王蒙 顧煒莉 易小芳 彭小勇

南華大學(xué)土木工程學(xué)院

0 引言

大型建筑空調(diào)能耗占建筑總能耗的 40%～60%，因此空調(diào)節(jié)能顯得尤為重要。與全空調(diào)系統(tǒng)相比，分層空調(diào)因具有節(jié)約能源的優(yōu)勢(shì)而成為目前高大空間最常用的氣流組織形式[1-3]?；疖囌竞蜍噺d是典型的高大空間建筑也主要采用分層空調(diào)系統(tǒng)，其中側(cè)墻腰部送風(fēng)是最常使用的送風(fēng)形式，風(fēng)口類型大都是圓形噴口。當(dāng)冷空氣從噴口自由射出,其射流衰減和降落速度較快導(dǎo)致射程較小，當(dāng)空間跨度較大時(shí)，如果要使射流達(dá)到規(guī)定的射程，送風(fēng)速度通常較大，射流卷吸周圍空氣的能力增強(qiáng)，這對(duì)空調(diào)區(qū)的舒適性以及節(jié)約空調(diào)能耗是不利的。為了提高下部空調(diào)區(qū)的舒適性，噴口的安裝高度，送風(fēng)速度，送風(fēng)角度以及一些組合送風(fēng)方式被大量探究[4-7]，但這些研究通常會(huì)以增加能耗來(lái)提高舒適性，顯然這些并不是最好的方式。如何同時(shí)實(shí)現(xiàn)候車廳內(nèi)環(huán)境舒適和降低空調(diào)能耗仍然是研究的熱點(diǎn)問題。

本文提出了一種利用輻射板誘導(dǎo)氣流的新方法，即將扁形送風(fēng)口與輻射板組合在一起構(gòu)成組合式風(fēng)口，根據(jù)貼附射流原理[8]，輻射板為射流空氣營(yíng)造了局部貼附條件。一方面，輻射板誘導(dǎo)氣流降低速度衰減系數(shù)和冷（熱）空氣的下降（上升）速度，在保證射程的前提下能有效的降低送風(fēng)速度。另一方面，冷卻（熱）氣流與輻射板對(duì)流換熱，使輻射板形成冷（熱）面，輻射板主要與空調(diào)區(qū)其他表面輻射換熱。本文選取某火車站候車廳作為應(yīng)用對(duì)象，探究該送風(fēng)方式是否具有提高空調(diào)舒適性與節(jié)能的潛力。

1 模型建立

1.1 物理模型建立

本文以某火車站候車廳為原型，建立穩(wěn)態(tài)傳熱幾何模型。候車廳空調(diào)區(qū)采用條型風(fēng)口并組合安裝與之同等寬上部設(shè)置保溫材料的金屬輻射板。如圖 1 為該候車廳的簡(jiǎn)化物理模型，采用中送下回，上部排風(fēng)20%的氣流組織形式。該模型的長(zhǎng)×寬 ×高 =30 m×20 m×10 m（取候車廳的一半），內(nèi)部有 4 排背靠背座椅將其簡(jiǎn)化為8 個(gè)長(zhǎng)×寬 ×高=15.4 m×0 .4 m×1 .2 m 的熱源；距地面 4.5 m 處分別設(shè)置 6 個(gè)長(zhǎng)×寬 =1.5 m×0 .1 m 的進(jìn)風(fēng)口；輻射板長(zhǎng)度為3 m、傾斜角度 10°；下部距地面0.5 m 處設(shè)置6 個(gè)長(zhǎng)×寬 =0.8 m×0 .5 m 的回風(fēng)口，頂部設(shè)置6 個(gè)長(zhǎng)×寬 =0.6 m×0 .5 m 的排風(fēng)口，為簡(jiǎn)化模型將燈具與設(shè)備省略。

圖1 高大空間輻射板導(dǎo)流送風(fēng)物理模型

1.2 控制方程和數(shù)值計(jì)算方法

高大空間內(nèi)部空氣流動(dòng)通常自然對(duì)流和強(qiáng)迫對(duì)流同時(shí)存在，需要合適的湍流模型才能確保模擬的正確性，由于本次模擬的模型并不復(fù)雜，選擇 reliablek-ε兩方程模型足以滿足計(jì)算要求，其通用控制方程具體如下：

