四種大空間空調(diào)方式的比較

1、高大空間四種氣流組織的比較李琳1楊洪海2中國海誠工程科技股份有限公司上海東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院摘要：高大空間建筑常采用的有四種，即分層空調(diào)、置換通風(fēng)、地板送風(fēng)以及碰撞射流。本文以一航站樓為工程案例，借助FLUENT軟件，對這四種室內(nèi)氣流組織進(jìn)行模擬計(jì)算，比較各自的氣流分布特性及送風(fēng)能耗，為高大空間空調(diào)系統(tǒng)室內(nèi)熱環(huán)境的改善和節(jié)能提供依據(jù)。關(guān)鍵詞：高大空間空調(diào)方式氣流組織數(shù)值模擬ComparisonofFourKindsofAirConditioningSystemsinaBuildingwithHighandLargeSpaceLILin1,YANGHong-hai21ChinaHaisum

2、EngineeringCo.Ltd.2SchoolofEnvironmentalScienceandEngineering,DonghuaUniversityAbstract:Fourkindsofairconditioningsystems,i.e.stratificatedairconditioning,displacementventilation,under-floorairdistributionandimpingingjetventilation,areusuallyadoptedinthebuildingswithlargeandhighspace.Here,theTermina

3、lofAirportwasselectedasanexample,tocomparetheircharactersofindoorairdistributionandenergyconsumingforventilation,bymeansofnumericalsimulationwithFLUENTsoftware.Theresultsareusefultoimprovetheindoorthermalenvironmentandenergysavingforbuildingswithhighandlargespace.Keyword:highandlargespace,airconditi

4、oningsystem,airdistribution,numericalsimulation收稿日期：2011-10-10作者簡介：李琳（1985）,女,碩士,工程師；上海徐匯區(qū)寶慶路21號2408室（200031）;E-mail: HYPERLINK mailto:lilin851124 lilin8511240引言對于體育館、影劇院、會堂、高大廠房等高大空間建筑，有體積大、空調(diào)負(fù)荷大、能源消耗量大、對空調(diào)質(zhì)量要求高等特點(diǎn)，使得大空間建筑內(nèi)的氣流組織方式和空調(diào)節(jié)能問題尤顯重要。目前大空間氣流組織多采用分層空調(diào)12、置換通風(fēng)34、地板送風(fēng)56及碰撞射流78，如圖1所示。其中，分層空調(diào)以送風(fēng)口

5、為分層面，將高大空間建筑在垂直方向分為空調(diào)區(qū)域和非空調(diào)區(qū)域；置換通風(fēng)依靠密度差所產(chǎn)生的壓差為動力來實(shí)現(xiàn)室內(nèi)空氣的置換，主導(dǎo)氣流是由室內(nèi)熱源所控制的；地板送風(fēng)將經(jīng)處理后的空氣由地板下的靜壓箱和送風(fēng)散流器從下至上送入房間，與室內(nèi)空氣混合，消除余熱余濕后從房間頂部排風(fēng)口排出；碰撞射流通風(fēng)通過噴口將具有較高動量的空氣在距地面一定距離處向下送到地面，氣流碰撞到地面時(shí)動量急劇衰減并向四周擴(kuò)散，但仍有足夠的動量到達(dá)較遠(yuǎn)的地方來改善室內(nèi)空氣質(zhì)量，克服了置換通風(fēng)有些地方氣流無法到達(dá)的缺點(diǎn)。(a)分層空調(diào)(b)置換通風(fēng)(c)地板送風(fēng)(d)碰撞射流圖1大空間四種空調(diào)方式示意圖對于高大空間空調(diào)系統(tǒng)的氣流組織設(shè)計(jì)，目前

6、尚無成熟的理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)論，主要研究手段是將氣流分析和數(shù)值模擬相結(jié)合9。采用氣流數(shù)值模擬方法，可以綜合考慮室內(nèi)各種可能的內(nèi)擾、邊界條件和初始條件等，全面反映室內(nèi)氣流分布情況，便于確定最優(yōu)氣流組織方案。1計(jì)算區(qū)域及設(shè)計(jì)參數(shù)如圖2所示為某航站樓一層大廳，包括行李提取廳和迎客廳，建筑結(jié)構(gòu)南北對稱，計(jì)算區(qū)域選取北邊一半，計(jì)算區(qū)域?qū)痈呒s12m,占地面積約7450m2，屬高大空間建筑。圖2計(jì)算區(qū)域計(jì)算區(qū)域按非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分。人員工作區(qū)（高度02m）氣流擾動較大，網(wǎng)格較密，非人員工作區(qū)網(wǎng)格相對稀疏。根據(jù)FLUEN軟件】。11選取RNGk-兩方程紊流模型，近壁面區(qū)域則選用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法，速度-壓力耦合采用SIMP

