基于CFD技术的暖通空调制冷工程探析

郎俊

摘    要：基础设施建设是维持我国当前社会正常运转的主要方式之一，因此基础设施的施工工艺和相关技术也必须进行不断的创新和优化，本文结合了CFD技术展开论述，分析该项技术在暖通空调制冷工程中的应用。本文首先简述了该技术的概念及原理，其次分析了CFD技术在暖通空调制冷工程中的实际应用，意在通过本文的论述，进一步推动暖通空调制冷技术的优化创新，使我国的基础设施性能更为完善。

关键词：CFD技术;暖通空调;制冷工程

1  引言

暖通空调制冷技术主要是针对当前的居住环境进行温度调控，为人们营造更加舒适的居住体验，因此暖通空调工程可以与建筑系统融为一体，共同发挥各自的优势。伴随着人们对于居住条件需求的不断升高，暖通空调制冷工程具备着极为广阔的发展前景，因此在制冷技术方面也需要不断创新。CFD技术能够凭借自身的特点，有效解决制冷工程研发过程中出现的相应问题，因此二者在技术方面有着较强的交互性。

2  CFD技术概述及原理

CFD技术又称为流体动力学，与力学有着紧密的联系，并且借助了当前的高科技技术、数学原理以及计算机系统，构建起数学模型，可以将流体运转过程中产生的相关参数进行代入，从而计算出需要解决的问题，提供合理的解决措施。总的来说，CFD技术是建立在以计算机为核心的基础上，针对流体流动过程中所产生的守恒控制情况等进行演算分析。

就暖通空调制冷工程领域来看，其中的液体流动流速通常在每秒几米以下，这种流动状态被称为低速流动，同时系统内的流体温度以及密度的变化浮动不大，因此又被称作为不可压缩流动。另外，空调系统大多数以对流换热的形式，对室内的温湿度进行控制，而室内的空气流速更小，这与CFD技术掌控的领域有着极大的交互性，因此可以利用CFD技术调整暖通空调制冷工程中出现的一系列问题。能够结合暖通空调制冷工程中的不同需求建立数学应用模型，通过数值算法进行求解，并且将结果可视化呈现。

3  CFD技术在暖通空调制冷工作中的应用

3.1  构建流体分析模型

利用CFD技术在暖通空调制冷工作中进行优化，首先要建立起空调系统的流体模型，主要利用了物理模型以及数学模型相结合的方式共同构建起工程模型，其中涉及到了流体的特征、设备参数以及运行状态等;另外我国使用的大部分暖通空调的制冷系统均属于湍流流动状态，因此还需要结合流动状态建立起湍流模型，来模拟空调运转过程中的运行状态。这个过程需要工作人员能够提取空调的制冷参数，将其纳入到模型中去，才可以使模型的构建更加的标准、科学，为后续的数值计算以及公式代入提供良好的基础。

3.2  进行数据收敛计算

暖通空调制冷系统在实际的运行过程中可能会受到诸多因素的影响，例如室内的整体温度变化情况、人为操作因素等，这些条件的变化都会改变这种工作的状态，因此在建立起相关的流体模型之后，可以利用收敛技术，对相关参数进行代入计算，收敛技术的使用是统筹了制冷过程中的诸多因素，考虑到所有的可能性并且将其影响程度减少到最小，主要可以分为多重网格计算方式以及残差计算法。前者在实际应用的过程中能够显著提升计算效率，并且可以深入分析流体在运行过程中的运动状态，在CFD技术应用的过程中较为广泛;另外还可以利用平行计算的方式简化计算流程，同样具备较高的计算效率，并且能够针对暖通空调制冷过程中产生的能源消耗进行分析，从而达到节能优化。

3.3  系统气体流通优化

暖通空调供冷供热过程中，如果管道中的预处理气体流通不畅，极有可能产生制冷/制热效率低、空气质量差等问题，也有可能出现室内外温差较大的情况，将会严重影响人体舒适性，因此提升暖通空调制冷系统运行过程中的气体流通状态，也是工程施工过程中的难题之一。CFD技术可以有效检测气体的流通状态，并根据室内的环境以及室外的气流分布，合理的预测制冷/制热气流的分布情况。同时该项技术也可以结合室内的相关环境进行综合分析，例如温度、辐射制冷状态、湿度等，将所有干扰因素所形成的结果进行整合，提供制冷运行优化方案，这不仅能够有效解决空调制冷过程中的空气流通问题，也可以进一步提升制冷的效率，保证室内的温度符合正常的舒适性标准。

过往项目中，对于高大空间如何合理设计室内末端空调设备以及风口布置，主要根据设计师的项目经验而得。尤其冬季供热情况下，外界条件影响因素非常大。比如商场中庭，办公大堂，酒店宴会厅等高大空调，不仅受到热空气始终浮于上方，同时还要受到由于井道，电梯等“烟囱效应”，以及出入口冷风渗透影响室，对于诸多影响因素，无法量化。引入CFD模型后，在建立3D空间模型的同时还可以加入其他影响因素进行综合分析。通过对室外空气的温湿度，渗入位置，以及空气流速的输入可以通过数学模型将室内空间分别从X，Y，Z方向切成无数个平面和立面，进行有效分析。一般人体感官高度大约在1.5m水平面，对于温湿度的研究范围也主要集中于人体可以感受到的高度，通过CFD技术的介入，可以更有效的将空調设计进行量化，通过模拟后的数据选用合适的设备以及送风参数控制室内温湿度，同时也可以避免“送风死角”造成局部空间满足不了设计要求。