式中：φ為通用因變量，ε為擴(kuò)撒系數(shù)，S為源項(xiàng)。

另外具體的數(shù)學(xué)模型選取和數(shù)值計(jì)算方法有：1）空間內(nèi)的空氣為不可壓縮定常流動(dòng)，考慮浮升力的影響令空氣參數(shù)滿足Boussinesq 假設(shè)。2）以對(duì)流換熱為主，金屬輻射板輻射換熱為輔，選用 DO 輻射模型來(lái)計(jì)算各壁面間的輻射換熱。3）采用壓力基求解器、simple算法進(jìn)行解析計(jì)算，能量殘差精度達(dá)到 10-6，其他達(dá)到10-3可認(rèn)為計(jì)算收斂。

1.3 邊界條件設(shè)定

參閱《鐵路旅客車站建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》和 《空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)手冊(cè)》可知：客運(yùn)專線候車廳的最大人員密度為0.67 人/m2，每人最小新風(fēng)量為 10 m3/ (人·h)。候車廳的設(shè)計(jì)溫度為 27 ℃，此時(shí)人員的顯熱散熱量按58 W/m2，潛熱散熱量按 50 W/m2計(jì)算，而照明負(fù)荷按19 W/m2計(jì)算，設(shè)備負(fù)荷按8 W/m2計(jì)算。其中中間座椅為每隔 0.6 m 做一個(gè)，僅計(jì)算座椅上總共可有 202人，將顯熱負(fù)荷按面積平均分配到座椅上，采用第二類邊界條件，熱流密度值為 31 W/m2。針對(duì)本文研究對(duì)象，圍護(hù)結(jié)構(gòu)主要包括側(cè)墻、屋頂、地面，其中側(cè)墻傳熱計(jì)算中包含了外窗的傳熱量，采用第二類邊界條件，熱流密度值設(shè)為 44W/m2，屋頂傳熱熱量按第二類邊界條件并附加照明符合，熱流密度值為 35 W/m2，地面本身可以設(shè)置為絕熱，但本文將設(shè)備負(fù)荷，部分人員負(fù)荷及太陽(yáng)輻射熱量平均分配到地面上，熱流密度值為26 W/m2。

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1 氣流組織分析

經(jīng) FLUENT 模擬得到候車廳內(nèi)的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)，選取一些典型切面，對(duì)其速度、溫度分布進(jìn)行分析。考慮到各送風(fēng)口的送風(fēng)參數(shù)都相同，故選取Y=-1.1 m送風(fēng)口縱斷面研究送風(fēng)射流軌跡的變化情況，由于距地面1.1 m 左右是坐姿狀態(tài)下人體頭部高度，故選取高度為1.1 m 的水平切面來(lái)探究送風(fēng)射流對(duì)工作區(qū)的影響。

如圖2 為Y=-1.1 m 送風(fēng)口切面的速度矢量圖，從圖2 中可知：在貼附效應(yīng)作用下，冷空氣先沿輻射板流動(dòng)，送風(fēng)射流流過輻射板后繼續(xù)向前流動(dòng)并逐漸向下彎曲，在空間中部?jī)晒缮淞鞔罱?，一部分向上流?dòng)道道一定距離后又被卷吸到送風(fēng)射流中形成渦旋，一部分射流流入下部空調(diào)區(qū)并向側(cè)墻擴(kuò)散，一些空氣從回風(fēng)口排出，一些空氣繼續(xù)沿側(cè)壁向上運(yùn)動(dòng)后又被卷吸到送風(fēng)射流中，在空調(diào)區(qū)域形成渦旋。

圖2 Y=-1.1 m 風(fēng)口切面的速度矢量圖

如圖3 為Z=1.1 m 切面的速度矢量圖，從圖3 中可知：中部區(qū)域的速度值較小，靠近座椅邊緣處速度增大，最大值為 0.6 m/s，再向側(cè)墻流動(dòng)速度又逐漸減少。產(chǎn)生這種速度分布的原因是空調(diào)區(qū)處于回流區(qū)，氣流從中部側(cè)墻流動(dòng)時(shí)收到回風(fēng)口的吸引和上部渦旋的卷吸作用速度值增大，其中座椅附近上部為渦旋中卷吸作用最強(qiáng)，速度達(dá)最大，再想側(cè)墻流動(dòng)時(shí)渦旋起到約束氣流向前運(yùn)動(dòng)，速度值又逐漸減小，該切面的平均速度為0.26 m/s。

