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【摘要】针对高大空间空调气流组织设计的问题,目前,暖通界的主要研究手段是用CFD技术进行气流数值分析与模型实验相结合。由于气流数值分析能够考虑室内的各种可能的内扰、边界条件和初始条件,因而它能全面地反映室内的气流分布情况,从而便于发现最优的气流组织方案;模拟实验则主要用来对重要的数据进行验证,或者进行必要的修正。本文就运用CFD技术进行建筑通风空调的设计进行了探索,以期和同仁共探讨。
【关键词】CFD技术;通风空调;通风设计;建筑 通风
1引言
随着现代社会科学技术的不断进步,当前建筑内的通风空调设计科技含量不断提高,运用用CFD技术改进室内通风、空调设计已成为现代建筑领域一个必然趋势。创造健康、舒适的室内热环境,国内外相关专业人员(包括环境科学和暖通空调等领域人员)已在这方面进行了大量研究,CFD(ComputationFluidDynamics)计算流体动力学,简单地说,就是利用计算机求解流体流动的各种守恒控制偏微分方程组的技术。即在工程设计中,首先建立数值模型,然后从计算实验中获得数据的技术。它涉及流体力学,尤其是湍流力学、计算方法以及计算机图形处理等多种学科。这种技术允许工程师去研究不同物理条件(有些是在实验室条件下不能获得或是难以获得的)下的不同模型配置,只需花费很少的时间就能获得结果,可极大的缩短研究时间,降低研究成本。
日本是另一个使用CFD技术较成功的国家。数值模拟技术在日本建筑环境工程领域的应用始于20世纪70年代初,最早主要用于建筑热负荷计算法的开发,以后逐渐应用到动态热负荷数值模拟,此后开发了气流数值解析的CFD,并进入实用阶段。日本的一些较大型的建筑承包公司、空调设备施工公司、设计单位和厂家都不同程度的使用CFD技术,包括产品制造、产品性能的检验、空调系统的设计等。
2.运用CFD技术进行通风空调的设计
目前,我国暖通行业的CFD研究正逐渐起步,许多暖通领域的专家对CFD的应用研究开展了大量工作,涉及空调、通风设计的主要有以下几个方面:
2.1.高大空间空调气流组织问题
大空间建筑指的是顶棚高、容积大的建筑,如体育馆、博物馆、科技馆、剧院等,这类建筑的空调系统控制的环境范围大,气流复杂,人员变化大,容易出现温度分层、上下温度梯度大的现象。另外,受建筑造型的影响,送风口、回风口位置受限,大风量送风时,易形成水平方向温度分布不均问题。造成高大空间空调气流组织问题的原因,是把常规的气流组织的设计方法用于高大空间空调气流组织设计。常規的气流组织的设计方法,是以单股等温湍流射流运动规律为基础,引入射流受限、射流重合和非等温射流修正,通过反复迭代对温度和速度进行校核,最后找到合理的送回风方案和参数。这种方法忽略了很多其他因素,如排风口的尺寸和位置、热源的性质和位置等,因此,它必然有一定误差,在某些情况下甚至有很大误差。
针对高大空间空调气流组织设计的问题,目前,暖通界的主要研究手段是用CFD技术进行气流数值分析与模型实验相结合。由于气流数值分析能够考虑室内的各种可能的内扰、边界条件和初始条件,因而它能全面地反映室内的气流分布情况,从而便于发现最优的气流组织方案;模拟实验则主要用来对重要的数据进行验证,或者进行必要的修正。因此,气流数值分析和模型实验的结合是一种较好的气流组织设计方法。
