白音夫，敬成君，徐 龍，扈 崢

(四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院,四川成都610065)

隨著社會(huì)進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們的生活水平不斷提高，對(duì)建筑環(huán)境的舒適度有了更高的要求，因而對(duì)通風(fēng)空調(diào)技術(shù)的要求相應(yīng)提高，空調(diào)效果成了人們關(guān)心的重點(diǎn)。而對(duì)于工業(yè)廠房這類(lèi)高大空間建筑而言，其特點(diǎn)是體積大、圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱量大、內(nèi)部熱源散熱大，空調(diào)負(fù)荷較大。對(duì)于這類(lèi)特殊空間建筑，科學(xué)合理的設(shè)計(jì)氣流組織，確保建筑物空氣溫度、氣流速度及分布滿足機(jī)器散熱的需要，同時(shí)又保證空調(diào)系統(tǒng)能耗較低、能源利用率高具有重要的意義。送排風(fēng)方式是影響氣流組織的重要因素。合理的送排風(fēng)方式可以避免渦流、回流，增加空氣清新的程度；而送風(fēng)速度不變的情況下，合理的送排風(fēng)方式會(huì)加大室內(nèi)風(fēng)速使得機(jī)器與周?chē)h(huán)境之間的換熱增加，進(jìn)而節(jié)約能源。

目前，對(duì)于高大空間公共建筑，其空調(diào)氣流組織主要有上送風(fēng)方式、側(cè)送風(fēng)方式、下送風(fēng)方式以及多種氣流組織合用的方式。對(duì)于工業(yè)廠房建筑，設(shè)計(jì)人員多憑經(jīng)驗(yàn)采用上送風(fēng)方式或者側(cè)送風(fēng)方式，回風(fēng)的位置確定也比較隨意，較少利用科學(xué)手段優(yōu)化設(shè)計(jì)。本文結(jié)合工程實(shí)際，運(yùn)用CFD方法，深入研究工業(yè)廠房8種氣流方式分別為：同側(cè)中送中回、異側(cè)中送中回、同側(cè)上送下回、同側(cè)下送上回、異側(cè)下送上回、異側(cè)上送下回、異側(cè)下送下回、異側(cè)上送上回。探討常規(guī)設(shè)計(jì)的合理性與局限性，從而為設(shè)計(jì)人員提供相關(guān)的參考。

1 數(shù)值模擬

1.1 物理模型

該工業(yè)廠房位于四川省綿陽(yáng)市，其建筑外形尺寸為75 m×9 m×105 m(長(zhǎng)×高×寬)，內(nèi)含6個(gè)160 kW的散熱源，尺寸為15 m×3.5 m×15 m(長(zhǎng)×高×寬)，送風(fēng)口尺寸為3.6 m×0.25 m(長(zhǎng)×高)，排風(fēng)口尺寸為2.6 m×1.6 m(長(zhǎng)×高)，根據(jù)以上尺寸，建立8種方案的物理模型。其中X方向?yàn)殚L(zhǎng)，Y方向?yàn)楦?，Z方向?yàn)閷?見(jiàn)表1)。模型如圖1所示。

表1 送風(fēng)方式

1.2 數(shù)學(xué)模型

為了簡(jiǎn)化問(wèn)題，作如下的假設(shè)：

(1)空調(diào)室內(nèi)空氣為不可壓縮，空氣物性為常數(shù)，室內(nèi)空氣為輻射透明介質(zhì)。

(2)流動(dòng)為穩(wěn)態(tài)湍流。

(3)考慮重力因素，對(duì)于浮升力的作用，采用Boussinesq密度假設(shè)。

(4)墻壁氣密性好，不考慮漏風(fēng)的影響。

(5)室內(nèi)人員散熱都按一定比例分散到室內(nèi)熱源設(shè)備上，其他熱源包括建筑得熱、照明負(fù)荷都按照一定的比例分散到地面、吊頂以及外墻上。

(6)忽略凝結(jié)相變?cè)斐傻挠绊憽?/p>

根據(jù)實(shí)際情況采用由Launder和Spalding等提出的k-ε雙方程模型。其控制方程統(tǒng)一寫(xiě)為通用的輸運(yùn)方程形式：

對(duì)于速度，按照固體壁面無(wú)滑移邊界條件處理，對(duì)于K和ε則按照壁面函數(shù)法來(lái)處理。房間圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能良好，壁面按第二類(lèi)邊界條件處理，送風(fēng)口采用速度入口邊界條件，排風(fēng)口采用自由出流邊界條件。根據(jù)空調(diào)設(shè)計(jì)方案計(jì)算結(jié)果其邊界條件如表2。

