一種大空間分層空調(diào)-設(shè)計(jì)方式及其應(yīng)用

1、一種大空間分層空調(diào)-設(shè)計(jì)方式及其應(yīng)用            摘要：本文探討并應(yīng)用了一種基于多區(qū)熱質(zhì)平衡模型的分層空調(diào)設(shè)計(jì)方法。多區(qū)熱質(zhì)平衡模型包括多股射流速度重合與流量、垂直壁面換熱與流動(dòng)、表面熱平衡、區(qū)域熱質(zhì)平衡等子模型。該方法從研究多股平行非等溫射流的特性以及大空間垂直溫度分布特點(diǎn)入手，其計(jì)算條件為相應(yīng)的室外計(jì)算參數(shù)、空間幾何尺寸、圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱特性以及內(nèi)部已知散熱源，計(jì)算過程包含了傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射的三傳耦合。通過模型的求解，可以得出相應(yīng)的設(shè)計(jì)參數(shù)，如空調(diào)負(fù)荷、空調(diào)送風(fēng)量、

2、噴口的尺寸與數(shù)量等。在穩(wěn)態(tài)條件假設(shè)下，與原有的分層空調(diào)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了比較，指出了原有方法的不足之處。 關(guān)鍵詞：熱質(zhì)平衡模型 分層空調(diào) 穩(wěn)態(tài)假設(shè) 1 分層空調(diào)技術(shù)背景1.1 技術(shù)發(fā)展近年來，大空間建筑在工業(yè)和民用場(chǎng)合出現(xiàn)越來越多，分層空調(diào)技術(shù)在各類大空間建筑中應(yīng)用也更加廣泛。分層空調(diào)作為一種特殊的氣流方式，于20世紀(jì)60年代最早出現(xiàn)在美國(guó)，后又在日本、中國(guó)等開始大量應(yīng)用1。分層空調(diào)一般可以定義為：在大空間兩側(cè)或單側(cè)腰部設(shè)置送風(fēng)噴口，下部同側(cè)均勻設(shè)置回風(fēng)口，運(yùn)用多股平行非等溫射流將空間隔斷為上下兩部分，僅對(duì)下部空調(diào)，形成“空調(diào)區(qū)”，對(duì)上部通風(fēng)形成“非空調(diào)區(qū)”。國(guó)外學(xué)者曾對(duì)分層空調(diào)氣流進(jìn)行了模型試驗(yàn)

3、，并試圖對(duì)分層空調(diào)進(jìn)行理論解析，但其結(jié)論很難應(yīng)用于實(shí)際工程2。20世紀(jì)80年代，中國(guó)建筑科學(xué)研究院對(duì)分層空調(diào)進(jìn)行了大量的模型試驗(yàn)，提出了“分層空調(diào)氣流組織計(jì)算方法”、“分層空調(diào)熱轉(zhuǎn)移負(fù)荷計(jì)算方法”等2, 3，成為目前國(guó)內(nèi)大空間建筑分層空調(diào)設(shè)計(jì)的主要參考依據(jù)。此后，又有人采用CFD技術(shù)、簡(jiǎn)易能量平衡模型等手段對(duì)分層空調(diào)橫向隔斷氣流以及室內(nèi)溫度分布進(jìn)行了研究，特別是對(duì)垂直溫度分布特點(diǎn)的研究已成為進(jìn)一步解決大空間建筑節(jié)能和良好熱舒適環(huán)境的重要途徑，文獻(xiàn)4結(jié)合國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，綜述了近些年CFD模型、能量平衡法、實(shí)驗(yàn)手段等方面的重要進(jìn)展。1.2 存在問題就目前來看，關(guān)于多股平行非等溫射流的理論已較為成熟