当前,国内在这方面取得的成果有:湖南大学土木工程学院对长沙世界之窗中心剧场(大剧院)空调设计方案进行了数值预测、仿真;同济大学谭良才博士采用CFD技术和模拟实验结合的方法研究高大空间恒温空调气流组织设计,提出室内的温度场和速度场同时受到冷射流和热源的影响,不能用单纯的射流理论进行精度较高的恒温空调系统设计;清华大学赵彬博士等对人民大会堂大礼堂空调气流组织现状进行了数值模拟分析,并提出改进方案;文献提出了用CFD技术进行体育馆类高大空间的气流组织设计的新思路。
2.2置换通风问题
置换通风是近年来采用较多的一种新的送风方式,与传统的混合通风不同,置换通风的原理是新鲜空气从房间一侧进入,依靠推移排代作用而将污浊空气由另一侧排出。这种空调系统,将空气从房间的下部送入,靠室内发热体的热力作用,使新鲜空气以较小的扰动,流经工作区,带走室内的余湿余热和污染物质,上升的空气从上部的回风口排出。由于房间的空气分层分布,使得污染物浓度也呈竖向梯度分布,工作区易于保持洁净和热舒适性。置换通风存在的问题,一方面在于人体周围的上升气流将低区的空气带入呼吸区,污染物被同时带至工作区,而降低工作区空气的洁净度。另一方面,由于在地板附近送风,当空气温
度较低,风速相对较高时,可能产生因吹风而引起的局部不适感。
采用CFD方法建立合适的数学模型,研究置换通风,可以克服实验研究中出现的运行费用高、实验条件受限等缺陷,已成为国内外研究置换通风的新方法。目前,国外对置换通风系统的研究集中在对垂直温差、换气效率及吹风感的研究。国内的文献采用CFD方法,提出了置换通风系统各项设计参数的确定方法。文献分析了影响置换通风的通风效率的原因,并结合人体舒适性的试验,说明置换通风的微热环境能提供居住者整体舒适感,而在肢体下部吹风感不满意率小于15%。文献提出了置换通风数值模拟的N点风口模型与新零方程湍流模型,对某置换通风系统的温度场、速度场进行了模拟分析,得出了与试验实测值相吻合的模拟结果。
2.3人体热舒适问题
人体热舒适指的是人对热环境表示满意的意识状态,它通过研究人体对热环境的主观热反映,得到人体热舒适的环境参数组合的最佳范围和允许范围,以及实现这一条件的控制、调节方法。影响人体热舒适的环境参数有四个:空气温度、气流速度、空气的相对湿度和平均辐射温度;人的自身参数有两个:衣服热
阻和劳动强度。在国内,姚润明等将人体热舒适的评价指标PMV\PPD模型与建筑动态热模拟及计算流体动力学模拟相结合,对通风房间进行了室内气候及热舒适性的模拟与分析,取得了好的效果。
目前,对室内空气品质的评价采用主观方式、客观方式或主、客观相结合的方式。客观评价的依据,是人们受到的影响与各种污染物浓度、种类、作用时间的关系,它利用了空气龄、换气效率、通风效能系数等概念和方法;主观评价则是通过对室内人员的问询获得,即利用人体的感官器官对环境进行描述和评价。
利用CFD技术研究室内空气品质问题,主要是通过求解偏微分方程,得到室内各个位置的风速、温度、相对湿度、污染物浓度、空气龄等参数,从而评价通风换气效率、热舒适和污染物排除效率等。国外在这方面进行的数值计算较多,国内在这方面的研究与应用也越来越多。
2.4空调设备的设计和应用研究
设备内的流动与传热是暖通空调领域常见的问题。借助CFD可以对风机、冷藏柜、蓄冰槽等建筑设备内的流体流动和传热问题进行数值分析。用CFD技术进行空调、通风设计,改变了传统的空调、通风设计过程,形成了更加科学的设计流程。其现实意义在于:便于检测设计方案的优劣,并提出科学的改进方案,以促使设计更加科学化,提高了设计质量和效率。通过对大量文献资料的总结,并结合笔者应用CFD进行空调方案设计的实践经验,发现CFD技术应用在空调、通风设计中的方法、步骤可归纳为如下的流程图:
