分層空調在高大空間建筑中的應用

分層空調在高大空間建筑中的應用

1基于cfd技術的大空間建筑空調系統(tǒng)模擬研究近年來，隨著計算機容量和高效率的開發(fā)，以及計算水流的優(yōu)化（commercialfluiddynamis，簡稱rcd），應用cpd技術進行了大空間建筑空調系統(tǒng)的氣流組織、可靠性和優(yōu)化設計方案的應用。本文利用Airpak2.1軟件,對天津國際展覽中心擴建工程B展廳高大空間建筑分層空調改進方案的熱舒適性與氣流組織進行了模擬研究,所得研究結論為高大空間類建筑空調系統(tǒng)優(yōu)化設計、預測氣流組織等提供了理論依據(jù)和指導方法。由于篇幅有限,本文僅對國際展覽中心高大空間建筑分層空調改進方案夏季模擬方法進行了探討和研究,冬季模擬研究見另文。2空調及回風管道分層空調是指僅對下部區(qū)域進行空調,而對上部區(qū)域不空調的空調方式。與全室空調相比,夏季可節(jié)省冷量30%左右。分層空調適于高大建筑,當高大建筑物高度H≥10m,建筑物體積V>1萬m3,空調區(qū)高度與建筑高度之比h1/H≤0.5時,才經(jīng)濟合理。天津國際展覽中心擴建工程B展廳層高18m,展廳體積V=9.6228萬m3,故采用分層空調較為適宜。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,展廳為舒適性空調區(qū)域,工作區(qū)高度取2m。在滿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,對恒溫車間取0.3m,一般舒適性空調可不考慮展廳兩側為5.5～7m高的實體墻,可以架設送風管道,故分層高度取6m(略高于計算確定值)。該展廳采用全空氣送風的空調系統(tǒng);空調區(qū)、空調系統(tǒng)、防火分區(qū)均獨立。室內設計溫度為26℃,相對濕度為65%。新風量為51000m3/h,排風量為51000m3/h,送風量為170000m3/h,回風量為119000m3/h;2臺空調機組,每臺額定風量為85000m3/h。新風與回風混合經(jīng)表冷器處理后送入展廳。送風管道明裝在展廳兩側;回風管道設在地面地溝,位于送風管道同側下方。噴口中心高度6m,雙向對噴(多股平行)射流送風構成了一道水平風幕,以此為界,房間的上部為非空調區(qū),下部為空調區(qū)。同時頂棚排風,送風口下部同側進行回風,使工作區(qū)處于較好的回流區(qū),得到較為均勻的速度場和溫度場,使之滿足展廳的舒適要求。3屋頂噴口、回口考慮計算機內存容量和計算速度,在不影響計算結果的前提下適當簡化模型,如圖1所示。假設屋頂為平面,模型為高18m(Y方向)、寬54m(X方向)、長99m(Z方向)的長方體。人體負荷按輕勞動強度、環(huán)境溫度全熱設定,人流密度為0.8人/m2,人體模型簡化成144組blocks;屋頂、外墻、地面負荷按常熱流設定,與其它展廳相鄰墻按絕熱設定,其壁溫為環(huán)境溫度。在X=0,X=54m的兩墻上分別設27個ue07e350mm噴口進行送風,噴口間距為3.6m,中心高度為6m,噴速為9.1m/s,送風溫度16℃?；仫L口每側設26個,均設在兩噴口中間位置下方,面積為0.5m×0.5m;啟動屋頂中心排煙風扇(ue07e500mm)6臺,排走非空調區(qū)廢氣、廢熱。展廳是高大空間,近似非等溫自由射流,射流與周圍介質密度不同,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——周圍空氣溫度,Ku0——噴口出流的平均速度,m/s當Ar>0時為熱射流,Ar<0時為冷射流,|Ar|<0.001時,忽略射流軸的彎曲按等溫射流計算。4量難以實現(xiàn)量難CFD技術在室內熱環(huán)境中的應用是基于對室內不可壓縮氣體質量、動量、能量守恒微分方程的離散化處理及其數(shù)值解析。本文是一個紊流的三維穩(wěn)定流場流動問題,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口設定方程式(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式(6)右邊第二項是體積擴散的影響。