随着时代的发展，建筑方面的美学要求越来越高，室外空调设备的安装在很大程度上无法融入建筑师的要求，尤其是空调系统中的冷却塔布置。冷却塔的正常工作，需要足够的进行风条件，合理环境温湿度，这些都要有合理的安装空间支持。如何提供相应的条件，在以往的设计过程中更多的依靠设备供应商技术人员的经验，无法提供量化的数据。在CFD技术诞生并引入空调设计后，这个问题得到了有效地解决。室外的温度，湿度以及风速是一组量化数据，风机的风量、设备进出口风速以及填料的换热面积也都是量化数据，当详细的数据通过计算模型后，能够模拟环境条件并推导出详细尺寸。因此，很大程度上解决了上述问题的矛盾。

2012年南京某五星级酒店设计项目，酒店宴会厅前厅面积约300m2狭长型，顶部由内向外超过45o角度向上倾斜延申至外玻璃幕墙，最低点7m，最高点超过15m且高点側紧贴幕墙。由于幕墙面积非常大，因此夏季显热负荷非常大，冬季传热损失也非常大。室内精装设计师为体现室内装饰效果，在前厅中间区域高空垂吊了几盏超大水晶灯，这给空调风口的布置带来了巨大挑战。

首先，围护结构负荷较大，室内空间也很大;其次，由于斜顶，风口布置有效位置较少;最重要的是南京当地冬季室外温度低于0℃，采暖要求非常高，高大空间容易集聚热空气于上空，对人的活动区域很难进行覆盖。针对上述各种问题，通过CFD技术建模，对不同风口安装位置做了尝试，同时对合理的射流风速及温度展开模拟，限定吊灯区域的最高风速（避免风速过高，造成水晶吊顶吹动而引起的噪音）。经过软件模型的计算，按照设计条件对该区域的气流以及温度场分析，最终解决了设计问题。经安装调试后的测试，基本与CFD模拟的结论一致，很大程度上简化了设计工作并且加强了设计的准确性。

3.4  完善空调制冷设备

空调系统运行过程中，制冷的效率和质量也会受到系统硬件设备的影响，我们可以将制冷系统看作是整体暖通空调中的运行主体，那么硬件空调设备则是支撑主体正常运行的核心。如果硬件设备的运行效率降低，或者出现性能方面的问题，便会直接影响空调系统的制冷质量。从流体力学的角度来看，空调硬件设备的设计以及安装必须要符合流体的运行原理。例如风机系统、空调硬件装置等，因此，CFD技术可以应用在解决空调系统硬件问题领域。首先系统可以通过已经建成的运行模型来合理判断流体的运行状态是否发生了变化，同时也可以根据运行状态的改变来定位性能下降的系统设备，并且将相关性能的缺陷数据进行计算，制定出优化措施。

例如，空调系统的风机设备可能在长时间的运行过程中出现性能下降的情况，因此可以利用CAD软件呈现出风机设备运行的平面图，将平面图中所呈现出的相关数据代入到CFD技术的数学模型中，利用流体的动态运行以及网格功能，定位低性能运转的因素，同时也可以执行不同模块的分工计算，能够有效缩短计算时间，并且提升计算的精准度。在检查出设备的性能缺陷之后，可以针对缺陷的等级进行判断并提出不同的解决方案。

4  结束语

综上所述，暖通空调制冷技术并不局限于物理学境遇，在制冷过程中所产生的气体及液体流动均与液体动力学有关。目前行业内，CFD技术对室内外进行温度场，湿度场，风速场研究应用已经非常广泛，无论在数据中心动环研究，冷却塔的安装空间研究，甚至于医院项目中空气龄的研究，都有了极大推进作用，对设计师合理量化的规划室内气流组织，给予了极大设计依据。在上述类型的项目中其实都有一个共同的特点，若空间环境无法达到设计要求，则可能造成系统无法正常运行，室内局部环境污染等重大影响。因此，充分发挥CFD技术的优势，结合初期的建模、中期的数据演算以及后期的结果显示，来进一步研究暖通空调制冷过程中的相关问题并且提出解决方案，同时，也能够全面推进暖通空调科学制冷工程的发展，不仅可以为人类营造良好的环境，也可以进一步推动我国基础设施科学创新优化的前进脚步。

参考文献：

[1] 唐柱才.CFD技术在暖通空调制冷工程中的应用[J].电子世界，2018（3）：201.

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[3] 蒋运鹏.CFD技术在暖通空调制冷工程中的实际运用[J].企业导报，2015（14）：52+50.