舒海文 馬天馳 高 進

(1.大連理工大學(xué),大連;2.大連理工大學(xué)土木建筑設(shè)計研究院有限公司,大連)

0 引言

空調(diào)系統(tǒng)能耗占建筑總能耗的30%～50%[1],設(shè)計不當(dāng)容易造成較大的能源浪費。大跨度公共建筑經(jīng)常采用噴口送風(fēng)空調(diào)設(shè)計方案,存在空調(diào)區(qū)局部冷熱不均、豎直溫差較大、吹風(fēng)感明顯等問題[2]。工程中,傳統(tǒng)氣流組織設(shè)計方法是按照射流經(jīng)驗公式[3]計算工作區(qū)流速,并驗證其對人體是否適宜。此方法實際上是基于室內(nèi)負(fù)荷均勻分布的情形,并經(jīng)過適當(dāng)?shù)暮喕痆4],因而在室內(nèi)負(fù)荷分布明顯不均勻時,會存在較大誤差甚至失效。

自1974年丹麥的Nielsen首次將計算流體動力學(xué)(CFD)技術(shù)引入到暖通空調(diào)領(lǐng)域[5],CFD技術(shù)在預(yù)測室內(nèi)氣流組織狀況、改進空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計方面取得了許多優(yōu)秀的研究成果[6-11]。CFD方法相對于傳統(tǒng)方法而言,適用范圍更廣,對室內(nèi)氣流分布預(yù)測更準(zhǔn)確。

經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn),采用噴口送風(fēng)的工程默認(rèn)采用等間距的噴口布置方法[12-14],如前所述,該設(shè)計方法在室內(nèi)負(fù)荷分布不均勻時存在較大問題,因此,本文提出了噴口非等間距布置的設(shè)計方法,并以某多功能廳為例,詳細(xì)闡述了該設(shè)計方法,并利用CFD軟件進行了模擬計算,驗證了該設(shè)計方法的可行性。

1 大跨度空間等間距噴口設(shè)計方法及其問題分析

噴口送風(fēng)依靠噴口吹出的高速射流實現(xiàn)送風(fēng),主要適用于大跨度建筑空間的氣流組織,其中噴口側(cè)向送風(fēng)形式的應(yīng)用最廣泛[3]。為了說明等間距的風(fēng)口設(shè)計方法及其可能存在的問題,下面以一個具體案例進行闡述。

1.1 案例概況

以沈陽市某酒店的多功能廳(如圖1所示)為研究對象,房間長25.2 m、寬16.8 m,南墻高3.30 m、北墻高2.85 m,西、北兩側(cè)為外墻,東、南兩側(cè)為內(nèi)墻,為一斜頂空間。外墻傳熱系數(shù)為0.47 W/(m2·K),外窗傳熱系數(shù)為2 W/(m2·K)。經(jīng)計算,房間總?cè)珶崂湄?fù)荷為16 456 W,總顯熱冷負(fù)荷為11 700 W。其中,人員、設(shè)備、照明負(fù)荷為7 643 W,西墻與西面8扇外窗的冷負(fù)荷為2 522 W,北墻與北面玻璃幕墻的冷負(fù)荷為1 536 W,其余兩面墻體與空調(diào)房間相鄰,沒有冷負(fù)荷。可見,各朝向的圍護結(jié)構(gòu)負(fù)荷明顯分布不均。

1.2 等間距噴口送風(fēng)設(shè)計方案的確定

計算得射流末端軸心速度vx=0.87 m/s,射流末端平均速度vp=0.43 m/s,噴口送風(fēng)速度和射流末端平均速度均符合要求。

經(jīng)校核,實際噴口送風(fēng)速度v′s=4.42 m/s,符合舒適性空調(diào)要求。

因此,確定每側(cè)等間距設(shè)置7個直徑為0.2 m的圓形噴口送風(fēng),噴口安裝高度為2.6 m,回風(fēng)口為矩形風(fēng)口,尺寸為400 mm×320 mm。噴口布置如圖2所示。

圖2 等間距方案噴口布置示意圖

1.3 等間距噴口送風(fēng)設(shè)計方案的氣流組織分析

前面采用傳統(tǒng)的射流公式法確定了等間距的噴口設(shè)計方案,本節(jié)采用Fluent軟件對其進行數(shù)值模擬,并簡要分析室內(nèi)溫度、速度分布和熱舒適性指標(biāo)。模擬計算結(jié)果如圖3～5所示(具體的建模方法及條件設(shè)置見第2.2節(jié))。

