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CFD模擬及有限元分析在大型氣候?qū)嶒?yàn)室動(dòng)態(tài)負(fù)荷計(jì)算中的應(yīng)用

2021-11-10 10:23:48中國航空規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院有限公司傅建勛劉銀萍
暖通空調(diào) 2021年10期
關(guān)鍵詞:吊頂圍護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)態(tài)

中國航空規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院有限公司 申 劍 傅建勛 劉銀萍

0 引言

負(fù)荷計(jì)算是暖通設(shè)計(jì)的基礎(chǔ),常規(guī)建筑的冷熱負(fù)荷計(jì)算都是基于穩(wěn)態(tài)進(jìn)行的,而對(duì)于氣候?qū)嶒?yàn)室類項(xiàng)目則不適用。氣候?qū)嶒?yàn)室的工藝要求,在指定時(shí)間里室內(nèi)溫度達(dá)到設(shè)定值,這個(gè)過程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)無法達(dá)到穩(wěn)態(tài),所以瞬時(shí)負(fù)荷的計(jì)算無法采用常規(guī)的穩(wěn)態(tài)計(jì)算方法。

關(guān)于非穩(wěn)態(tài)負(fù)荷計(jì)算,秦躍平研究了優(yōu)化的有限體積法計(jì)算方法[1];劉向偉對(duì)多孔介質(zhì)內(nèi)的熱濕耦合傳遞進(jìn)行了非穩(wěn)態(tài)模擬[2];陳艷華采用試算法進(jìn)行了非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱計(jì)算[3];李向前[4]、周娟[5]探討了非穩(wěn)態(tài)傳熱計(jì)算的發(fā)展過程和新的計(jì)算方法。但上述文獻(xiàn)大都基于室外溫度、太陽輻照度等變化進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)負(fù)荷計(jì)算,或分析非穩(wěn)態(tài)計(jì)算中各種參數(shù)的影響因素等,都是從外部條件變化分析對(duì)負(fù)荷變化的影響和計(jì)算方法,未對(duì)整體工程進(jìn)行分析,缺乏實(shí)際工程的應(yīng)用和定量研究,且不適用于氣候?qū)嶒?yàn)室類建筑。本文以某工程為例,進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)計(jì)算研究,并將計(jì)算結(jié)果應(yīng)用于工程中。該工程經(jīng)過1 a運(yùn)行,滿足使用要求。

1 工程概況

該氣候?qū)嶒?yàn)室為房中房,實(shí)驗(yàn)艙尺寸為61.0 m×79.2 m×22.8 m(長(zhǎng)×寬×高),墻體和吊頂采用200 mm厚聚氨酯保溫材料,密度為30 kg/m3,導(dǎo)熱系數(shù)為0.03 W/(m·K),比熱容為1.38 kJ/(kg·K);大門保溫材料為400 mm厚巖棉,密度為80 kg/m3,導(dǎo)熱系數(shù)為0.05 W/(m·K),比熱容為1.22 kJ/(kg·K)。因工程承載的要求,土建確定地坪采用300 mm厚混凝土+300 mm厚泡沫玻璃+300 mm厚混凝土的結(jié)構(gòu)形式,混凝土密度為2 500 kg/m3,導(dǎo)熱系數(shù)為1.74 W/(m·K),比熱容為0.92 kJ/(kg·K);泡沫玻璃密度為120 kg/m3,導(dǎo)熱系數(shù)為0.04 W/(m·K),比熱容為0.80 kJ/(kg·K)。空調(diào)系統(tǒng)采用上送風(fēng)、側(cè)下回風(fēng)的氣流組織,在上部均勻布置噴口,在距地0.2 m處布置2個(gè)回風(fēng)口,見圖1。

圖1 實(shí)驗(yàn)室剖面圖

2 室內(nèi)空氣溫度、圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度模擬

根據(jù)工藝要求,低溫工況要求空態(tài)24 h,室溫由30 ℃降至工作溫度-55 ℃,并維持該工作溫度72 h;高溫工況要求空態(tài)8 h,室溫由10 ℃升至工作溫度74 ℃,并維持12 h。

課題研究是針對(duì)冷熱負(fù)荷分別進(jìn)行的,因受篇幅限制,本文僅對(duì)冷負(fù)荷進(jìn)行分析。研究思路為:1) 采用Fluent軟件進(jìn)行CFD模擬,得到室內(nèi)溫度場(chǎng)的變化情況;2) 根據(jù)計(jì)算結(jié)果,對(duì)墻體、吊頂、大門及地板采用ANSYS軟件通過有限元分析方法進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)分析;3) 根據(jù)圍護(hù)結(jié)構(gòu)每個(gè)時(shí)刻的熱流密度計(jì)算各時(shí)刻的瞬時(shí)冷熱負(fù)荷。