7、LE算法。邊界條件見表1,照明、設(shè)備及外墻負(fù)荷指標(biāo)均參照原設(shè)計(jì)計(jì)算書選取，其中人員散熱量均布在地面上。為達(dá)到夏季室內(nèi)人員工作區(qū)的要求設(shè)計(jì)溫度25C0.5，參考相關(guān)文獻(xiàn)資料18,計(jì)算得到四種空調(diào)方式各自的設(shè)計(jì)參數(shù)，匯總于表2。表1邊界條件匯總名稱面積（m2）邊界條件類型數(shù)值地板7310常熱流26W/m2照明設(shè)備3700常熱流15W/m2行李轉(zhuǎn)盤設(shè)備1440常熱流15W/m2外墻989常熱流60W/m2內(nèi)墻4177常壁溫28C墻表2設(shè)計(jì)參數(shù)匯總空調(diào)方式分層空調(diào)（噴口高度4m）置換通風(fēng)地板送風(fēng)碰撞射流（噴口高度1m）送風(fēng)口總面積（m2）9.889168.9571.6816送風(fēng)速度（m/s）4100.

8、30.92送風(fēng)溫度（C）16221816相對濕度（）90658090回風(fēng)方式outflowoutflowoutflowoutflow注：在FLUENT中回風(fēng)口設(shè)置成outflow類型。結(jié)果分析3.1垂直溫度分布不同高度上的平均溫度值匯總于圖3?？梢钥闯觯姆N空調(diào)方式都滿足人員工作區(qū)的設(shè)計(jì)溫度25C0.5,且分層效果明顯。其中，分層空調(diào)在噴口4m以下的空調(diào)區(qū)溫度基本呈等溫特性，非空調(diào)區(qū)溫度從分層面起逐漸上升；置換通風(fēng)在02m高度區(qū)間溫度平穩(wěn)，且略低于分層空調(diào)在該區(qū)域的溫度，在2m高度處溫度突增，后溫度緩慢上升；地板送風(fēng)垂直溫度分布基本呈等梯度的逐漸上升；碰撞射流溫度上升較快，梯度較大，從高度2m

9、處起，溫度先急劇升高后緩慢攀升，同比其他3.2垂直速度分布不同高度上的平均速度值匯總于圖4。可以看出，四種空調(diào)方式的速度分布曲線峰值都在靠近地面和房頂處，與這兩個(gè)位置存在較強(qiáng)自然對流有關(guān)，分層空調(diào)的另一個(gè)峰值出現(xiàn)在噴口高度4m處。人員工作區(qū)平均風(fēng)速分別為分層空調(diào)0.5m/s、置換通風(fēng)0.25m/s、地板送風(fēng)0.13m/s、碰撞射流0.3m/s。因此，分層空調(diào)速度值高于推薦指標(biāo)0.3m/s12其它三種空調(diào)方式滿足要求。另外，采用分層空調(diào)方式的垂直速度分布曲線下降較快，在09m高度范圍內(nèi)風(fēng)速明顯高于其他三種空調(diào)方式。圖4垂直速度分布曲線3.3氣流分布特性評價(jià)對氣流組織性能有多種評價(jià)指標(biāo)，如溫度不均

10、勻系數(shù)和速度不均勻系數(shù)，計(jì)算公式如下13：k=u（1）buuu2)式中：K為不均勻系數(shù)；u為多個(gè)測點(diǎn)的平均溫度（或速度）值，為某個(gè)測點(diǎn)的溫度（或速度）,uin為所測點(diǎn)數(shù)。各空調(diào)方式下在FLUENT計(jì)算模型中的1.7m高度工作面上，選取不同的10個(gè)測點(diǎn),計(jì)算得到溫度及風(fēng)速不均勻系數(shù)如表3所示。結(jié)果表明，碰撞射流的速度和溫度的不均勻系數(shù)最小也即氣流分布最均勻。3.4送風(fēng)能耗比較四種空調(diào)方式都能滿足人員工作區(qū)要求的設(shè)計(jì)溫度25C土0.5及相對濕度55%60%,然而，由于各自的送風(fēng)方式、送風(fēng)溫度及氣流組織不同，所需的送風(fēng)量及送風(fēng)負(fù)荷不同12，其中所需風(fēng)量是由各個(gè)進(jìn)風(fēng)口的送風(fēng)速度和風(fēng)口面積相乘累加得到；

