大空间建筑室内热环境的数值模拟

李莉 蒋露

0 引言

随着工业生产的持续发展和人们对舒适性要求的不断提高,中央空调系统在大空间建筑中的应用也越来越广泛。从保证人体舒适度和节省能耗两方面考虑,研究大空间建筑的中央空调系统是很有必要的。

1 建筑实例概况

本文所选建筑为某工厂印刷车间,位于河北保定。夏季室外计算干球温度34.8℃,湿球温度26.8℃,室外平均风速2.1 m/s,大气压力100.26 Pa;室内设计干球温度 25℃,相对湿度50%;冬季室外计算干球温度-9℃,冬季室外最冷月相对湿度45%,室外平均风速3 m/s,大气压力102.04 kPa,室内设计干球温度22℃,相对湿度50%[2]。房间长33.0 m,宽9.0 m,吊顶高度7.8 m,建筑面积为297 m2。

2 数值模拟

2.1 物理模型

根据厂房的建筑尺寸建立三维立体模型,以东、高度、南作为坐标的x,y,z方向。吊顶布置两排风口,北侧为送风口,南侧为排风口,且送、排风口均采用散流器;北墙采用条形风口侧壁送风,风口中心距地面高度为4.0 m,南墙采用条形风口侧壁排风,风口中心距地面高度为0.4 m;在室内南侧放置了一台全自动印刷机。房间西墙、南墙为内墙,其他墙为外墙,所有门均为内门。所建立厂房的物理模型如图1所示。

本文计算对象为形状较复杂的建筑空间,在模型的网格划分中,对模型的送、排风口进行了单独划分,同时对整体模型进行区域划分。经统计,模型约划分为264 520个网格。

2.2 边界条件

房间内各模型的边界条件类型如表1所示。

3 两种空调方案下室内热环境的数值模拟及结果分析

3.1 全室性空调工况室内热环境的数值模拟

采用该厂房原有的气流组织方式进行常温送风全室性空调工况的数值模拟。

表1 边界条件

该建筑原设计采用的是常温全室性全新风空调系统,室内空调设计温度(24±2)℃,相对湿度(50±10)%,夏季送风温度为14℃,室内设计冷负荷为90 kW,冷负荷指标为303 W/m2,总送风量为22 000 m3/h。顶送、顶排风散流器的尺寸均为360 mm×360 mm,分别为8个;单侧条形送风口尺寸为 1 500×40,共15个,单侧排风口尺寸为1 500×60,共15个。吊顶送(排)风承担总送(排)风量的30%,侧送(排)承担总送(排)风量的 70%。

根据该厂房的建筑尺寸,x=10.5 m和z=2.5 m为人员的工作区,因此取 x=10.5 m和z=2.5 m为分析截面。模拟结果如图2所示。

从图2a),图2b)可以看出,当采用全室性空调时,空调区域的温度在24℃～26℃,气流速度小于0.3 m/s,根据模拟结果图进行取值,在人员工作区域取点计算等效吹风感温度。经计算,kt=0.040 3,kv=0.319 2,¯F=0.94,ADPI=82%＞80%,此时室内的热环境满足热舒适要求。局部工作区温度为24℃时,风速为0.3 m/s,等效吹风感温度为-1.8℃,会让人有吹冷风的感觉。图2c)显示,当侧送风口以水平射流进入房间后,由于射流、房间上部风口气流的卷吸作用和设备的阻挡等因素,使得室内产生了上、下两个比较明显的旋涡,旋涡的存在虽在一定程度上有利于室内空气的流动,但不利于室内污染物的直接排除。

3.2 分层空调工况室内热环境的数值模拟

在大空间建筑空调设计中,为了节省初投资和运行能耗,一般采用分层空调的设计方案。

本文在对所选定的厂房进行常温送风分层空调系统模拟时,以侧墙条形风口中心标高4.0 m作为分层空调的垂直分界面,仅对4.0 m以下的区域进行空调,而对4.0 m以上的区域设置排风。由文献[2]可知,当采用分层空调时,夏季室内冷负荷减少系数可取30%进行计算。采用与全室性空调工况相同的送风温差,则总送风量降为15 400 m3/h,厂房下部南墙设单侧排风口,排风量为10 500 m3/h(约占总排风量的70%),顶部两排散流器均为排风口,排风量为5 200 m3/h(约占总排风量的30%),这时侧送风口(条形风口)尺寸为1 600 mm×40 mm,共15个,下侧排风口(条形风口)尺寸为 1 500 mm×40 mm,共 15个,上排风口(散流器)的尺寸为150 mm×150 mm,共16个,模拟结果如图3所示。

从图3可以看出,当采用常温送风分层空调时,房间下部空调区域的温度在24℃～26℃,气流速度小于0.3 m/s,经计算,ADPI=83%,kt=0.041 9,kv=0.320 4,¯F=0.93,满足 舒适 要求,比全室性空调系统工作区的温度场分布稍好,速度场分布稍差,但相差都不多。上部非空调区域只排风不空调,空气温度与常温送风时相比要高出2℃～3℃左右,夏季对下部空调区域没有影响;当采用分层空调工况时,在满足工作区热舒适性的情况下减少了30%的冷负荷,进而可大大减小系统的初投资和运行费用,所以在大空间建筑设计中应广泛采用分层空调方式。

4 结语

对于大空间建筑,当采用全室性空调工况和分层空调工况进行数值模拟时,室内空调区域温度均在24℃～26℃,气流速度均小于0.3 m/s,ADPI均大于80%;两种空调工况室内热环境都能满足设计要求,但分层空调系统工作区域的温度分布比全室性空调系统工作区域的温度分布稍好。当采用分层空调时,室内设计冷负荷减少30%,室内热环境仍能满足设计要求,因此文献[2]提到的分层空调可节省30%的设计冷负荷是合理的。原因在于分层空调仅对下部区域进行空调,而对上部非空调区域只通风的空调方式,未考虑上部非空调区域围护结构、灯具及吊顶等形成的冷负荷,可实现制冷空调系统的节能。因此,分层空调是一种有效的节能措施,应当广泛应用于大空间建筑的空调系统设计中。

[1] 何光华,金 涛.大面积厂房空调技术现状与展望[J].工程建设与设计,1999(3):16-18.

[2] 陆耀庆.实用供热空调设计手册[M].北京:中国建筑工业出版社,1993:829-886.

[3] 黄雪莲,戴有为,梅启元.空调房间气流组织的数值模拟[J].南京理工大学学报,2003,8(4):355-358.

[4] 王福军.计算流体力学分析——CFD软件原理与应用[M].北京:清华大学出版社,2004.

[5] 陶文铨.数值传热学[M].西安:西安交通大学出版社,1988.