干热气候区高大空间夏季置换通风空调热环境及节能效果分析

赵健翔 刘 鸣 曾婷婷

(1.新疆大学,乌鲁木齐;2.新疆建筑设计研究院,乌鲁木齐)

0 引言

高大空间建筑面积较大、层高较高、人员流动性强。传统的喷口射流送风方式将系统送风与室内空气充分混合,可有效降低大空间室内环境温度,但受其风速大、射流距离远、风口位置高等因素的影响,高大空间区域热环境舒适度均匀性差、冷量损耗增加。置换通风作为一种典型的分层空调送风方式,相较于混合式送风方式,置换风口送出的低温新风主要用于保证室内人员活动区(2 m以下)的热舒适环境,使空调系统作用建筑空间的能耗大幅减少,带来更好的室内空气质量和节能收益[1]。

置换通风通常在供冷期内采用,具有较好的排热排污能力[2-6],其气流特征也有利于维持较好的环境舒适度[7-8]。工程中对混合送风和置换通风的节能效果[9-11]及工程实践[12-13]均有研究及应用。干热气候区因其独特的气候特征,具有丰富的干空气能,为使用蒸发冷却降温技术创造了得天独厚的条件,但由于其送风温度较高,使得推广应用受到限制。

本文针对新疆干热气候区气候特征,利用Ansys Fluent数值模拟软件研究新疆某高大空间建筑不同气流组织对室内环境热舒适性的影响,对比分析蒸发冷却空调系统采用置换通风送风方式的节能效果。

1 工程概况及边界条件

新疆吐鲁番某机场航站楼总建筑面积10 236 m2,地上2层、地下1层,建筑高度23 m,夏季总冷负荷507 kW。本文对航站楼2层候机厅(建筑面积800 m2、层高10 m)夏季室内热环境进行数值模拟分析,以x=10.1、20.0 m平面的数据展示模拟结果,并在x=20.0 m平面内设置竖直测温线(编号A、B、C、D、E)5条,间距4 m,各测温线上均匀布置50个间距为0.2 m的热电偶。

该工程原设计采用上送下回式全空气系统,设7个直径450 mm的圆形射流喷口,风口中心距地面4 m,设2个5 400 mm×300 mm单层百叶回风口。喷口射流空调系统物理模型如图1所示。

图1 喷口射流空调系统物理模型

另以上述候机厅为研究对象,模拟设置30个半圆柱形置换送风口(直径630 mm、高1 300 mm)、房间顶部区域设置排风口的置换通风方式,物理模型如图2所示,分析此置换通风方式对建筑室内热舒适性的影响。

图2 置换通风空调系统物理模型

室内冷负荷按既有建筑的实际冷负荷设置,顶部照明及屋顶换热量为12 kW(数值模拟时处理为屋顶散热),北向、南向、东向及西向外墙换热量分别为20、8、7、9 kW。模型模拟人数设为96人,且均为放松站立的状态,其代谢率为70 W/m2。

为避免Ansys Fluent数值模拟软件因竖直方向温度分层造成的计算误差,将该建筑的围护结构冷负荷按围护结构面积换算成常热流形式的边界条件,换算后的数据符合该建筑的围护结构冷负荷大小。模拟分析设置的边界条件类型及数据情况见表1。

表1 边界条件类型及数据

2 置换通风设计计算及数值模拟

该建筑为重要的公共交通建筑,室内冷负荷及人员多分布或活动在建筑室内2 m以下的环境中,置换通风口采用在地面上放置的半圆柱形风口,低温气流直接作用于热源周围,能有效减少非工作区内的冷量损耗。本文中的冷负荷计算均与原项目空调系统的要求一致,并满足分层空调冷负荷设计要求。置换通风室内的气流流动主要受羽流影响,因此空调设计中应充分考虑羽流作用。