11、送風(fēng)負(fù)荷是由所需風(fēng)量和送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)及室內(nèi)工作區(qū)狀態(tài)點(diǎn)的焓差相乘得到。計(jì)算結(jié)果如表3所示?？梢钥闯觯鲎采淞魉栾L(fēng)量最少，地板送風(fēng)其次，而置換通風(fēng)及分層空調(diào)所需風(fēng)量則較大；置換通風(fēng)所需負(fù)荷最少，碰撞射流其次，而地板送風(fēng)及分層空調(diào)所需負(fù)荷最大。表3氣流分布特性評價(jià)及送風(fēng)能耗比較空調(diào)方式速度不均勻系數(shù)K溫度不均勻系數(shù)K所需風(fēng)量(m3/h)送風(fēng)負(fù)荷(kW)分層空調(diào)0.54770.0022287204.41053.08置換通風(fēng)0.45790.0033281610.0375.48地板送風(fēng)0.54810.0023232243.2650.28碰撞射流0.31160.0013130071.6476.92綜上所述，

12、將四種空調(diào)方式下的氣流組織及送風(fēng)能耗等進(jìn)行比較，結(jié)果匯總于表4。表4四種空調(diào)方式綜合比較空調(diào)方式溫度分層效果工作區(qū)風(fēng)速速度均勻性溫度均勻性送風(fēng)能耗碰撞射流好好好較小置換通風(fēng)好較好差小地板送風(fēng)較好差一般一般分層空調(diào)一般一般較好大結(jié)論通過數(shù)值模擬，對該航站樓采用四種大空間空調(diào)方式(即置換通風(fēng)、地板送風(fēng)、分層空調(diào)及碰撞射流)進(jìn)行了氣流組織及節(jié)能性的綜合比較。結(jié)果表明：四種空調(diào)方式都有溫度分層現(xiàn)象，其中碰撞射流分層效果最明顯；分層空調(diào)方式在人員工作區(qū)的風(fēng)速高于推薦指標(biāo)，其它三種空調(diào)方式能滿足設(shè)計(jì)要求；碰撞射流在同一水平高度的風(fēng)速均勻性最好，其次是置換通風(fēng)，地板送風(fēng)最差；碰撞射流在同一水平高度的溫度均勻

13、性最好，其次是分層空調(diào)，置換通風(fēng)最差；置換通風(fēng)的送風(fēng)能耗最小，其次是碰撞射流，分層空調(diào)的送風(fēng)能耗最大。參考文獻(xiàn)鄒月琴，王師白，彭榮，等.分層空調(diào)熱轉(zhuǎn)移負(fù)荷計(jì)算方法的研究J.暖通空調(diào)，1983,(2):11-18鄒月琴，王師白，彭榮，等.分層空調(diào)氣流組織計(jì)算方法的研究J.暖通空調(diào),1983,(3):1-6余院生，張國偉.地板輻射供冷與置換通風(fēng)空調(diào)房間熱環(huán)境模擬與分析J.制冷空調(diào)與電力機(jī)械，2008，(1):11-16李強(qiáng)民.置換通風(fēng)原理、設(shè)計(jì)及應(yīng)用J.暖通空調(diào),2000，30(5):41-46肖瑋，蔡亮.地板送風(fēng)房間的氣流組織與熱舒適性J.工業(yè)建筑,2008,38:41-43FredSBauman.UnderfloorAirDistributionDesignGuideM.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2006李曉冬，董磊.碰撞射流通風(fēng)方式的研究A.見：全國暖通空調(diào)制冷2006年學(xué)術(shù)年會論文集C.2006:68-70董磊.碰撞射流通風(fēng)系統(tǒng)在辦公類建筑中應(yīng)用的探討D.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué),