大跨度空間非等間距噴口送風空調設計方法*

舒海文 馬天馳 高 進

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

0 引言

空調系統能耗占建筑總能耗的30%～50%[1],設計不當容易造成較大的能源浪費。大跨度公共建筑經常采用噴口送風空調設計方案,存在空調區局部冷熱不均、豎直溫差較大、吹風感明顯等問題[2]。工程中,傳統氣流組織設計方法是按照射流經驗公式[3]計算工作區流速,并驗證其對人體是否適宜。此方法實際上是基于室內負荷均勻分布的情形,并經過適當的簡化[4],因而在室內負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(CFD)技術引入到暖通空調領域[5],CFD技術在預測室內氣流組織狀況、改進空調系統設計方面取得了許多優秀的研究成果[6-11]。CFD方法相對于傳統方法而言,適用范圍更廣,對室內氣流分布預測更準確。

經調研發現,采用噴口送風的工程默認采用等間距的噴口布置方法[12-14],如前所述,該設計方法在室內負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計方法,并以某多功能廳為例,詳細闡述了該設計方法,并利用CFD軟件進行了模擬計算,驗證了該設計方法的可行性。

1 大跨度空間等間距噴口設計方法及其問題分析

噴口送風依靠噴口吹出的高速射流實現送風,主要適用于大跨度建筑空間的氣流組織,其中噴口側向送風形式的應用最廣泛[3]。為了說明等間距的風口設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、北兩側為外墻,東、南兩側為內墻,為一斜頂空間。外墻傳熱系數為0.47 W/(m2·K),外窗傳熱系數為2 W/(m2·K)。經計算,房間總全熱冷負荷為16 456 W,總顯熱冷負荷為11 700 W。其中,人員、設備、照明負荷為7 643 W,西墻與西面8扇外窗的冷負荷為2 522 W,北墻與北面玻璃幕墻的冷負荷為1 536 W,其余兩面墻體與空調房間相鄰,沒有冷負荷?？梢?各朝向的圍護結構負荷明顯分布不均。

1.2 等間距噴口送風設計方案的確定

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,噴口送風速度和射流末端平均速度均符合要求。

經校核,實際噴口送風速度v′s=4.42 m/s,符合舒適性空調要求。

因此,確定每側等間距設置7個直徑為0.2 m的圓形噴口送風,噴口安裝高度為2.6 m,回風口為矩形風口,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 等間距噴口送風設計方案的氣流組織分析

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

圖3 等間距噴口送風方案高度分別為1.5、1.8 m平面的溫度云圖

對上述數值模擬計算結果簡要分析如下:

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,但房間西側空氣溫度為24.6 ℃,明顯高于東側空氣平均溫度23.4 ℃。結合室內負荷分布情況,推測房間東西側溫差略大的原因為:西側和北側圍護結構形成的冷負荷較大,而東側和南側的圍護結構并沒有產生冷負荷。

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

圖4 等間距噴口送風方案高度為1.8 m平面的速度云圖

圖5 等間距噴口送風方案高度為1.8 m平面的熱舒適性指標分布云圖

3) 熱舒適性指標情況。如圖5所示,熱舒適性指標PMV、PPD和DR在z=1.8 m的水平截面上的分布并不理想,對應GB/T 50785—2012《民用建筑室內熱濕環境評價標準》[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%,且影響區域的范圍沒有得到很好的控制。熱舒適指標雖算合格,但等級較低,PMV、PPD、DR在房間中部區域上的分布明顯不均勻,且不均勻區域較大。

表1 熱舒適評價等級

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

2 大跨度空間非等間距噴口設計方法及驗證

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

2.1 非等間距噴口送風設計方法

非等間距噴口送風設計方法與傳統方法的主要區別在于,在布置噴口時需要考慮室內負荷分布的具體情況,總的原則是:對于負荷占比大的區域應減小噴口的布置間距;反之,噴口間距應適當增大。以下結合前述案例,具體闡述該非等間距噴口送風設計方法。

1) 分區計算房間空調冷負荷(可根據經驗進行分區,按與噴口送風方向平行進行劃分,建議不少于4個區,見圖6),并根據總負荷確定送風參數,按照射流公式法計算得到送風口數量n、風口尺寸等結果,具體可參見《實用供熱空調設計手冊》[3]。