圖3 Z=1.1 m 切面的速度矢量圖

如圖4 所示為Y=-1.1 m 風(fēng)口切面的溫度分布圖，從圖4 中可知，垂直方向溫度分層明顯，在金屬輻射板上部溫度逐漸升高，溫度梯度較大。在金屬輻射板的下方溫度較低也沒有明顯的溫度分層現(xiàn)象，空調(diào)區(qū)平均溫度為26.6 ℃，略低于室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度。

圖4 Y=-1.1 m 風(fēng)口切面的溫度分布云圖

如圖 5 為Z=1.1 m 切面的溫度分布云圖，從圖 5中可知：中部區(qū)域的溫度比較低而越靠近側(cè)墻溫度的逐漸升高，這是因?yàn)榭照{(diào)區(qū)主要處于氣流的回流區(qū)域，氣流從中間向側(cè)墻流動(dòng)的過程中不斷的吸收熱量，空氣溫度逐漸升高。

圖5 Z=1.1 m 切面的溫度分布云圖

2.2 輻射板結(jié)露與供冷能力分析

以輻射板表面溫度與其附近空氣的相濕度達(dá)到100%時(shí)的溫度對(duì)比作為判斷輻射板表面是否會(huì)發(fā)生結(jié)露的依據(jù)，理論上若輻射板表面溫度大于附近空氣露點(diǎn)溫度不會(huì)結(jié)露，否則輻射板將會(huì)結(jié)露。選取中間位置的一塊輻射板為研究對(duì)象（圖 6），其表面的平均溫度 24.9 ℃、最小溫度 23.8 ℃、最大溫度 26.1 ℃，附近流體的溫度 18 ℃，空調(diào)區(qū)的平均溫度 26.8 ℃其對(duì)應(yīng)的露點(diǎn)溫度18.6 ℃，因?yàn)樽钚囟?＞附近流體溫度＞室內(nèi)露點(diǎn)溫度，故輻射板不會(huì)結(jié)露。

圖6 中間一輻射板表面溫度分布圖

輻射板的平均輻射供冷能力約為62.3 W/m2，其中輻射板的輻射換熱量占總輻射換熱量的27.3%，輻射板的輻射換熱在總換熱量中所占比例較小。在實(shí)際應(yīng)用中可從增加輻射板面積，送風(fēng)溫差等增進(jìn)輻射換熱，若不考慮輻射換熱的作用可將輻射板以廣告牌，宣傳牌的形式呈現(xiàn)。

3 側(cè)墻圓噴口送風(fēng)模擬分析

3.1 模型建立與邊界條件設(shè)置

目前，火車站候車廳大多采用圓形噴口送風(fēng)，根據(jù)圓噴口多股平行非等溫射流理論[9]計(jì)算得單個(gè)風(fēng)口的直徑d=0.26 m、風(fēng)口速度為 6.8 m/s、安裝高度 5 m，共有20 個(gè)，其總送風(fēng)量與上一節(jié)相同，物理模型如圖 7，邊界條件除送風(fēng)速度不一樣外其他條件與上一節(jié)的相同。