表2 邊界條件

基于以上的模型和邊界條件,在Y軸設(shè)置g=-9.8 m/s2的重力加速度，取一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，采用有限體積法的一階差分格式離散控制方程，速度和壓力的耦合采SIMPLE算法進(jìn)行求解。

2 模擬結(jié)果與分析

在分析結(jié)果前把人體舒適高度簡(jiǎn)化為距離地面1.5 m，所以以下檢測(cè)面均為距地面1.5 m處。

2.1 同側(cè)中送中回分析結(jié)果

圖2可以看出速度場(chǎng)分布大體均勻，邊角及散熱源遮擋處速度較低，廠房中間及散熱源側(cè)面速度較高，最高可達(dá)1 m/s，吹風(fēng)感較強(qiáng)，廠房平均風(fēng)速為0.3 m/s；由圖3可以看出溫度分布大體均勻，廠房邊角溫度較高，溫度最高處可達(dá)到51℃，廠房中間由于送風(fēng)無(wú)遮擋，溫度最低可達(dá)24℃，平均溫度為26.7℃。

圖2 速度場(chǎng)

圖3 溫度場(chǎng)

由airpak得出的PMV值反映的是人體舒適度，ISO提出-0.5

圖4 熱感覺(jué)

2.2 異側(cè)中送中回分析結(jié)果

圖5可以看出速度場(chǎng)分布大體均勻，廠房中間速度較低，送風(fēng)初始方向與回風(fēng)初始方向速度最高，最高可達(dá)0.9 m/s，工作區(qū)吹風(fēng)感較強(qiáng)，廠房平均風(fēng)速為0.3 m/s；圖6可以看出溫度分布不均勻，送風(fēng)邊溫度較高，溫度最高處可達(dá)到50℃，廠房中間由于送風(fēng)無(wú)遮擋，溫度最低可達(dá)22℃，平均溫度為25.3℃。

僅以圖7工作區(qū)PMV值分析，工作區(qū)基本所有PMV值為-3，不滿足舒適度要求，這說(shuō)明該廠房使用異側(cè)中送中回送風(fēng)方式大部分無(wú)法滿足舒適度要求。

圖5 速度場(chǎng)

圖6 溫度場(chǎng)

圖7 熱感覺(jué)

2.3 同側(cè)上送下回分析結(jié)果

圖8可以看出速度場(chǎng)分布大體均勻，墻四周速度較低，排風(fēng)口上方速度最高，最高可達(dá)1.7 m/s，工作區(qū)風(fēng)速適中，廠房平均風(fēng)速為0.3 m/s；圖9可以看出溫度分布大體均勻，墻四周及散熱源溫度較高(屬正常現(xiàn)象)，溫度最高處可達(dá)到53℃，廠房中間由于送風(fēng)無(wú)遮擋，溫度最低可達(dá)24℃，平均溫度為26.5℃。

圖8 速度場(chǎng)

圖9 溫度場(chǎng)

僅以圖10工作區(qū)PMV值分析，工作區(qū)PMV值分布平均，平均值為0.4，滿足舒適度要求，這說(shuō)明該廠房使用同側(cè)上送下回送風(fēng)方式滿足舒適度要求。

圖10 熱感覺(jué)

2.4 同側(cè)下送上回結(jié)果分析

圖11可以看出速度場(chǎng)分布也不均勻，墻四周速度較低，噴口下方速度最高，最高可達(dá)4.4 m/s，工作區(qū)風(fēng)速較高，吹風(fēng)感強(qiáng)烈，廠房平均風(fēng)速為0.7 m/s；圖12可以看出溫度分布不均勻，工作區(qū)大部分溫度較低，溫度最低處可達(dá)到19℃，平均溫度為23.8℃。

圖11 速度場(chǎng)

圖12 溫度場(chǎng)

僅以圖13工作區(qū)PMV值分析，工作區(qū)PMV值分布平均，平均值為-2.5，不滿足舒適度要求，這說(shuō)明該廠房使用同側(cè)下送上回送風(fēng)方式大部分不滿足舒適度要求。

圖13 熱感覺(jué)

2.5 異側(cè)下送上回結(jié)果分析

圖14可以看出速度場(chǎng)分布不均勻，排風(fēng)口所在墻速度較低，噴口下方速度最高，最高可達(dá)3.7 m/s，工作區(qū)風(fēng)速較高，吹風(fēng)感強(qiáng)烈，廠房平均風(fēng)速為0.6 m/s；圖15可以看出距地面高1.5 m處溫度分布大體均勻，排風(fēng)口所在墻體溫度較高，最高可達(dá)50℃，送風(fēng)口下部溫度較低，溫度最低處可達(dá)到20℃，平均溫度為25℃。

