大跨度空间非等间距喷口送风空调设计方法*

舒海文 马天驰 高 进

(1.大连理工大学,大连;2.大连理工大学土木建筑设计研究院有限公司,大连)

0 引言

空调系统能耗占建筑总能耗的30%～50%[1],设计不当容易造成较大的能源浪费。大跨度公共建筑经常采用喷口送风空调设计方案,存在空调区局部冷热不均、竖直温差较大、吹风感明显等问题[2]。工程中,传统气流组织设计方法是按照射流经验公式[3]计算工作区流速,并验证其对人体是否适宜。此方法实际上是基于室内负荷均匀分布的情形,并经过适当的简化[4],因而在室内负荷分布明显不均匀时,会存在较大误差甚至失效。

自1974年丹麦的Nielsen首次将计算流体动力学(CFD)技术引入到暖通空调领域[5],CFD技术在预测室内气流组织状况、改进空调系统设计方面取得了许多优秀的研究成果[6-11]。CFD方法相对于传统方法而言,适用范围更广,对室内气流分布预测更准确。

经调研发现,采用喷口送风的工程默认采用等间距的喷口布置方法[12-14],如前所述,该设计方法在室内负荷分布不均匀时存在较大问题,因此,本文提出了喷口非等间距布置的设计方法,并以某多功能厅为例,详细阐述了该设计方法,并利用CFD软件进行了模拟计算,验证了该设计方法的可行性。

1 大跨度空间等间距喷口设计方法及其问题分析

喷口送风依靠喷口吹出的高速射流实现送风,主要适用于大跨度建筑空间的气流组织,其中喷口侧向送风形式的应用最广泛[3]。为了说明等间距的风口设计方法及其可能存在的问题,下面以一个具体案例进行阐述。

1.1 案例概况

以沈阳市某酒店的多功能厅(如图1所示)为研究对象,房间长25.2 m、宽16.8 m,南墙高3.30 m、北墙高2.85 m,西、北两侧为外墙,东、南两侧为内墙,为一斜顶空间。外墙传热系数为0.47 W/(m2·K),外窗传热系数为2 W/(m2·K)。经计算,房间总全热冷负荷为16 456 W,总显热冷负荷为11 700 W。其中,人员、设备、照明负荷为7 643 W,西墙与西面8扇外窗的冷负荷为2 522 W,北墙与北面玻璃幕墙的冷负荷为1 536 W,其余两面墙体与空调房间相邻,没有冷负荷。可见,各朝向的围护结构负荷明显分布不均。

1.2 等间距喷口送风设计方案的确定

计算得射流末端轴心速度vx=0.87 m/s,射流末端平均速度vp=0.43 m/s,喷口送风速度和射流末端平均速度均符合要求。

经校核,实际喷口送风速度v′s=4.42 m/s,符合舒适性空调要求。

因此,确定每侧等间距设置7个直径为0.2 m的圆形喷口送风,喷口安装高度为2.6 m,回风口为矩形风口,尺寸为400 mm×320 mm。喷口布置如图2所示。

图2 等间距方案喷口布置示意图

1.3 等间距喷口送风设计方案的气流组织分析

前面采用传统的射流公式法确定了等间距的喷口设计方案,本节采用Fluent软件对其进行数值模拟,并简要分析室内温度、速度分布和热舒适性指标。模拟计算结果如图3～5所示(具体的建模方法及条件设置见第2.2节)。

图3 等间距喷口送风方案高度分别为1.5、1.8 m平面的温度云图

对上述数值模拟计算结果简要分析如下:

1) 温度分布情况。从图3可见,在1.5 m和1.8 m高的截面上,温度分布总体较为均匀,但房间西侧空气温度为24.6 ℃,明显高于东侧空气平均温度23.4 ℃。结合室内负荷分布情况,推测房间东西侧温差略大的原因为:西侧和北侧围护结构形成的冷负荷较大,而东侧和南侧的围护结构并没有产生冷负荷。

2) 风速分布情况。规范要求夏季空调区风速小于0.3 m/s[15],且室内由于吹风感造成的不满意度DR值不大于20%。由图4可知,工作区部分区域风速已明显超过0.3 m/s,而大部分区域的DR值在20%之内(见图5c)。整体来看,风速偏大且在整个房间内的分布不均匀,不符合规范要求。