圖7 高大空間圓形噴口送風(fēng)物理模型

3.2 側(cè)墻圓噴口送風(fēng)的氣流組織分析

典型截面的選取與上節(jié)相似，圖 8 為Y=-1.05 m噴口切面的速度矢量圖，從圖 8 中可知：送風(fēng)射流一邊向前流動(dòng)一邊逐漸偏離水平方向向下降落，兩股氣流在中間相撞后部分氣流向上流動(dòng)，這些氣流受射流的卷吸和自身重力作用下，上升到一定高度后又被卷吸到送風(fēng)射流中形成兩個(gè)明顯的渦旋。部分氣流向下部空調(diào)區(qū)流動(dòng)，受送風(fēng)射流卷吸和回風(fēng)口的吸引向側(cè)墻流動(dòng)，其中一些氣流從回風(fēng)口排出，一些氣流繼續(xù)沿側(cè)墻向上流動(dòng)最后卷入送風(fēng)射流中并在空調(diào)區(qū)形成兩個(gè)渦旋。從射流流動(dòng)軌跡可知下部空調(diào)區(qū)處于送風(fēng)射流的回流區(qū)域。如圖 9 為Z=1.1m 切面的速度矢量圖，該切面的平均速度為 0.37 m/s 大于 0.3 m/s，靠近座椅邊緣處速度增大，最大值為 0.55 m/s，其他區(qū)域的風(fēng)速在 0.1～0.35 m/s 范圍內(nèi)，再向側(cè)墻流動(dòng)速度又逐漸減少。產(chǎn)生這種速度分布的原因是空調(diào)區(qū)處于回流區(qū)，氣流從中部向側(cè)墻流動(dòng)時(shí)受到回風(fēng)口的吸引和上部渦旋的卷吸作用速度值增大，其中座椅附近上部為渦旋中心卷吸作用最強(qiáng)，速度達(dá)最大，再向側(cè)墻流動(dòng)時(shí)渦旋起到約束氣流向前運(yùn)動(dòng)，速度值又逐漸減小。

圖8 Y=-1.05 m 風(fēng)口切面的速度矢量圖

圖9 Z=1.1 m 切面的速度矢量圖

圖10 為Y=-1.05 m 切面的溫度分布云圖，從整體上看，垂直方向存在明顯的溫度分層現(xiàn)象，送風(fēng)口高度往上溫度逐漸升高，溫度梯度較大。送風(fēng)口高度以下溫度較低且分層不明顯，其中 2.1 m 以下空調(diào)區(qū)的平均溫度為27.8 ℃，高于室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度。圖 11 為 Z=1.1 m 切面的溫度分布云圖，從圖11 中可知：中部區(qū)域的溫度比較低而越靠近側(cè)墻溫度的逐漸升高，這是因?yàn)闅饬鲝闹虚g向側(cè)墻流動(dòng)的過程中不斷的吸收熱量，空氣溫度逐漸升高，而中心處局部溫度較高是因?yàn)樵撎帤饬鞑粫橙藛T的散熱量無(wú)法被直接排除。

圖10 Y=-1.05 m 風(fēng)口切面的溫度分布云圖

圖11 Z=1.1 m 切面的溫度分布云圖

3.3 模擬結(jié)果的可靠性分析

文獻(xiàn)[10]對(duì)火車站候車廳分層空調(diào)并進(jìn)行了結(jié)果可靠性驗(yàn)證，本次模擬使用相同的方式將軸心射流軌跡變化，軸心速度變化，軸心溫度變化規(guī)律與經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果與文獻(xiàn)結(jié)果相似，計(jì)模擬得到的射流落差，沿程的速度衰減、溫度衰減都快于理論計(jì)算值，即數(shù)值模擬得到的射流軸心的速度略低，溫度略高，這種誤差一方面是由于空間較大，提高計(jì)算速度通常只對(duì)風(fēng)口，座椅等處的網(wǎng)格加密處理，而其他區(qū)域的網(wǎng)格尺寸較大從而影響計(jì)算的精度，一方面是取值時(shí)存在一點(diǎn)誤差。