僅以圖16工作區(qū)PMV值分析，工作區(qū)PMV值分布平均，平均值為-3，不滿足舒適度要求，這說(shuō)明該廠房使用異側(cè)下送上回送風(fēng)方式大部分不滿足舒適度要求。

圖14 速度場(chǎng)

圖15 溫度場(chǎng)

圖16 熱感覺(jué)

2.6 異側(cè)上送下回結(jié)果分析

圖17可以看出速度場(chǎng)分布大體均勻，排風(fēng)口處速度較高，最高可達(dá)1.6 m/s，工作區(qū)風(fēng)速均勻，吹風(fēng)感適中，廠房平均風(fēng)速為0.3 m/s；圖18可以看出溫度分布大體均勻，排風(fēng)口所在墻體溫度較高，最高可達(dá)51℃，送風(fēng)口下部溫度較低，溫度最低處可達(dá)到22℃，平均溫度為25.5℃。

僅以圖19工作區(qū)PMV值分析，工作區(qū)PMV值分布平均，平均值為0.65，工作區(qū)大部分氣流組織滿足舒適度要求，PMV值較高地方均為散熱源表面(屬于正?，F(xiàn)象)，這說(shuō)明該廠房使用異側(cè)上送下回送風(fēng)方式滿足舒適度要求。

圖17 速度場(chǎng)

圖18 溫度場(chǎng)

圖19 熱感覺(jué)

2.7 異側(cè)下送下回結(jié)果分析

圖20可以看出速度場(chǎng)分布不均勻，送風(fēng)口下部速度較高，最高可達(dá)4.1 m/s，排風(fēng)口所在墻體速度較低，工作區(qū)風(fēng)速不均勻，吹風(fēng)感強(qiáng)烈，廠房平均風(fēng)速為0.6 m/s；圖21可以看出溫度分布不均勻，送風(fēng)口所在墻體及排風(fēng)口處溫度較高，最高可達(dá)51℃，送風(fēng)口噴口處溫度較低，溫度最低處可達(dá)到22℃，平均溫度為26℃。

僅以圖22工作區(qū)PMV值分布平均，平均值為-2.0，不滿足舒適度要求，這說(shuō)明該廠房使用同側(cè)下送上回送風(fēng)方式大部分不滿足舒適度要求。

圖21 溫度場(chǎng)

圖22 熱感覺(jué)

2.8 異側(cè)上送上回結(jié)果分析

圖23可以看出速度場(chǎng)分布大體均勻，個(gè)別地方風(fēng)速較高，最高達(dá)0.9 m/s，工作區(qū)基本無(wú)風(fēng)，廠房平均風(fēng)速為0.3 m/s。圖24可以看出溫度分布大體均勻，排風(fēng)口所在墻體溫度較高，最高可達(dá)50℃，中間送風(fēng)口下部溫度較低，溫度最低處可達(dá)到22℃，平均溫度為25.2℃。

僅以圖25工作區(qū)PMV值分析，工作區(qū)PMV值分布平均，平均值為0.56，工作區(qū)大部分氣流組織滿足舒適度要求，PMV值較高地方均為散熱源表面(屬于正常現(xiàn)象)，但工作區(qū)基本無(wú)風(fēng)現(xiàn)象使得工作區(qū)空氣質(zhì)量較低，舒適度下降。這說(shuō)明該廠房使用異側(cè)上送上回送風(fēng)方式不滿足舒適度要求。

圖23 速度場(chǎng)

圖24 溫度場(chǎng)

圖25 熱感覺(jué)

3 結(jié)論

通過(guò)數(shù)值模擬，對(duì)該工業(yè)廠房采用八種送排風(fēng)方式進(jìn)行了氣流組織的綜合比較，結(jié)果表明：

(1)針對(duì)本例中的廠房采用同側(cè)上送下回和異側(cè)上送下回的送風(fēng)方式基本可以滿足室內(nèi)舒適度要求，同側(cè)上送下回的方式PMV值更接近0，對(duì)于整個(gè)廠房來(lái)說(shuō)舒適度更好一些，但就工作區(qū)而言，異側(cè)上送下回方式中工作區(qū)的溫度比同側(cè)上送下回的溫度要更舒適一些。

(2)針對(duì)本例中的廠房采用同側(cè)或異側(cè)下送風(fēng)方式的時(shí)候工作區(qū)的風(fēng)速過(guò)大，氣溫過(guò)低，均不滿足室內(nèi)舒適度的要求。

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