圖3 等間距噴口送風(fēng)方案高度分別為1.5、1.8 m平面的溫度云圖

對上述數(shù)值模擬計算結(jié)果簡要分析如下:

1) 溫度分布情況。從圖3可見,在1.5 m和1.8 m高的截面上,溫度分布總體較為均勻,但房間西側(cè)空氣溫度為24.6 ℃,明顯高于東側(cè)空氣平均溫度23.4 ℃。結(jié)合室內(nèi)負(fù)荷分布情況,推測房間東西側(cè)溫差略大的原因為:西側(cè)和北側(cè)圍護結(jié)構(gòu)形成的冷負(fù)荷較大,而東側(cè)和南側(cè)的圍護結(jié)構(gòu)并沒有產(chǎn)生冷負(fù)荷。

2) 風(fēng)速分布情況。規(guī)范要求夏季空調(diào)區(qū)風(fēng)速小于0.3 m/s[15],且室內(nèi)由于吹風(fēng)感造成的不滿意度DR值不大于20%。由圖4可知,工作區(qū)部分區(qū)域風(fēng)速已明顯超過0.3 m/s,而大部分區(qū)域的DR值在20%之內(nèi)(見圖5c)。整體來看,風(fēng)速偏大且在整個房間內(nèi)的分布不均勻,不符合規(guī)范要求。

圖4 等間距噴口送風(fēng)方案高度為1.8 m平面的速度云圖

圖5 等間距噴口送風(fēng)方案高度為1.8 m平面的熱舒適性指標(biāo)分布云圖

3) 熱舒適性指標(biāo)情況。如圖5所示,熱舒適性指標(biāo)PMV、PPD和DR在z=1.8 m的水平截面上的分布并不理想,對應(yīng)GB/T 50785—2012《民用建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境評價標(biāo)準(zhǔn)》[16]的熱舒適等級為Ⅲ級(見表1)。受射流影響,PMV值最低達到-1.4,PPD值達到40%,DR值達到30%,且影響區(qū)域的范圍沒有得到很好的控制。熱舒適指標(biāo)雖算合格,但等級較低,PMV、PPD、DR在房間中部區(qū)域上的分布明顯不均勻,且不均勻區(qū)域較大。

表1 熱舒適評價等級

綜上可知,在等間距噴口送風(fēng)方案下,盡管室內(nèi)空氣平均溫度基本滿足夏季室溫的要求,但部分區(qū)域的風(fēng)速明顯偏大,且熱舒適等級較低,室內(nèi)熱舒適性指標(biāo)的分布明顯不均勻。經(jīng)初步分析,判斷原因在于該大跨度房間的負(fù)荷分布明顯不均勻。

2 大跨度空間非等間距噴口設(shè)計方法及驗證

為解決大跨度房間負(fù)荷分布明顯不均勻時采用等間距噴口送風(fēng)存在的問題,本文提出了一種非等間距噴口送風(fēng)設(shè)計方法,并以上述多功能廳為例,具體闡述了該設(shè)計方法,并利用CFD模擬計算結(jié)果驗證了其可行性。

2.1 非等間距噴口送風(fēng)設(shè)計方法

非等間距噴口送風(fēng)設(shè)計方法與傳統(tǒng)方法的主要區(qū)別在于,在布置噴口時需要考慮室內(nèi)負(fù)荷分布的具體情況,總的原則是:對于負(fù)荷占比大的區(qū)域應(yīng)減小噴口的布置間距;反之,噴口間距應(yīng)適當(dāng)增大。以下結(jié)合前述案例,具體闡述該非等間距噴口送風(fēng)設(shè)計方法。

1) 分區(qū)計算房間空調(diào)冷負(fù)荷(可根據(jù)經(jīng)驗進行分區(qū),按與噴口送風(fēng)方向平行進行劃分,建議不少于4個區(qū),見圖6),并根據(jù)總負(fù)荷確定送風(fēng)參數(shù),按照射流公式法計算得到送風(fēng)口數(shù)量n、風(fēng)口尺寸等結(jié)果,具體可參見《實用供熱空調(diào)設(shè)計手冊》[3]。

