上海辛丞--空调通风作用

2020/6/22 11:42:18 点击：

展览建筑的空调通风设计不同于其他类型的建筑，具有以下特点：

①展厅空间高大，人员密度高。

②展厅内空调属舒适性空调，一般只要求人们活动的范围即距地面约 1.5~2m 左右的高度内具有较好的舒适度即可。

③展厅室内垂直和水平温度分布较难控制，容易造成室内温度分布不均现象。

④展厅内人员为流动状态，即使局部气流速度稍高对人员也不会有不舒适感。

（1）常见的气流组织方式

1）侧送风方式

侧送风方式，是展厅采用最广泛的一种空调送风方式，其中采用喷口送风方式最为常见。若要求送风覆盖范围超过30m，则可考虑喷口在高度上分层布置，较高的喷口用来满足距离较远的人员区，较低的喷口则用以控制近距离内的送风要求。

大型展厅如跨度很大，两侧对喷射程亦不够，一种解决方法是将喷口布置在顶棚网架内；另外一种解决方法是在展厅内配合室内装饰布置若干个空调送风柱，喷口沿送风柱周长布置，向四周送风，以形成辐射状射流，既可解决远距离送风的困难，又可维持分层空调节能的优点。喷口应选择可调型，以便冬夏季的转换，适时调节喷口送风角度。

2）上送风方式

上送风方式，是指将送风口安装在展览大厅的顶棚或上部网架内，回风口设在周边侧墙或顶棚上。由于展厅空间高大，适用的风口主要有喷口和旋流风口。旋流风口具有风量大、送风深且广、噪声低、送风流型可调、人员区风速易控制、阻力特性稳定等特点，因而被很多新建展厅所采用。

从使用效果上来讲，上送风方式是比较好的，它能将处理好的空气均匀送到各个部位，以满足不同区域所需的空调参数。但它的缺点是：将悬浮于上部的热和污浊空气带入人员区，比其他方式更耗费能源。

3）下送风方式

下送风方式，是指将送风口安装在地面上，直接向室内人员送风，回风口设在顶棚或侧墙上部。其优点是：空气直接送至人员区，空气品质好；避免了将灯光和屋面负荷的对流部分带入空调区域，减少了设计负荷和空调设备，节省了能耗；人员区温度场和速度场均匀，舒适感强。其缺点是：风口数量多，地下管道布置较为困难；室内清洁工作较难处理；风口占用地面面积，并难于适应展位位置经常变化的要求。

（2）调研资料

通过实地考察调研与文献调研，了解国内不同地区展厅空调气流组织设计情况。表 1~2 为调研资料。

速以及入射角度不同，将对整个展厅的气流组织产生较大影响；当采用不同送风方案时，气流组织形式也会有很大的不同。

本文通过对某大型展厅不同送风形式的比选，研究喷口安装高度、间距以及喷口直径、出口风速等主要影响因素，提出使送风可以较为均匀地送到人员活动区、满足展厅内温度和风速舒适性要求的空调通风策略。

负荷计算

（1）室内空气设计参数及有关指标

模型分析

（1）几何尺寸的选取

模型选取以及简化过程，应在不影响结果准确性的前提下以消耗最少计算机、时间、人力资源的原则进行物理建模及简化。

考虑本项目内部空间较为规则，先选取具有代表性的一跨作为研究对象，并判断对其最终结果的影响。为此，作者进行了 9m 宽模型与 36m 宽模型对气流组织的敏感性分析。在分析过程中，应保证边界条件、湍流模型、收敛判定条件以及网格尺寸的一致（图２）。

边界条件：展位布置 3×3×2.5m；送风口间距为9×9m，每排共计 12 个；回风口高度 0.5m。送风口标高 32~35m 不等；每个风口风量为 3 645m3/h；送风速度 9.27m/s。

1）模型9m 宽

相关模型见图３，面积分布见表６。

2）模型36m 宽

相关模型见图４，面积分布见表７。

3）小结

结论：36m 宽与 9m 宽模型相比，小于 26℃面积范围相差 4%，26~27℃面积范围相差 5%，27~28℃面积范围相差 5%，大于 28℃面积范围相差 4%。