借助CFD技术可以预测复杂多样的空调、通风系统作用下的室内热环境,并对人体热舒适、室内空气品质等进行解析、评价,带来了暖通工程的创新,具有很大的影响力。但目前的情况和我们所要达到的目标还有很大差距,展望今后,应着重在以下几个方面做出进一步的研究:加强CFD技术在建筑设计界的推广和普及。
3、结语
从上世纪70年代末起,我国的一些高校、科研机构开始着手于CFD技术的研究,多年来,已在应用方面取得了许多成就。但是,与国外的暖通空调界相比,尚存在着较大的差距。特别是在建筑设计企业,CFD技术的应用还处于起步阶段,真正把CFD技术与实际工程的空调、通风设计结合的案例还很少,真正掌握CFD技术的暖通设计人员数量有限,影响了CFD技术优化空调、通风设计作用的发挥,不利于解决现代建筑空调、通风设计中存在的问题。因此,应积极培训建筑设计企业的设计人员,使更多的人掌握CFD技术,以使其在建筑设计企业中得到推广和普及。
参考文献
[1]赵彬等,室内空气分布的预测方法及比较[J]暖通空调2001(4)
[2]谭良才,高大空间恒温空调气流组织设计方法研究[J]暖通空调2002 (2)
[3]赵彬等,体育馆类高大空间的气流组织设计难点及对策[J]制冷与空调2002(4)
【关键词】CFD技术;通风空调;通风设计;建筑 通风
1引言
随着现代社会科学技术的不断进步,当前建筑内的通风空调设计科技含量不断提高,运用用CFD技术改进室内通风、空调设计已成为现代建筑领域一个必然趋势。创造健康、舒适的室内热环境,国内外相关专业人员(包括环境科学和暖通空调等领域人员)已在这方面进行了大量研究,CFD(ComputationFluidDynamics)计算流体动力学,简单地说,就是利用计算机求解流体流动的各种守恒控制偏微分方程组的技术。即在工程设计中,首先建立数值模型,然后从计算实验中获得数据的技术。它涉及流体力学,尤其是湍流力学、计算方法以及计算机图形处理等多种学科。这种技术允许工程师去研究不同物理条件(有些是在实验室条件下不能获得或是难以获得的)下的不同模型配置,只需花费很少的时间就能获得结果,可极大的缩短研究时间,降低研究成本。
日本是另一个使用CFD技术较成功的国家。数值模拟技术在日本建筑环境工程领域的应用始于20世纪70年代初,最早主要用于建筑热负荷计算法的开发,以后逐渐应用到动态热负荷数值模拟,此后开发了气流数值解析的CFD,并进入实用阶段。日本的一些较大型的建筑承包公司、空调设备施工公司、设计单位和厂家都不同程度的使用CFD技术,包括产品制造、产品性能的检验、空调系统的设计等。
2.运用CFD技术进行通风空调的设计
目前,我国暖通行业的CFD研究正逐渐起步,许多暖通领域的专家对CFD的应用研究开展了大量工作,涉及空调、通风设计的主要有以下几个方面:
2.1.高大空间空调气流组织问题
大空间建筑指的是顶棚高、容积大的建筑,如体育馆、博物馆、科技馆、剧院等,这类建筑的空调系统控制的环境范围大,气流复杂,人员变化大,容易出现温度分层、上下温度梯度大的现象。另外,受建筑造型的影响,送风口、回风口位置受限,大风量送风时,易形成水平方向温度分布不均问题。造成高大空间空调气流组织问题的原因,是把常规的气流组织的设计方法用于高大空间空调气流组织设计。常規的气流组织的设计方法,是以单股等温湍流射流运动规律为基础,引入射流受限、射流重合和非等温射流修正,通过反复迭代对温度和速度进行校核,最后找到合理的送回风方案和参数。这种方法忽略了很多其他因素,如排风口的尺寸和位置、热源的性质和位置等,因此,它必然有一定误差,在某些情况下甚至有很大误差。