圖6 房間分區(qū)示意圖

根據(jù)1.2節(jié)的計算結(jié)果,在多功能廳南北兩側(cè)各布置7個直徑為0.2 m的圓形噴口。

2) 用各分區(qū)負(fù)荷占房間總負(fù)荷的比例乘以總送風(fēng)口數(shù)量n,得到該分區(qū)應(yīng)布置的風(fēng)口數(shù)量。另外,根據(jù)具體的計算結(jié)果,將風(fēng)口數(shù)量較多(或較少)的相鄰區(qū)域適當(dāng)合并,經(jīng)四舍五入,得到重新分區(qū)后各分區(qū)的風(fēng)口數(shù)量。然后,在合并后的分區(qū)內(nèi),根據(jù)負(fù)荷情況布置風(fēng)口,得到非等間距噴口送風(fēng)設(shè)計初步方案。

本文算例中,將多功能廳沿東西方向平均分為7個區(qū)域,分別計算負(fù)荷占比,相應(yīng)得出各區(qū)應(yīng)布置噴口數(shù)量,計算結(jié)果見表2。從表2可見,區(qū)域1、2內(nèi)風(fēng)口數(shù)量明顯偏多,故將這2個區(qū)域合并成1個區(qū)域,共需3個噴口,其余區(qū)域合并成1個大的區(qū)域,共需4個噴口。根據(jù)重新合并后各分區(qū)的負(fù)荷情況,適當(dāng)布置風(fēng)口,噴口布置示意圖見圖7。此外,考慮到房間為斜頂且層高較低的特點,調(diào)整噴口送風(fēng)角度為水平向上傾斜10°。

表2 多功能廳分區(qū)負(fù)荷及噴口分布

圖7 非等間距噴口布置示意圖

3) 根據(jù)房間的實際情況,利用CFD軟件構(gòu)造房間計算模型,對步驟2)中設(shè)計方案進行數(shù)值模擬,從工作區(qū)的溫度場、速度場和熱舒適度三方面,分析噴口布置方案的效果。本文案例的數(shù)值模擬計算結(jié)果見2.2節(jié)。

4) 如果步驟3)的模擬計算結(jié)果能夠滿足設(shè)計目標(biāo),則完成設(shè)計;否則,結(jié)合模擬計算結(jié)果,返回步驟2)重新進行區(qū)域合并,然后再按步驟3)繼續(xù)進行模擬計算。

通常,經(jīng)過1～2次的區(qū)域合并操作即可得到滿意的風(fēng)口布置方案。

2.2 非等間距噴口送風(fēng)設(shè)計方案的數(shù)值模擬驗證

2.2.1物理模型的簡化

本文算例的多功能廳建筑面積為413.52 m2,包括8扇西外窗與2扇北外窗,建筑的數(shù)值模擬計算域如圖8所示。

圖8 計算域軸測圖

機械通風(fēng)房間內(nèi)的空氣流動一般屬于非穩(wěn)態(tài)湍流流動,在利用CFD軟件進行模擬時,需要對物理模型進行一定的假設(shè)和簡化處理[17]。本文作假設(shè)如下:1) 夏季室內(nèi)環(huán)境溫度為25 ℃,即室內(nèi)空氣溫度和內(nèi)圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度都為25 ℃;2) 室內(nèi)空氣視為不可壓縮的牛頓流體,且忽略溫度變化對空氣比熱容、動力黏度和導(dǎo)熱系數(shù)的影響;3) 忽略空氣的輻射和吸收特性。

2.2.2數(shù)值模擬條件設(shè)置

本文算例的噴口送風(fēng)采用5 ℃溫差。送風(fēng)噴口設(shè)置為速度入口,送風(fēng)溫度為20 ℃,風(fēng)速為4.42 m/s;回風(fēng)口設(shè)為壓力出口?？紤]多功能廳內(nèi)人員、設(shè)備、燈光呈圍繞桌子分布的特點,將室內(nèi)人員、設(shè)備、燈光的顯熱散熱擬合成6個物體的顯熱散熱,并以“矩形桌子”代替,尺寸為4 500 mm×500 mm×1 000 mm(長×寬×高),設(shè)為內(nèi)熱源,壁面熱流密度為顯熱散熱量除以熱源總表面積,計算結(jié)果為99.68 W/m2。圍護結(jié)構(gòu)的邊界條件按相應(yīng)的冷負(fù)荷設(shè)置為常熱流,即第二類邊界條件,其余沒有冷負(fù)荷的圍護結(jié)構(gòu)設(shè)置為恒溫壁面,即第一類邊界條件。邊界條件設(shè)置見表3。