图4 等间距喷口送风方案高度为1.8 m平面的速度云图

图5 等间距喷口送风方案高度为1.8 m平面的热舒适性指标分布云图

3) 热舒适性指标情况。如图5所示,热舒适性指标PMV、PPD和DR在z=1.8 m的水平截面上的分布并不理想,对应GB/T 50785—2012《民用建筑室内热湿环境评价标准》[16]的热舒适等级为Ⅲ级(见表1)。受射流影响,PMV值最低达到-1.4,PPD值达到40%,DR值达到30%,且影响区域的范围没有得到很好的控制。热舒适指标虽算合格,但等级较低,PMV、PPD、DR在房间中部区域上的分布明显不均匀,且不均匀区域较大。

表1 热舒适评价等级

综上可知,在等间距喷口送风方案下,尽管室内空气平均温度基本满足夏季室温的要求,但部分区域的风速明显偏大,且热舒适等级较低,室内热舒适性指标的分布明显不均匀。经初步分析,判断原因在于该大跨度房间的负荷分布明显不均匀。

2 大跨度空间非等间距喷口设计方法及验证

为解决大跨度房间负荷分布明显不均匀时采用等间距喷口送风存在的问题,本文提出了一种非等间距喷口送风设计方法,并以上述多功能厅为例,具体阐述了该设计方法,并利用CFD模拟计算结果验证了其可行性。

2.1 非等间距喷口送风设计方法

非等间距喷口送风设计方法与传统方法的主要区别在于,在布置喷口时需要考虑室内负荷分布的具体情况,总的原则是:对于负荷占比大的区域应减小喷口的布置间距;反之,喷口间距应适当增大。以下结合前述案例,具体阐述该非等间距喷口送风设计方法。

1) 分区计算房间空调冷负荷(可根据经验进行分区,按与喷口送风方向平行进行划分,建议不少于4个区,见图6),并根据总负荷确定送风参数,按照射流公式法计算得到送风口数量n、风口尺寸等结果,具体可参见《实用供热空调设计手册》[3]。

图6 房间分区示意图

根据1.2节的计算结果,在多功能厅南北两侧各布置7个直径为0.2 m的圆形喷口。

2) 用各分区负荷占房间总负荷的比例乘以总送风口数量n,得到该分区应布置的风口数量。另外,根据具体的计算结果,将风口数量较多(或较少)的相邻区域适当合并,经四舍五入,得到重新分区后各分区的风口数量。然后,在合并后的分区内,根据负荷情况布置风口,得到非等间距喷口送风设计初步方案。

本文算例中,将多功能厅沿东西方向平均分为7个区域,分别计算负荷占比,相应得出各区应布置喷口数量,计算结果见表2。从表2可见,区域1、2内风口数量明显偏多,故将这2个区域合并成1个区域,共需3个喷口,其余区域合并成1个大的区域,共需4个喷口。根据重新合并后各分区的负荷情况,适当布置风口,喷口布置示意图见图7。此外,考虑到房间为斜顶且层高较低的特点,调整喷口送风角度为水平向上倾斜10°。

表2 多功能厅分区负荷及喷口分布

图7 非等间距喷口布置示意图

3) 根据房间的实际情况,利用CFD软件构造房间计算模型,对步骤2)中设计方案进行数值模拟,从工作区的温度场、速度场和热舒适度三方面,分析喷口布置方案的效果。本文案例的数值模拟计算结果见2.2节。

4) 如果步骤3)的模拟计算结果能够满足设计目标,则完成设计;否则,结合模拟计算结果,返回步骤2)重新进行区域合并,然后再按步骤3)继续进行模拟计算。

通常,经过1～2次的区域合并操作即可得到满意的风口布置方案。

2.2 非等间距喷口送风设计方案的数值模拟验证

2.2.1物理模型的简化

本文算例的多功能厅建筑面积为413.52 m2,包括8扇西外窗与2扇北外窗,建筑的数值模拟计算域如图8所示。

图8 计算域轴测图

机械通风房间内的空气流动一般属于非稳态湍流流动,在利用CFD软件进行模拟时,需要对物理模型进行一定的假设和简化处理[17]。本文作假设如下:1) 夏季室内环境温度为25 ℃,即室内空气温度和内围护结构内表面温度都为25 ℃;2) 室内空气视为不可压缩的牛顿流体,且忽略温度变化对空气比热容、动力黏度和导热系数的影响;3) 忽略空气的辐射和吸收特性。

2.2.2数值模拟条件设置

本文算例的喷口送风采用5 ℃温差。送风喷口设置为速度入口,送风温度为20 ℃,风速为4.42 m/s;回风口设为压力出口。考虑多功能厅内人员、设备、灯光呈围绕桌子分布的特点,将室内人员、设备、灯光的显热散热拟合成6个物体的显热散热,并以“矩形桌子”代替,尺寸为4 500 mm×500 mm×1 000 mm(长×宽×高),设为内热源,壁面热流密度为显热散热量除以热源总表面积,计算结果为99.68 W/m2。围护结构的边界条件按相应的冷负荷设置为常热流,即第二类边界条件,其余没有冷负荷的围护结构设置为恒温壁面,即第一类边界条件。边界条件设置见表3。

表3 边界条件设置

根据建筑平面图建立全尺寸模型,采用六面体结构化网格。利用RNGK-ε湍流模型[18]和S2S(surface to surface,表面到表面)辐射模型,经过网格独立性验证后,网格数量确定为381万。采用基于压力的隐式格式求解器,用Couple算法求解压力速度耦合,压力的空间离散采用PRESTO!格式,其他项的空间离散格式均采用二阶迎风格式。

2.2.3非等间距喷口送风方案数值模拟计算结果

利用前面所建立的数值计算模型,对非等间距喷口送风空调设计方案的室内温度场、速度场进行了详细的模拟计算,结果分别见图9、10,并根据热舒适性计算模型编写UDF(用户自定义函数),导入Fluent软件计算后,获得3个热舒适性指标(PMV、PPD和DR)的详细结果,如图11所示。

图9 非等间距喷口送风方案不同截面温度云图

2.2.4非等间距喷口送风方案模拟计算结果分析

通过对模拟计算结果的整理,并与等间距喷口送风方案的模拟计算结果进行对比,简要分析如下:

1) 温度分布情况。由图9可见,室内平均温度约为24.2 ℃,靠近围护结构的位置温度较高,最高温度出现在屋顶附近,两侧喷口的侧送风使房间受屋顶的影响较小,空调区(即人员活动区)温度分布比较均匀,能够满足人员的舒适度要求,且空调区在竖直方向上的温差较小,不超过3 ℃。总体来看,在房间内温度均匀性方面比等间距送风方案有明显的提升。

2) 风速分布情况。由图10可见,喷口送风速度衰减较快,空调区的风速基本保持在0.2 m/s以内,符合标准要求。尽管射流末端也有风速略大的情况,但与等间距喷口送风方案相比,局部风速较大区域明显缩小,且非等间距喷口送风方案下空调区风速可以控制在更小的范围内,分布也更均匀。

图10 非等间距喷口送风方案z=1.8 m截面速度云图

3) 热舒适性指标情况。由图11可见,房间大部分区域的热舒适等级都能达到Ⅰ级标准,只有很小的局部区域受射流影响,热舒适等级略有降低,但也能达到Ⅱ级标准,PMV指标基本处于±0.2之间,PPD指标在10%以内,吹风感DR也总体保持在10%以内,舒适性良好。相比于热舒适等级为Ⅲ级的等间距喷口送风方案来说,非等间距喷口送风方案下室内各热舒适指标均得到了明显改善。

图11 非等间距喷口送风方案z=1.8 m截面热舒适性指标分布云图

3 结束语

针对采用喷口送风空调方案的建筑工程房间空调负荷分布不均匀情况,本文提出了一种非等间距布置喷口的送风设计方案,并结合某酒店的多功能厅案例,给出了非等间距喷口送风方案的具体实施方法;然后利用CFD软件对该多功能厅在等间距和非等间距喷口布置方案下的气流组织效果进行了评估,具体从空调区的空气温度场、速度场和热舒适性指标(PMV、PPD、DR)分布方面进行了对比,结果显示,在非等间距喷口布置方案下,这些指标均得到明显的改进,从而验证了本文提出的非等间距喷口送风设计方案的可行性,为类似的喷口送风空调设计提供指导。