(3)w/mkkt—能量守恒方程:kt=cpμt/Prt式中k——分子導熱率,W/(m·K)kt——湍流擴散引起的導熱率,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——標準k—ε雙方程模型標準k—ε雙方程模型是湍流動能及其擴散率的傳輸方程的半經(jīng)驗模型。湍流動能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——平均速度梯度產生的湍流動能Gk=-ρˉu′iu′j?uj?uiGb——浮力產生的湍流動能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?！獢U散系數(shù)S——源項以式(10)為基礎,采用控制容積法進行離散,離散后的方程可寫成如下的通用形式:ap?=∑nbanb?nb+b(11)式中ap,anb——系數(shù)b——源項nb——下標,相鄰的網(wǎng)格模擬時動量、壓力方程離散格式是二階迎風格式,能量、湍流動能及其擴散率守恒等方程的離散格式是采用一階迎風格式。5比較和分析模擬結果5.1空調-空調非織造布的特點氣流組織設計,就是在空調房間內合理布置送、回風口,組織通風空調室內空氣流動,經(jīng)過凈化和熱濕處理的空氣送入室內,在擴散與混合的過程中,均勻地消除室內余熱余濕,從而使工作地區(qū)具有舒適和滿意的空氣分布,如均勻而穩(wěn)定的溫度、濕度、氣流速度和潔凈度,同時保證較低的空調能耗和良好的室內空氣品質,以滿足生產工藝和人體舒適的要求。本文側重比較工作區(qū)風速、空調區(qū)與非空調區(qū)垂直溫度、熱舒適評價PMV-PPD指標和典型斷面流場。模擬結果如圖2～5所示。(1)按工況區(qū)分控制風速分別在距地面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,可見工作區(qū)內速度絕大部分在0.3m/s以下,符合GBJ19—1987《采暖通風與空氣調節(jié)設計規(guī)范》規(guī)定舒適性空調室內風速≤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)風速略高的原因是在7～13m區(qū)域理論計算射流垂直落差接近2m,速度未能完全衰減。兩側對噴射流,因此模擬結果有一定對稱性。(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,6m以下溫度接近或低于26℃,能夠保證工作區(qū)設計溫度;高度為6～14m處溫度緩慢升高,高度為14～18m處溫度線性陡增到36℃。圖3(b)選取不同高度橫截面比較垂直方向溫差,空調區(qū)溫度穩(wěn)定在設計溫度,非空調區(qū)隨著高度增加溫差增大。圖3(a)、(b)均表明分層空調垂直高度溫度分層特點。非空調空間溫度越低,越浪費能源。分層空調在空調區(qū)溫度保證設計要求,非空調區(qū)溫度高于設計溫度,具有節(jié)能效果。(3)ppd-pmv值ISO7730標準對PMV-PPD指標的推薦值:PPD<10%,-0.5<PMV<+0.5;根據(jù)ISO7730標準,從事輕勞動最舒適溫度為23℃,對應PPD=5%,PMV=0。模擬結果: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。模擬結果均高于標準規(guī)定范圍,但與PPD-PMV的關系完全吻合。超標的原因是設計溫度(26℃)高于標準推薦最舒適溫度。(4)氣流移動不穩(wěn)定機理Z=5m斷面距噴口中心0.4m,斷面風速矢量圖表明射流跡線趨勢,空調區(qū)形成氣流運動漩渦,左右對稱,中心氣流受屋頂排風扇抽吸作用向上運動,非空調區(qū)熱氣流受浮升力向上升;Z=7.2m斷面距下側回風口0.2m,斷面速度矢量圖表明在工作區(qū)有部分回流渦流,在空調區(qū)上部亦有部分回流渦流,在非空調區(qū)氣流上升運動。5.2分層空調改進方案與現(xiàn)狀全室空調系統(tǒng)比較全空間空調夏季冷負荷設為100%;分層空調夏季空調冷負荷經(jīng)驗值為全室空調冷負荷50%～85%,該展廳分層空調改進方案與現(xiàn)狀全室空調系統(tǒng)相比較,模擬計算分層空調冷負荷為69.3%,送風量降低1/3,即減少1臺空調機組。為保證改進方案空調區(qū)室內設計溫度和氣流組織與現(xiàn)狀一致,經(jīng)有限次改變送風溫差及送風速度,得到經(jīng)濟送風速度和送風溫差。