建议：采用 36m 宽模型作为计算模拟单元。

（2）湍流模型与壁面函数

1）湍流模型比较

目前采用比较多的模型是 RANS 模型，而在 RANS中，应用比较多的是两方程模型。包括：标准 k-ε 方程、RNGk-ε 方程、Realizable k-ε 方程。其中标准 k-ε 方程在以前的模拟中应用最广泛。但近年来好多学者发现在使用标准方程时对湍动能的预测会有所偏差，因而，很多学者使用修正系数进行修正，提高了湍动能及粘性系数的预测精度。另有研究学者开始研究和使用 RNG k-ε 方程和Realizable k-ε 方程两种湍流模型。

2）壁面方程和近壁面模型

通常，有两种方法为近壁面区域建模，其中一种方法被称为“壁面方程”的半经验公式来解决，壁面方程的运用能够很好地修正湍流模型，从而解决壁面的存在对流动的影响。另一种方法是湍流模型被修正，从而使壁面处受粘性力影响的区域也能用网格划分来解决，这种方式被称为“近壁面模型”法，图 5、6 表示这两种方法的比较。

对于大多数高雷诺数的流动，壁面方程法能充分节省计算资源。因为在近壁面粘性力影响区域，由于变量的变化太快，因而不需要解决。这种方法经济、实用而且有较高的精度，对于这种流动模拟，是一个很好的处理方法。然而壁面方程法运用在低雷诺数流动区域却并不理想，其所依赖的壁面方程的假设不再成立，在这种情况下，需要用“近壁面模型”来解决粘性力影响区域的流动。

3）小结

综合上述分析，湍流方程采用 RNG k-ε 方程，壁面采用壁面函数法进行处理，网格在壁面处应满足壁面函数，第一个网格节点应布置在 y+=30 附近处。

（3）辐射模型

1）辐射模型

光学深度（ αL）是确定选择辐射模型较好的指标。P-1模型一般都用于光学深度 >1 的情况。若光学深度 >3，Rosseland 模型计算量更小而且更加有效。DTRM 和DO 对于任何的光学深度都适用，但是，它们计算量也更大。因此，如果问题允许的话，应尽可能的选择具有“光学深度限制”的 P-1 或 Rosseland 辐射模型。对于光学深度较小的问题，只有 DTRM 和 DO 模型是适用的（图７）。

2）角系数计算

在热源设置上，大部分为对流换热与辐射换热，对流主要发生在人员活动区，而辐射换热中部分辐射热量投射到屋顶被屋顶吸收，部分辐射热量被周围物体吸收。辐射换热中投射到屋顶的百分比可通过地面与屋顶之间的角系数近似得到（图８）。

由上述计算可知地面对屋顶的角系数为 0.198；地面对外墙的角系数约为 0.04。因此认为辐射热量中有19.8% 的热量投射到屋顶，8.3% 的辐射热量投射到外墙壁面。

3）小结

综合上述讨论，在本文中应考虑辐射模型，并采用S to S 模型进行模拟计算。

（4）喷口模型

大空间空调通风房间一般都是通过喷口的射流来实现送风和室内空气的混合，以达到空调通风的目的。

根据空间射流基本公式、回风口计算公式可以看出，送风口对气流组织的影响远比回风口要大。因而，为了能正确的预测室内空气温度和速度的分布情况，我们应以合理的数学模型来描述喷口入流边界条件。

1）喷口模型

(1) 传统模型，如图９所示，传统模型将风口处理成简单的开口，风口的出风速度按照公式 V=L/A 计算。

(2)基本模型，该模型将风口简化成一个矩形的开口，该矩形的长宽比与原风口的长宽比相同，即他们是相似的，开口面积取风口的实际入流有效面积。

(3) 湍流发展模型，实际上球形喷口出风断面射流速度分布并不均匀，即沿断面径向存在速度梯度。而在传统模型与基本模型中把喷口的入流速度假设成为均匀分布，并设置喷口断面平均速度作为喷口入流边界条件。为了更好的描述喷口速度的断面分布以及喷口出口断面的湍流强度，提出了湍流发展模型。所谓的湍流发展模型，即是在喷口断面上沿入流方向反方向拉伸一段直径等于入流断面的直管段，该直管段与实际工程的送风管道有相同的粗糙度（图 10）。