置换风口送出的气流在地面形成的低温“冷空气湖”会使人体脚踝产生不适感。因此在置换通风的设计计算中,风量应在保证室内羽流形成的基础上,满足室内人员热舒适度。

欧洲暖通协会REHVA发布的《非工业建筑置换通风指导手册》[1]中详细介绍了置换通风的相关理论原理及计算基础,本文中涉及的送风参数及相关计算方法参考该手册。

为保证室内居住人员的热舒适度,对于站立状态的人员,头部与足部温差Δthf≤3 ℃[2],室内所需换气次数n为[14]

(1)

式中ρ为空气密度,kg/m3;cp为空气比定压热容,kJ/(kg·℃);H为房间高度,m;A为建筑空调房间面积,m2;αoe、αl和αex分别为对应冷负荷进入工作区的比例,取0.295、0.132和0.185;Qoe为工作区内人员及设备的冷负荷,kW;Ql为非工作区内的照明冷负荷,kW;Qex为建筑围护结构与太阳辐射冷负荷,kW。

满足热舒适性条件的最小送风量为

(2)

式中Vmin为最小送风量,m3/s。

置换通风工作区内的通风效率为

(3)

式中η为通风效率;Qt为空调房间总冷负荷,kW。

根据通风效率,计算得到置换通风房间的新风量:

(4)

式中Vx为置换通风房间新风量,m3/s;Vr为混合送风时室内人员可接受空气质量所需的新风量,m3/s。

送风量Vs取Vr和Vmin中的大值,并以分层高度上的羽流流量对其进行校核,确保满足置换通风中的分层高度要求。羽流流量计算方法不作阐述,具体见文献[1]。

置换通风送风温度按下式计算:

(5)

(6)

式(5)、(6)中ts为送风温度,℃;t0.1为距地面0.1 m处的空气温度,℃;θ0.1为距地面0.1 m处的量纲一温度;V为送风量,m3/s;αr、αcf分别为顶板与地板之间的辐射换热系数、地板与空气之间的对流换热系数,W/(m2·℃),一般均取5 W/(m2·℃)。

根据上述计算过程,置换通风系统的送风参数如表2所示。

表2 置换通风系统的送风参数

本文模拟分析采用K-ω数学模型[15]。数值模拟中压力-速度耦合选用SIMPLE算法,控制方程的对流项、黏性项选用二阶离散格式,压力项采用PRESTO!形式。

生成网格时,对网格数分别为577 558、1 284 136 和1 374 461个的工况进行网格无关性检验,以确保网格划分的合理性。以测温线C为例,读取分析上述3种网格数工况下0～10 m处的温度模拟数据,结果如图3所示。分析得到当网格数为1 374 461个时,增加网格数量对模拟结果的影响较小,故模拟中物理模型的网格数为1 374 461个。

图3 网格无关性检验结果

3 数值模拟结果分析

为研究高大空间建筑中不同送风方式下的系统舒适度和节能性,对航站楼2层候机厅进行2种气流组织形式的模拟研究,具体工况见表3。

表3 数值模拟工况

3.1 温度场对比分析

x=20.0 m平面的温度场云图见图4。

图4 x=20.0 m平面的温度场云图

模拟结果显示,喷口射流(工况1)送出的低温气流与环境内空气充分混合,使室内整体温度维持在设计温度附近,但在射流流经区域内温度较低。置换通风(工况2)室内存在温度分层,2 m以下工作区的室内平均温度维持在23～25 ℃左右,且室内0.1～1.7 m高度内的Δthf<3 ℃,满足国内外标准对舒适性空调室内设计参数的规定[16-17]。

为进一步分析2种送风方式下y轴方向的温度分布,对x=20.0 m平面处5个温度测点(y分别为2、6、10、14、18 m)的温度进行了整理,结果如图5所示。

图5 竖直测温线A～E的温度分布曲线

喷口射流(工况1)方式下,2 m以下区域温差较小,18 ℃左右的冷风集中在非工作区竖直高度约4 m的区域内。而在置换通风(工况2)方式下,室内2 m以下区域在竖直高度上存在明显的温度梯度,y轴方向5个测点之间温度保持一致。

综上,置换通风口送出的低温气体直接作用于人员活动区域(2 m以下),能有效减少与非工作区内环境空气的混合,同时,室内水平(y轴)方向上不存在温度差异,房间内不同位置的在室人员基本不会感受到由室内温差引起的舒适度差异,并可避免冷风从风口输送到工作区。