圖6 房間分區示意圖

根據1.2節的計算結果,在多功能廳南北兩側各布置7個直徑為0.2 m的圓形噴口。

2) 用各分區負荷占房間總負荷的比例乘以總送風口數量n,得到該分區應布置的風口數量。另外,根據具體的計算結果,將風口數量較多(或較少)的相鄰區域適當合并,經四舍五入,得到重新分區后各分區的風口數量。然后,在合并后的分區內,根據負荷情況布置風口,得到非等間距噴口送風設計初步方案。

本文算例中,將多功能廳沿東西方向平均分為7個區域,分別計算負荷占比,相應得出各區應布置噴口數量,計算結果見表2。從表2可見,區域1、2內風口數量明顯偏多,故將這2個區域合并成1個區域,共需3個噴口,其余區域合并成1個大的區域,共需4個噴口。根據重新合并后各分區的負荷情況,適當布置風口,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,調整噴口送風角度為水平向上傾斜10°。

表2 多功能廳分區負荷及噴口分布

圖7 非等間距噴口布置示意圖

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

4) 如果步驟3)的模擬計算結果能夠滿足設計目標,則完成設計;否則,結合模擬計算結果,返回步驟2)重新進行區域合并,然后再按步驟3)繼續進行模擬計算。

通常,經過1～2次的區域合并操作即可得到滿意的風口布置方案。

2.2 非等間距噴口送風設計方案的數值模擬驗證

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,建筑的數值模擬計算域如圖8所示。

圖8 計算域軸測圖

機械通風房間內的空氣流動一般屬于非穩態湍流流動,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和簡化處理[17]。本文作假設如下:1) 夏季室內環境溫度為25 ℃,即室內空氣溫度和內圍護結構內表面溫度都為25 ℃;2) 室內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、動力黏度和導熱系數的影響;3) 忽略空氣的輻射和吸收特性。

2.2.2數值模擬條件設置

本文算例的噴口送風采用5 ℃溫差。送風噴口設置為速度入口,送風溫度為20 ℃,風速為4.42 m/s;回風口設為壓力出口?？紤]多功能廳內人員、設備、燈光呈圍繞桌子分布的特點,將室內人員、設備、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),設為內熱源,壁面熱流密度為顯熱散熱量除以熱源總表面積,計算結果為99.68 W/m2。圍護結構的邊界條件按相應的冷負荷設置為常熱流,即第二類邊界條件,其余沒有冷負荷的圍護結構設置為恒溫壁面,即第一類邊界條件。邊界條件設置見表3。

表3 邊界條件設置

根據建筑平面圖建立全尺寸模型,采用六面體結構化網格。利用RNGK-ε湍流模型[18]和S2S(surface to surface,表面到表面)輻射模型,經過網格獨立性驗證后,網格數量確定為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格式。

2.2.3非等間距噴口送風方案數值模擬計算結果

利用前面所建立的數值計算模型,對非等間距噴口送風空調設計方案的室內溫度場、速度場進行了詳細的模擬計算,結果分別見圖9、10,并根據熱舒適性計算模型編寫UDF(用戶自定義函數),導入Fluent軟件計算后,獲得3個熱舒適性指標(PMV、PPD和DR)的詳細結果,如圖11所示。

圖9 非等間距噴口送風方案不同截面溫度云圖

2.2.4非等間距噴口送風方案模擬計算結果分析

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

1) 溫度分布情況。由圖9可見,室內平均溫度約為24.2 ℃,靠近圍護結構的位置溫度較高,最高溫度出現在屋頂附近,兩側噴口的側送風使房間受屋頂的影響較小,空調區(即人員活動區)溫度分布比較均勻,能夠滿足人員的舒適度要求,且空調區在豎直方向上的溫差較小,不超過3 ℃?？傮w來看,在房間內溫度均勻性方面比等間距送風方案有明顯的提升。

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

圖10 非等間距噴口送風方案z=1.8 m截面速度云圖

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

圖11 非等間距噴口送風方案z=1.8 m截面熱舒適性指標分布云圖

3 結束語

針對采用噴口送風空調方案的建筑工程房間空調負荷分布不均勻情況,本文提出了一種非等間距布置噴口的送風設計方案,并結合某酒店的多功能廳案例,給出了非等間距噴口送風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,具體從空調區的空氣溫度場、速度場和熱舒適性指標(PMV、PPD、DR)分布方面進行了對比,結果顯示,在非等間距噴口布置方案下,這些指標均得到明顯的改進,從而驗證了本文提出的非等間距噴口送風設計方案的可行性,為類似的噴口送風空調設計提供指導。