4、，從實(shí)驗(yàn)、解析到數(shù)值模擬都有一些研究成果2, 5, 6。然而，對(duì)于分層空調(diào)氣流下負(fù)荷的解析計(jì)算以及能耗的分析還有待進(jìn)一步的深入研究。文獻(xiàn)2,3雖然系統(tǒng)給出了分層空調(diào)的設(shè)計(jì)方法和過程，但仍然缺乏理論依據(jù)，有不少地方是值得商榷的，比如，在確定非空調(diào)區(qū)溫度時(shí)，采用以下方法： 為空調(diào)區(qū)計(jì)算溫度，由工藝確定；為屋蓋下空氣溫度或排風(fēng)溫度，取室外計(jì)算溫度附加2"3 oC。實(shí)際上，非空調(diào)區(qū)的溫度是隨室內(nèi)外條件而變化的，并不是定值，其取值范圍只能適用于某些情況，再者讓工程人員在設(shè)計(jì)過程中憑經(jīng)驗(yàn)人為取值也是不合理的。另外，為了計(jì)算非空調(diào)區(qū)對(duì)空調(diào)區(qū)的輻射熱轉(zhuǎn)移負(fù)荷，文獻(xiàn)3采用下式確定圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度：為

5、圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度；或?yàn)榫C合溫差；為內(nèi)表面換熱系數(shù)，可取8.72 W·m-2·K-1。可以看出，在確定某一個(gè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度時(shí)，該方法將對(duì)流和輻射換熱概括到一個(gè)表面換熱系數(shù)中，從理論上看，把與所有其它圍護(hù)結(jié)構(gòu)輻射換熱簡(jiǎn)化為與室內(nèi)空氣的當(dāng)量熱交換，且只考慮非空調(diào)區(qū)對(duì)空調(diào)區(qū)表面的輻射熱交換，將整個(gè)非空調(diào)區(qū)高度范圍內(nèi)的表面溫度看成一個(gè)單值，都是不合理的?？傮w來說，該設(shè)計(jì)方法完全來自于模型試驗(yàn)，缺乏相應(yīng)的理論解析，其適用性應(yīng)該是有限制的，且計(jì)算過程也比較麻煩。因此，建立一個(gè)完整的基于區(qū)域與表面能量平衡的理論模型，并借助于計(jì)算機(jī)程序，拋棄對(duì)未知條件的假設(shè)、保留試驗(yàn)結(jié)果的合理性因素，

6、對(duì)于分層空調(diào)技術(shù)應(yīng)用是大有裨益的。2 多區(qū)熱質(zhì)平衡模型為了研究大空間熱環(huán)境，國(guó)外學(xué)者相繼提出了一室二溫、三溫、多溫等模型4，并逐漸考慮了空氣流動(dòng)交換、送風(fēng)射流作用等因素，通過垂直分布來求解模型并進(jìn)行分析。其中最為完善的是日本學(xué)者戶河里敏的BLOCK模型7。這一模型核心就是多區(qū)熱量/質(zhì)量的平衡，它已經(jīng)得到大量檢驗(yàn)，以于1993年正式被日本空氣調(diào)和衛(wèi)生工學(xué)會(huì)空氣調(diào)和設(shè)備委員會(huì)熱負(fù)荷法小委員會(huì)推薦，作為大空間建筑室內(nèi)垂直溫度分布和熱負(fù)荷計(jì)算方法4。BLOCK多區(qū)熱質(zhì)平衡模型中已經(jīng)考慮了送風(fēng)射流的影響，但是，其射流模型只包含冬、夏季的單股射流、沒有考慮相互重合下的多股平行射流。此外，模型中對(duì)流換熱系數(shù)

7、取為定值，不能體現(xiàn)空氣溫度與表面溫度的關(guān)聯(lián)性；輻射熱交換因素沒有被引入到表面熱平衡；圍護(hù)結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱不考慮，需要測(cè)出表面溫度的分布才能計(jì)算。本文在BLOCK模型基礎(chǔ)上，建立了一個(gè)多區(qū)熱質(zhì)平衡模型，包括多股射流速度重合與流量、表面熱平衡、垂直壁面換熱與流動(dòng)、區(qū)域熱質(zhì)平衡等子模型，計(jì)算過程包含了傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射的三傳耦合。    2007-04-21        （3）式中，ei為系數(shù)，分別地e1=7.690×10-1，e2=5.310×10-2，e3=-5.347×10-4，e4=2.514×10-5，e5=-0.454×10-9；s是指多股射流的射程，通過多股射流的軌跡方程積分得到；L是指相鄰兩股射流的軸心間距的一半，即相鄰兩個(gè)射流噴口的半間距。然后，推導(dǎo)出了多股射流的流量計(jì)算公式（減去送風(fēng)量就是卷吸流量）5：, R為送風(fēng)速度；（6）式中，g0=1.966×10-2，g