表3 邊界條件設(shè)置

根據(jù)建筑平面圖建立全尺寸模型,采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。利用RNGK-ε湍流模型[18]和S2S(surface to surface,表面到表面)輻射模型,經(jīng)過網(wǎng)格獨立性驗證后,網(wǎng)格數(shù)量確定為381萬。采用基于壓力的隱式格式求解器,用Couple算法求解壓力速度耦合,壓力的空間離散采用PRESTO!格式,其他項的空間離散格式均采用二階迎風(fēng)格式。

2.2.3非等間距噴口送風(fēng)方案數(shù)值模擬計算結(jié)果

利用前面所建立的數(shù)值計算模型,對非等間距噴口送風(fēng)空調(diào)設(shè)計方案的室內(nèi)溫度場、速度場進行了詳細(xì)的模擬計算,結(jié)果分別見圖9、10,并根據(jù)熱舒適性計算模型編寫UDF(用戶自定義函數(shù)),導(dǎo)入Fluent軟件計算后,獲得3個熱舒適性指標(biāo)(PMV、PPD和DR)的詳細(xì)結(jié)果,如圖11所示。

圖9 非等間距噴口送風(fēng)方案不同截面溫度云圖

2.2.4非等間距噴口送風(fēng)方案模擬計算結(jié)果分析

通過對模擬計算結(jié)果的整理,并與等間距噴口送風(fēng)方案的模擬計算結(jié)果進行對比,簡要分析如下:

1) 溫度分布情況。由圖9可見,室內(nèi)平均溫度約為24.2 ℃,靠近圍護結(jié)構(gòu)的位置溫度較高,最高溫度出現(xiàn)在屋頂附近,兩側(cè)噴口的側(cè)送風(fēng)使房間受屋頂?shù)挠绊戄^小,空調(diào)區(qū)(即人員活動區(qū))溫度分布比較均勻,能夠滿足人員的舒適度要求,且空調(diào)區(qū)在豎直方向上的溫差較小,不超過3 ℃?？傮w來看,在房間內(nèi)溫度均勻性方面比等間距送風(fēng)方案有明顯的提升。

2) 風(fēng)速分布情況。由圖10可見,噴口送風(fēng)速度衰減較快,空調(diào)區(qū)的風(fēng)速基本保持在0.2 m/s以內(nèi),符合標(biāo)準(zhǔn)要求。盡管射流末端也有風(fēng)速略大的情況,但與等間距噴口送風(fēng)方案相比,局部風(fēng)速較大區(qū)域明顯縮小,且非等間距噴口送風(fēng)方案下空調(diào)區(qū)風(fēng)速可以控制在更小的范圍內(nèi),分布也更均勻。

圖10 非等間距噴口送風(fēng)方案z=1.8 m截面速度云圖

3) 熱舒適性指標(biāo)情況。由圖11可見,房間大部分區(qū)域的熱舒適等級都能達到Ⅰ級標(biāo)準(zhǔn),只有很小的局部區(qū)域受射流影響,熱舒適等級略有降低,但也能達到Ⅱ級標(biāo)準(zhǔn),PMV指標(biāo)基本處于±0.2之間,PPD指標(biāo)在10%以內(nèi),吹風(fēng)感DR也總體保持在10%以內(nèi),舒適性良好。相比于熱舒適等級為Ⅲ級的等間距噴口送風(fēng)方案來說,非等間距噴口送風(fēng)方案下室內(nèi)各熱舒適指標(biāo)均得到了明顯改善。

圖11 非等間距噴口送風(fēng)方案z=1.8 m截面熱舒適性指標(biāo)分布云圖

3 結(jié)束語

針對采用噴口送風(fēng)空調(diào)方案的建筑工程房間空調(diào)負(fù)荷分布不均勻情況,本文提出了一種非等間距布置噴口的送風(fēng)設(shè)計方案,并結(jié)合某酒店的多功能廳案例,給出了非等間距噴口送風(fēng)方案的具體實施方法;然后利用CFD軟件對該多功能廳在等間距和非等間距噴口布置方案下的氣流組織效果進行了評估,具體從空調(diào)區(qū)的空氣溫度場、速度場和熱舒適性指標(biāo)(PMV、PPD、DR)分布方面進行了對比,結(jié)果顯示,在非等間距噴口布置方案下,這些指標(biāo)均得到明顯的改進,從而驗證了本文提出的非等間距噴口送風(fēng)設(shè)計方案的可行性,為類似的噴口送風(fēng)空調(diào)設(shè)計提供指導(dǎo)。