自然通风与分层空调耦合运行的节能分析

刘梦李琳杨洪海

1东华大学环境科学与工程学院2中国海诚工程科技股份有限公司

目前，国内外对如何单独有效地利用自然通风进行了很多研究，如消除工业厂房余热、改善公共建筑热环境、在过渡季节采用自然通风以节约建筑空调能耗等。在大空间建筑中，通常采用居留区域空调（如分层空调），此时室内垂直方向上温度分层现象较明显，上部区域温度很高，通过辐射和对流两种方式向下部空调区转移热量，加大空调区域冷负荷。因此，如何有效利用上部自然通风，并与下部空调系统耦合运行，成为大空间建筑节能工作的一个重要方向[1～2]。

本文以大空间建筑夏季工况为例，应用数值模拟方法，研究了自然通风和分层空调系统耦合运行下室内热环境特性，并与单独使用分层空调系统进行比较，为自然通风与空调系统耦合运行的节能价值提供理论依据。

1 模拟条件

1.1 物理模型

如图1所示为上海地区某机场大空间建筑，长、宽、高分别为30m×30m×12m。外围护结构为玻璃幕墙，传热系数6.25W/(m2·K)。联合设置分层空调及自然通风。

图1 物理模型

其中，分层空调部分的风口布置如下：送风口在南北侧墙上各5个，均匀布置，单个面积0.5m×0.5m，高4m；回风口位于地面附近，南北侧墙上各3个，单个面积1m×0.5m。自然通风部分的风口布置如下：进风口2个，设置在南侧墙上，单个面积4m×0.5m，高8m；排风口1个，设在北侧墙上，面积为4m×0.5m，高10.5m。

设计参数及负荷指标如下[3]：

1）夏季空调室外设计干球温度34.6℃，湿球温度28.2℃。通风室外设计干球温度30.8℃，平均风速3.4m/s，主导风向为南。室内设计干球温度25℃，相对温度55%。

2）旅客处于轻度劳动状态，显热散热量可取100W/人，人员密度取3.9m2/人；照明负荷为30W/m2。

3）分层空调送风速度3m/s，送风温度16℃。

1.2 边界条件及计算方法

计算边界条件简化如下：

1）将人员散热量均布于地面，照明散热量均布于天花板。

2）外墙采用常热流边界条件，热流密度为60W/m2。内墙以4m高度为界，设定上下两个常壁温：空调区域墙壁温度29℃，非空调区域墙壁温度33℃。

3）自然通风状态稳定，进风口采用速度入口边界条件，排风口采用出风口边界条件。

研究对象为高大空间建筑，建筑本身网格数较多，且风口尺寸相对于大空间显得很小，因此模型按非结构网格划分，并对网格进行自适应加密。应用FLUENT 软件[4～5]，计算模型选取 RNG k-ε 两方程紊流模型，近壁面区域则选用标准壁面函数法，速度-压力耦合采用SIMPLE算法。

2 计算结果与分析

选取截面x=15m（如图1，A-A截面），分析该截面在单独运行分层空调和耦合运行时的温度场以及气流分布情况。

2.1 温度分布比较

图2、图3分别是单独运行分层空调和耦合运行时在垂直方向上的温度云图。可以看出：

1）两种方式下，下部空调区域（高度0～4m），空气混合均匀，温度均满足舒适性要求。在上部区域，随着高度的增加，温度逐渐升高，均会产生明显的温度分层现象。

2）在分层空调单独运行时，下部空调区域温度为298K（25℃），房顶处温度最高可达 318K（45℃），在非空调区域尤其在天花板处热气流滞留明显。

3）在自然通风与分层空调耦合运行时，下部空调区域温度下降为296K（23℃），房顶处的温度下降为310K（37℃），上部热气流滞留的现象得到了明显的缓解。

图2 温度随高度变化分布（分层空调单

图3 温度随高度变化分布（自然通风与分层空调耦合运行）

对于分层空调，空调区域冷负荷由两部分组成，即空调区域本身得热所形成冷负荷和非空调区域通过对流及辐射方式向空调区域转移的热负荷[6]。也就是说，非空调区温度越高，热转移负荷越大。利用自然通风与分层空调耦合运行，可有效降低非空调区域的温度，从而减少空调区域的冷负荷，达到节能的效果。

2.2 气流分布比较

图4、图5分别是单独运行分层空调和耦合运行时速度矢量图。可以看出：

1）分层空调系统单独运行时，空调区域采用双侧水平送风，下部同侧回风，使工作区处于回流区，得到均匀的速度场和温度场；在上部非空调区域，部分空气受到热浮升力作用上升，导致热气流滞留。

图4 速度矢量图（分层空调单独运行）

图5 速度矢量图（自然通风与分层空调耦合运行）

2）自然通风与分层空调耦合运行时，在下部空调区域，气流组织与单独使用分层空调系统基本一样；在上部非空调区域，热空气受到自然通风的诱导排到室外，有效地减少了上部非空调区域热空气的滞留，同时降低了非空调区向空调区域对流及辐射热转移。

3 结论

针对大空间建筑，本文研究了自然通风与分层空调耦合运行对室内温度分布和气流分布的影响，并与单独采用分层空调系统作了比较。结果表明，在大空间上部采用自然通风可有效排除上部滞留热量，降低下部空调区域的冷负荷，具有较好的节能性，是大空间建筑节能工作的发展方向。

[1] 刘笙,黄成.大空间建筑上部开口节能潜力研究[J].暖通空调,2008,38(8):43-46

[2] 郑东林,谭洪卫,卫丹,等.机场高大空间分层空调中自然通风效果的探讨[A].见:上海市制冷学会2005年学术论文集[C].2005.364-366

[3] 陆耀庆.实用供热空调设计手册(第二版)[M].北京:中国建筑工业出版社,2009

[4] 温正,石良辰,任毅如.流体计算应用教程[M].北京:清华大学出版社,2009

[5] 江帆,黄鹏.FLUENT高级应用与实例分析[M].北京:清华大学出版社,2008

[6] 邹月琴,王师白,彭荣,等.分层空调热转移负荷计算方法的研究[J].暖通空调,1983,(2):11-18