3.2 速度场及速度矢量对比分析

国内外相关标准均对室内人员活动区舒适度作出了规定。《实用供热空调设计手册》指出房间内空气低速(低于0.15 m/s)流动下室内静坐或保持站立人员的最佳作用温度应高于23 ℃[18]。而ASHRAE Standard 55-2013对室内人员舒适度给出了明确规定,当室内温度<22.5 ℃时,室内气流速度应≤0.15 m/s;而室内温度为24、25 ℃时,则应分别保证室内气流速度≤0.4 m/s或≤0.6 m/s[16]。

不同送风方式下x=10.1、20.0 m平面内的气流速度云图见图6、7。喷口射流(工况1)的喷口下方风速<0.48 m/s,气流末端风速为0.60～0.72 m/s,该区域内环境温度维持在24～25 ℃左右,在室人员有明显吹风感,舒适度较差。置换通风(工况2)方式下,虽工作区内温度较低,但整体气流流速较低(风口处为0.10～0.15 m/s,人体周围为0.05～0.10 m/s),工作区内均表现出较好的环境舒适度。

图6 工况1 x=20.0 m平面处的速度场云图

图7 工况2 x=10.1 m处的速度场云图和速度矢量图

3.3 关于排除工作区人员污染物的分析

通常置换通风房间内的污染物分布取决于污染源的位置及种类。在供冷期内,以室内居住人员呼吸、散热为主产生的污染物将通过对流方式排到房间的上部区域,室内气体流动情况见图7。置换通风方式下,热源周围气体的卷吸作用使其对热与污染物具有较好的携带能力,从而维持较好的空气质量。

通常以污染物去除效率εc和排热效率εh定义置换通风房间的通风效率[3],计算式分别为

(7)

(8)

式(7)、(8)中ce为排风污染物体积分数,10-6;cs为送风污染物体积分数,10-6;coz为工作区内的平均污染物体积分数,10-6;te为排风温度,℃;toz为工作区内的平均温度,℃。

置换通风(工况2)方式下室内工作区平均温度为25 ℃,以排热效率表示置换通风系统通风效率,用式(8)计算,得到系统通风效率为3。在理想状态下,喷口射流混合送风方式使空调送风与室内环境空气充分混合,室内污染物浓度相同,通风效率为1,远小于置换通风方式的通风效率。置换通风对于工作区的排污能力优于喷口射流送风方式。

4 不同冷源下气流组织差异对空调设计的影响

4.1 不同气流组织对空调系统负荷的影响

根据现有的送风参数和室内热环境模拟结果,可利用式(9)计算2种工况(喷口射流+机械制冷、置换通风+机械制冷)下的分层空调总冷负荷[11]。

Qt=cpms(te-ts)

(9)

式中ms为送风质量流量,kg/h。

空调侧冷负荷计算结果如表4所示。

计算围护结构冷负荷时,由于室内存在温度分层(室内温度tn不恒为26 ℃),工况2空调侧冷负荷有所减小,使空调系统冷水机组制冷量及设备功率得到相应减小,从而降低空调系统运行能耗。可按其空调侧冷负荷占建筑总冷负荷的比例(工况1、2空调侧冷负荷分别占总冷负荷的14.5%、13.8%)配置系统设备及功率。

4.2 不同气流组织对空调系统设计的影响

原设计的室内状态点为N(干球温度26 ℃、相对湿度60%),计算热湿比ε=8 222 kJ/kg。系统采用一次回风的全空气空调系统(喷口射流+机械制冷,采用螺杆冷水机组制取供/回水温度为7 ℃/12 ℃的冷水)。该系统送风状态点为O(干球温度16.0 ℃、湿球温度15.6 ℃),新风比为0.2,混合状态点P的露点温度为16.4 ℃。该工况(喷口射流+机械制冷)下的空气处理过程如图8所示。