該工程圍護(hù)結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定傳熱過程和室內(nèi)空氣溫度不穩(wěn)定變化過程是耦合的,模擬計(jì)算同時(shí)考慮了這2個(gè)因素。

為便于計(jì)算,將弧形吊頂簡(jiǎn)化為折線形,所建模型見圖2。

圖2 實(shí)驗(yàn)室模型

實(shí)驗(yàn)室內(nèi)空氣流動(dòng)為低速、不可壓縮流體流動(dòng),屬于自然對(duì)流、強(qiáng)迫對(duì)流并存的定常流動(dòng)混合湍流流動(dòng)。數(shù)值模擬根據(jù)實(shí)際物理邊界進(jìn)行了合理簡(jiǎn)化。

1) 固定壁面邊界條件,即固定壁面主要是室內(nèi)的墻壁、天花板、地板等,固定壁面的速度分量為零,溫度邊界條件按照第三類邊界條件給出。

2) 入流和出流邊界條件,即入流邊界條件給出的是入口處的速度、溫度及湍流動(dòng)能和湍流動(dòng)能耗散率等參數(shù),出流邊界條件按照出口單向流動(dòng)考慮。

3) 考慮各圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面之間的輻射換熱。

4) 圍護(hù)結(jié)構(gòu)密閉,不考慮空氣滲漏。

5) 初始條件,給出計(jì)算的初始值。

6) 大門外表面對(duì)流換熱系數(shù)取23 W/(m2·℃),墻體、吊頂外表面對(duì)流換熱系數(shù)取8.7 W/(m2·℃)。

以低溫工況為例。室外條件按夏季設(shè)置,分3個(gè)階段送風(fēng):第1階段送風(fēng)溫度為5 ℃,2 h后進(jìn)入第2階段;第2階段送風(fēng)溫度為-32 ℃,送風(fēng)2 h后進(jìn)入第3階段;第3階段送風(fēng)溫度為-70 ℃??偹惋L(fēng)時(shí)間為24 h。

第1階段送風(fēng)溫度設(shè)定為5 ℃,是考慮到在降溫至冰點(diǎn)前將空氣中的水分除去,避免在送冷風(fēng)時(shí)出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象而影響工作效率或損壞制冷設(shè)備。

為了得到較好的室內(nèi)溫度場(chǎng)、速度場(chǎng),分別按200 000、250 000、300 000 m3/h循環(huán)風(fēng)量進(jìn)行模擬,再選取較合理的風(fēng)量進(jìn)行計(jì)算。

根據(jù)模擬結(jié)果,送風(fēng)量為200 000 m3/h時(shí),工作區(qū)溫度無法在規(guī)定時(shí)間內(nèi)達(dá)到-55 ℃;送風(fēng)量分別為250 000、300 000 m3/h時(shí),室內(nèi)溫度分別達(dá)到-55 ℃和-56 ℃。以300 000 m3/h風(fēng)量為例進(jìn)行模擬,結(jié)果見圖3。

圖3 溫度場(chǎng)分時(shí)截圖(豎向、風(fēng)口處)

在室內(nèi)工作區(qū)選定2個(gè)有代表性的空間點(diǎn)位進(jìn)行溫度跟蹤,其溫度變化情況見圖4。

圖4 工作區(qū)2個(gè)選定點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化曲線

送風(fēng)口下方和實(shí)驗(yàn)室中心地帶溫度隨高度的變化模擬結(jié)果見圖5。

圖5 送風(fēng)階段末期(24 h)實(shí)驗(yàn)室中心附近測(cè)點(diǎn)溫度隨高度變化曲線

從圖4可以看出,在各送風(fēng)階段前期室內(nèi)空氣溫度迅速降低,約30 min后溫降變緩,然后逐漸趨近送風(fēng)溫度,在各送風(fēng)階段末期室內(nèi)空氣溫度場(chǎng)基本均勻一致。

把模擬的室內(nèi)溫度作為輸入條件,進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度模擬。墻體(包括吊頂)、大門、地板各內(nèi)表面溫度變化情況見圖6。

圖6 墻體(吊頂)、大門、地板內(nèi)表面溫度隨時(shí)間變化曲線

從模擬結(jié)果可以看出,圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度在5.5 h內(nèi)變化較大,之后趨緩。各送風(fēng)階段末期圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度見表1。

