标准,从事轻劳动最舒适温度为23℃,对应PPD=5%,PMV=0。模拟结果:图4(a)是不同射程断面PPD值比较,工作区10%<PPD<20%;图4(b)是不同射程断面PMV值比较,工作区-0.12<PPD<0.8。模拟结果均高于标准规定范围,但与PPD-PMV的关系完全吻合。超标的原因是设计温度(26℃)高于标准推荐最舒适温度。(4)气流移动不稳定机理Z=5m断面距喷口中心0.4m,断面风速矢量图表明射流迹线趋势,空调区形成气流运动漩涡,左右对称,中心气流受屋顶排风扇抽吸作用向上运动,非空调区热气流受浮升力向上升;Z=7.2m断面距下侧回风口0.2m,断面速度矢量图表明在工作区有部分回流涡流,在空调区上部亦有部分回流涡流,在非空调区气流上升运动。5.2分层空调改进方案与现状全室空调系统比较全空间空调夏季冷负荷设为100%;分层空调夏季空调冷负荷经验值为全室空调冷负荷50%～85%,该展厅分层空调改进方案与现状全室空调系统相比较,模拟计算分层空调冷负荷为69.3%,送风量降低1/3,即减少1台空调机组。为保证改进方案空调区室内设计温度和气流组织与现状一致,经有限次改变送风温差及送风速度,得到经济送风速度和送风温差。