图8 喷口射流+机械制冷空调系统空气处理过程及空气状态点

若将原设计气流组织形式改为置换通风,则空调送风点为O′(干球温度20.0 ℃、湿球温度17.6 ℃),与原设计送风点O相比,干球温度提高4.0 ℃。该工况(置换通风+机械制冷)下的空气处理过程如图9所示。

图9 置换通风+机械制冷空调系统空气处理过程及空气状态点

在固定送风状态、新风比的2种送风方式条件下,置换通风空调系统送风温度提高4 ℃,送风点与室内状态点间比焓差减小,系统制冷量减少,冷水机组COP提高[6];系统送风量减少37.5%,相应的风机侧能耗也将降低。

4.3 干热气候区置换通风对蒸发冷却空调系统设计的影响

蒸发冷却空调以水作为冷源,充分利用干热气候区的干空气能。由于吐鲁番地区湿球温度较高,若系统采用喷口射流+蒸发冷却(间接+直接的两级蒸发冷却),需将室外空气(状态点W干球温度为41.2 ℃、湿球温度为21.8 ℃)通过等湿降温处理至等湿点M(干球温度为22.0 ℃、湿球温度为15.6 ℃),该工况下的间接蒸发冷却段效率为90%(实际设备间接蒸发冷却段效率通常为60%～70%),系统需与机械制冷耦合或加大送风量来满足运行要求。过大的风量不仅会增加风口尺寸、加大设备一次投资,也会产生较大噪声,影响室内人员舒适度。不同气流组织下蒸发冷却空调的空气处理过程如图10所示。

图10 不同气流组织下蒸发冷却空调系统空气处理过程

在相同的冷源条件下,置换通风与喷口射流相比,送风点干球温度提高,使该工程可以采用全新风间接(间接蒸发冷却段效率70%)+直接的两级蒸发冷却代替传统机械制冷,解决了该工程现有气流组织条件下无法使用蒸发冷却空调的困难,并同时满足室内热环境要求。不同空调系统形式下的设备配置及装机功率如表5所示。

表5 不同空调系统形式下的设备配置及装机功率

当系统采用机械制冷空调系统时,置换通风与喷口射流相比,系统装机功率减少5.6 kW,同比降低13.8%;若将原设计空调系统形式(喷口射流+机械制冷)改为置换通风+蒸发冷却,则系统设备种类大幅减少,动力配置不到原设计的20%,意味着系统初投资、运行和维护费用将大幅降低。因此,置换通风不仅可以减少空调系统制冷量,提高机组COP,同时可为蒸发冷却空调在干热气候区的使用提供更好的便利。

5 结论

1) 上送下回式混合送风空调系统室内竖直方向上不存在温度梯度,风口和气流流径上流速较高,室内水平方向上存在明显温度差异;置换通风空调系统送风多直接作用于工作区,低温气体流速较低,室内水平方向上温差较小。因此,在高大空间建筑中使用置换通风代替混合式送风方式可以实现更好的室内环境舒适度。

2) 在混合式送风空调系统中,新风送入房间工作区的过程中已与室内空气充分混合,导致室内不同区域内的污染物浓度一致,不利于在人员流动性强的建筑中使用;置换通风会通过羽流作用卷吸热源周围的空气置换排除污染物,不会再与周围空气混合,具有更高的通风效率。因此,置换通风具有更好的排污能力,能够有效抑制病毒在高大空间公共建筑中传播。

3) 在干热气候区,较高的湿球温度使蒸发冷却空调不能得到很好的使用。本文将置换通风与蒸发冷却空调(全新风形式)结合使用后,送风温度提高4 ℃,送风量减少37.5%,不仅可以改善人员活动区空气质量,还可以使此类地区更好地使用蒸发冷却空调,降低工程设备造价及应用成本,减少碳排放,达到良好的节能效果。

置换通风将舒适的冷空气直接送入人员活动工作区。蒸发冷却空调通过冷却加湿的方式降低室内环境温度,但蒸发冷却空调受自然条件影响,其供冷能力和使用范围有限。若将置换通风和蒸发冷却空调结合,则可充分发挥蒸发冷却空调优势,弥补其不足。