4 對(duì)比分析

為了探究輻射板導(dǎo)流送風(fēng)相對(duì)于圓形噴口送風(fēng)在氣流組織與節(jié)能的方面優(yōu)勢(shì)，在送風(fēng)量，送風(fēng)溫度相同的情況下，對(duì)全空間垂直方向的平均速度和溫度分布進(jìn)行對(duì)比分析。如圖12 為全空間垂直方向速度分布折線圖，從圖 12 中可知，兩種送風(fēng)方式垂直方向的速度分布趨勢(shì)大致相似，但圓形噴口送風(fēng)垂直方向的速度值大都高于輻射板導(dǎo)流送風(fēng)，空調(diào)區(qū)與非空調(diào)區(qū)的速度差值較小，表明送風(fēng)氣流對(duì)非空調(diào)區(qū)的擾動(dòng)較大，輻射板導(dǎo)流送風(fēng)時(shí)空調(diào)區(qū)與非空調(diào)區(qū)的速度差值較大，表明送風(fēng)氣流對(duì)非空調(diào)區(qū)的擾動(dòng)較小，擾動(dòng)越大使大量冷量消耗在上部非空調(diào)區(qū)造成冷量浪費(fèi)，顯然，從對(duì)非空調(diào)區(qū)擾動(dòng)程度來(lái)看，輻射板導(dǎo)流送風(fēng)的氣流組織形式優(yōu)于圓形噴口送風(fēng)。圖 13 為全空間垂直方向溫度分布折線圖，從圖13 中可知兩種送風(fēng)方式垂直方向的溫度分布趨勢(shì)大致相似，但圓形噴口送風(fēng)空調(diào)區(qū)的溫度高于輻射板導(dǎo)流送風(fēng)，而非空調(diào)區(qū)的溫度較低，這是因?yàn)閳A形噴口送風(fēng)時(shí)對(duì)非空調(diào)的擾動(dòng)較大使浪費(fèi)在空調(diào)區(qū)的冷量增加，而空調(diào)區(qū)能利用的冷量減少導(dǎo)致溫度較高，從空調(diào)區(qū)達(dá)到的溫度狀態(tài)來(lái)看，輻射板導(dǎo)流送風(fēng)浪費(fèi)在非空調(diào)區(qū)的冷量較少而更具優(yōu)勢(shì)。

圖12 全空間垂直速度分布折線圖

圖13 全空間垂直溫度分布折線圖

表1 為兩種方案的氣流組織效果的對(duì)比，表中KT、KV、Δ ET、ADPI、分別為溫度不均勻系數(shù)，速度不均勻系數(shù)，有效吹風(fēng)溫度、空氣分布特性指標(biāo)，能量利用系數(shù)。從技術(shù)性指標(biāo)來(lái)就看，兩種送風(fēng)方式的速度不均勻系數(shù)，溫度不均勻系數(shù)相近，表示速度分布與溫度分布的均勻程度相近，但結(jié)合風(fēng)速與溫度兩個(gè)因素考慮輻射板導(dǎo)流送風(fēng)的的舒適性較好，另外輻射板導(dǎo)流送風(fēng)的能量利用系數(shù)較大，說明冷量利用率較大更具有節(jié)能的優(yōu)勢(shì)。

表1 2.1 m 以下空調(diào)區(qū)的氣流組織效果相關(guān)參數(shù)對(duì)比表

5 結(jié)論

1）在規(guī)定射程的條件下，輻射板導(dǎo)流送風(fēng)僅用4 m/s 的速度達(dá)到規(guī)定射程而圓噴嘴送風(fēng)需要6.8 m/s，送風(fēng)速度減小使氣流對(duì)非空調(diào)區(qū)的擾動(dòng)較小，垂直方向速度，溫度分層效果更好。

2）當(dāng)送風(fēng)量、送風(fēng)溫度相同時(shí)，相對(duì)于圓形噴口送風(fēng)，輻射板導(dǎo)流送風(fēng)的空調(diào)區(qū)的速度、溫度值均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，兩種送風(fēng)方式下空調(diào)區(qū)速度、溫度不均勻系數(shù)相似，綜合速度、溫度兩個(gè)因素考慮，輻射板導(dǎo)流送風(fēng)的ADPI 值較高，舒適性更好。

3）輻射板導(dǎo)流送風(fēng)氣流組織效果較好其能在降低送風(fēng)速度的同時(shí)達(dá)到規(guī)定射程。由于送風(fēng)速度減少氣流對(duì)上部空調(diào)區(qū)的擾動(dòng)卷吸作用較小，冷量浪費(fèi)少，能量利用系數(shù)較大，具有一定的節(jié)能優(yōu)勢(shì)。不足的是輻射板的輻射換熱量在總換熱量的比例較小，還需進(jìn)一步研究以增強(qiáng)其輻射供冷能力。若不考慮輻射板的輻射作用，可將輻射換為廣告牌，宣傳牌的形式呈現(xiàn)以增加收入從而彌補(bǔ)初投資過高的問題。