一種大空間分層空調(diào)的設計方法及其應用

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1、一種大空間分層空調(diào)的設計方法及其應用摘要：本文探討并應用了一種基于多區(qū)熱質(zhì)平衡模型的分層空調(diào)設計方法。多區(qū)熱質(zhì)平衡模型包括多股射流速度重合與流量、垂直壁面換熱與流動、表面熱平衡、區(qū)域熱質(zhì)平衡等子模型。該方法從研究多股平行非等溫射流的特性以及大空間垂直溫度分布特點入手，其計算條件為相應的室外計算參數(shù)、空間幾何尺寸、圍護結構傳熱特性以及內(nèi)部已知散熱源，計算過程包含了傳導、對流和輻射的三傳耦合。通過模型的求解，可以得出相應的設計參數(shù)，如空調(diào)負荷、空調(diào)送風量、噴口的尺寸與數(shù)量等。在穩(wěn)態(tài)條件假設下，與原有的分層空調(diào)設計方法進行了比較，指出了原有方法的不足之處。關鍵詞：熱質(zhì)平衡模

2、型分層空調(diào)穩(wěn)態(tài)假設1分層空調(diào)技術背景1.1技術發(fā)展近年來，大空間建筑在工業(yè)和民用場合出現(xiàn)越來越多，分層空調(diào)技術在各類大空間建筑中應用也更加廣泛。分層空調(diào)作為一種特殊的氣流方式，于20世紀60年代最早出現(xiàn)在美國，后又在日本、中國等開始大量應用[1]。分層空調(diào)一般可以定義為：在大空間兩側或單側腰部設置送風噴口，下部同側均勻設置回風口，運用多股平行非等溫射流將空間隔斷為上下兩部分，僅對下部空調(diào)，形成“空調(diào)區(qū)”，對上部通風形成“非空調(diào)區(qū)”。國外學者曾對分層空調(diào)氣流進行了模型試驗，并試圖對分層空調(diào)進行理論解析，但其結論很難應用于實際工程[2]。20世紀80年代，中國建筑科學研究

3、院對分層空調(diào)進行了大量的模型試驗，提出了“分層空調(diào)氣流組織計算方法”、“分層空調(diào)熱轉(zhuǎn)移負荷計算方法”等[2,3]，成為目前國內(nèi)大空間建筑分層空調(diào)設計的主要參考依據(jù)。此后，又有人采用CFD技術、簡易能量平衡模型等手段對分層空調(diào)橫向隔斷氣流以及室內(nèi)溫度分布進行了研究，特別是對垂直溫度分布特點的研究已成為進一步解決大空間建筑節(jié)能和良好熱舒適環(huán)境的重要途徑，文獻[4]結合國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，綜述了近些年CFD模型、能量平衡法、實驗手段等方面的重要進展。1.2存在問題就目前來看，關于多股平行非等溫射流的理論已較為成熟，從實驗、解析到數(shù)值模擬都有一些研究成果[2,5,6]。然而，對于

4、分層空調(diào)氣流下負荷的解析計算以及能耗的分析還有待進一步的深入研究。文獻[2,3]雖然系統(tǒng)給出了分層空調(diào)的設計方法和過程，但仍然缺乏理論依據(jù)，有不少地方是值得商榷的，比如，在確定非空調(diào)區(qū)溫度時，采用以下方法：（1）式中，為空調(diào)區(qū)計算溫度，由工藝確定；為非空調(diào)區(qū)計算溫度；為屋蓋下空氣溫度或排風溫度，取室外計算溫度附加2~3oC。實際上，非空調(diào)區(qū)的溫度是隨室內(nèi)外條件而變化的，并不是定值，其取值范圍只能適用于某些情況，再者讓工程人員在設計過程中憑經(jīng)驗人為取值也是不合理的。另外，為了計算非空調(diào)區(qū)對空調(diào)區(qū)的輻射熱轉(zhuǎn)移負荷，文獻[3]采用下式確定圍護結構內(nèi)表面溫度：（2）式中，為圍

5、護結構內(nèi)表面溫度；為室內(nèi)計算溫度，即或；為綜合溫差；圍護結構傳熱系數(shù)；為內(nèi)表面換熱系數(shù)，可取8.72ontcarlor法計算[8]。此外，垂直壁面換熱與流動規(guī)律與BLOCK模型介紹的壁面流子模型[7]方法相同，認為由自然對流驅(qū)動壁面附近空氣流動，并通過相應判斷方法確定垂直流動以及回流空氣量。最后，通過對各個區(qū)域進出空氣量以及熱量建立平衡方程使得整個模型封閉。3基于多區(qū)熱質(zhì)平衡模型的分層空調(diào)設計方法在已知工作區(qū)溫度以及室外溫度條件下，設計計算過程與垂直溫度分布的預測是統(tǒng)一的，通過多區(qū)熱質(zhì)平衡模型求解垂直溫度分布，同時計算空調(diào)區(qū)得熱，最后便可確定滿足工作區(qū)溫度的分層空調(diào)方

6、式及噴口尺寸、數(shù)量、出風速度等設計參數(shù)。另外，對于上部非空調(diào)區(qū)機械通風系統(tǒng)，考慮到最大限度利用自然風、減小對空調(diào)區(qū)的熱轉(zhuǎn)移以及經(jīng)濟性等的多重要求，其合理設計屬于多參數(shù)優(yōu)化問題，目前有還待進一步研究。圖3描述了含機械通風系統(tǒng)優(yōu)化的基于多區(qū)熱平衡模型的分層空調(diào)設計流程。流程圖中，垂直溫度分布預測需要一個疊代求解過程，分層空調(diào)氣流組織設計與大空間垂直溫度分布預測是交叉的。這種交叉就是要保證滿足空調(diào)區(qū)設計溫度，并同過多股射流流量的計算得以實現(xiàn)。最終，當垂直溫度分布前后兩次疊代值滿足計算精度時，整個過程才結束。(責任編輯：)4分層空調(diào)設計方法的應用及比較圖4圍護結構外表面綜合溫

7、度分布在程序計算過程中，本文構造了一系列局部疊代和全局疊代，引入了變欠松弛技術，疊代初期取用大的松弛因子，后期不斷減小。為考察疊代的收斂性，分別判別了區(qū)域溫度、區(qū)間質(zhì)量流疊代誤差兩個指標。計算對象取一45m×30m×20m大空間建筑。考慮到空調(diào)區(qū)人員設備等熱源，取空調(diào)區(qū)內(nèi)熱12-3?？照{(diào)區(qū)濕量20kg·h-1（需判斷送風結露與否）。氣流計算中取射流垂直落差為水平射程的1/4。工作區(qū)高為2.5m。工作區(qū)平均風速0.25m/s。將建筑空間垂直劃分為12個區(qū)域（先根據(jù)工作區(qū)高度以及射流特性確定下面兩個區(qū)高度，再均分上部空間為10個區(qū)）。上部不設通風?？照{(diào)系