表1 各送風(fēng)階段末圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度 ℃

3 非穩(wěn)態(tài)負(fù)荷計(jì)算

根據(jù)圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度的變化情況,依據(jù)有限元軟件進(jìn)行熱流密度的計(jì)算,結(jié)果見圖7。

圖7 墻體(吊頂)、大門、地板熱流密度隨時(shí)間變化曲線

在室內(nèi)大通風(fēng)量的情況下,內(nèi)表面對(duì)流換熱系數(shù)較大,對(duì)流熱阻很小,所以在改變系統(tǒng)送風(fēng)溫度后,圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度會(huì)快速變化,而圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部熱阻大,導(dǎo)致其內(nèi)部溫度變化較慢,所以各圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱流密度先增大,5.5 h達(dá)到峰值,然后下降,直至趨于穩(wěn)定。墻體(吊頂)、大門的主要材料是熱容很小的聚氨酯保溫材料或巖棉,所以熱流密度不大,且達(dá)到峰值后迅速下降而后平穩(wěn);地板是熱容較大的鋼筋混凝土,熱流密度非常大,達(dá)到峰值后下降平緩,在計(jì)算時(shí)段末期還處于熱流密度下降階段。各送風(fēng)階段圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱流密度典型時(shí)刻數(shù)值統(tǒng)計(jì)見表2。

表2 各送風(fēng)階段典型時(shí)刻圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱流密度 W/m2

以上模擬主要是針對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行的,在計(jì)算實(shí)驗(yàn)室空調(diào)負(fù)荷時(shí),還需要考慮室內(nèi)空氣的負(fù)荷。在計(jì)算過程中發(fā)現(xiàn),隨著溫度的降低,空氣密度會(huì)增大,體積會(huì)變小,為了維持實(shí)驗(yàn)室內(nèi)壓力平衡,需要向室內(nèi)補(bǔ)充新風(fēng)。所以空氣負(fù)荷包含室內(nèi)原有空氣的冷負(fù)荷和補(bǔ)充的新風(fēng)負(fù)荷。

該實(shí)驗(yàn)室采用轉(zhuǎn)輪除濕,所以按照表冷器不承擔(dān)潛熱負(fù)荷進(jìn)行分析,根據(jù)式(1)可以計(jì)算出各階段的空氣負(fù)荷:

(1)

式中q為空氣負(fù)荷,kW;m為空氣質(zhì)量,kg;Δh為空氣比焓差,kJ/kg;Δt為降溫時(shí)間,s。

第1階段結(jié)束時(shí),空氣干球溫度為10.5 ℃,含濕量d=0.01 g/kg,第1階段的空氣比焓差為24.8 kJ/kg;第2階段結(jié)束時(shí),空氣干球溫度為-18 ℃,含濕量不變,第2階段的空氣比焓差為28.8 kJ/kg;第3階段結(jié)束時(shí),空氣干球溫度為-57 ℃,含濕量不變,第3階段的空氣比焓差為39.4 kJ/kg。

經(jīng)計(jì)算,各階段最大瞬時(shí)動(dòng)態(tài)負(fù)荷見表3。

表3 各送風(fēng)階段所需的最大負(fù)荷 kW

熱負(fù)荷的計(jì)算與冷負(fù)荷的計(jì)算不完全一樣,但計(jì)算路徑一致,本文不對(duì)熱負(fù)荷計(jì)算進(jìn)行贅述。需要注意的是,加熱工況下室內(nèi)空氣因溫度升高、密度減小,實(shí)驗(yàn)過程中一直處于向外排風(fēng)(泄壓)狀態(tài),故空氣負(fù)荷略有減小。

4 結(jié)語

從本文計(jì)算結(jié)果可以看出,氣候?qū)嶒?yàn)室地板負(fù)荷很大,最大負(fù)荷占總負(fù)荷的86%,所以地板對(duì)負(fù)荷的影響最大,對(duì)其需重點(diǎn)考慮。另一個(gè)值得注意的問題是,空氣因?yàn)闇囟茸兓鹈芏茸兓瑥亩鴮?dǎo)致體積變化,在制冷工況時(shí),需要考慮因補(bǔ)充空氣所增加的冷負(fù)荷,同時(shí)要考慮空氣體積變化對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)帶來的壓力變化,應(yīng)采取相應(yīng)的壓力平衡措施。

該氣候?qū)嶒?yàn)室在實(shí)施階段根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行冷熱源選擇,項(xiàng)目經(jīng)過1 a的運(yùn)行,滿足使用要求。說明本文的計(jì)算方法可行且相對(duì)準(zhǔn)確,可供類似項(xiàng)目參考。

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