针对高大空间空调气流组织设计的问题,目前,暖通界的主要研究手段是用CFD技术进行气流数值分析与模型实验相结合。由于气流数值分析能够考虑室内的各种可能的内扰、边界条件和初始条件,因而它能全面地反映室内的气流分布情况,从而便于发现最优的气流组织方案;模拟实验则主要用来对重要的数据进行验证,或者进行必要的修正。因此,气流数值分析和模型实验的结合是一种较好的气流组织设计方法。
当前,国内在这方面取得的成果有:湖南大学土木工程学院对长沙世界之窗中心剧场(大剧院)空调设计方案进行了数值预测、仿真;同济大学谭良才博士采用CFD技术和模拟实验结合的方法研究高大空间恒温空调气流组织设计,提出室内的温度场和速度场同时受到冷射流和热源的影响,不能用单纯的射流理论进行精度较高的恒温空调系统设计;清华大学赵彬博士等对人民大会堂大礼堂空调气流组织现状进行了数值模拟分析,并提出改进方案;文献提出了用CFD技术进行体育馆类高大空间的气流组织设计的新思路。
2.2置换通风问题
置换通风是近年来采用较多的一种新的送风方式,与传统的混合通风不同,置换通风的原理是新鲜空气从房间一侧进入,依靠推移排代作用而将污浊空气由另一侧排出。这种空调系统,将空气从房间的下部送入,靠室内发热体的热力作用,使新鲜空气以较小的扰动,流经工作区,带走室内的余湿余热和污染物质,上升的空气从上部的回风口排出。由于房间的空气分层分布,使得污染物浓度也呈竖向梯度分布,工作区易于保持洁净和热舒适性。置换通风存在的问题,一方面在于人体周围的上升气流将低区的空气带入呼吸区,污染物被同时带至工作区,而降低工作区空气的洁净度。另一方面,由于在地板附近送风,当空气温
度较低,风速相对较高时,可能产生因吹风而引起的局部不适感。
采用CFD方法建立合适的数学模型,研究置换通风,可以克服实验研究中出现的运行费用高、实验条件受限等缺陷,已成为国内外研究置换通风的新方法。目前,国外对置换通风系统的研究集中在对垂直温差、换气效率及吹风感的研究。国内的文献采用CFD方法,提出了置换通风系统各项设计参数的确定方法。文献分析了影响置换通风的通风效率的原因,并结合人体舒适性的试验,说明置换通风的微热环境能提供居住者整体舒适感,而在肢体下部吹风感不满意率小于15%。文献提出了置换通风数值模拟的N点风口模型与新零方程湍流模型,对某置换通风系统的温度场、速度场进行了模拟分析,得出了与试验实测值相吻合的模拟结果。
2.3人体热舒适问题
人体热舒适指的是人对热环境表示满意的意识状态,它通过研究人体对热环境的主观热反映,得到人体热舒适的环境参数组合的最佳范围和允许范围,以及实现这一条件的控制、调节方法。影响人体热舒适的环境参数有四个:空气温度、气流速度、空气的相对湿度和平均辐射温度;人的自身参数有两个:衣服热
阻和劳动强度。在国内,姚润明等将人体热舒适的评价指标PMV\PPD模型与建筑动态热模拟及计算流体动力学模拟相结合,对通风房间进行了室内气候及热舒适性的模拟与分析,取得了好的效果。
目前,对室内空气品质的评价采用主观方式、客观方式或主、客观相结合的方式。客观评价的依据,是人们受到的影响与各种污染物浓度、种类、作用时间的关系,它利用了空气龄、换气效率、通风效能系数等概念和方法;主观评价则是通过对室内人员的问询获得,即利用人体的感官器官对环境进行描述和评价。
利用CFD技术研究室内空气品质问题,主要是通过求解偏微分方程,得到室内各个位置的风速、温度、相对湿度、污染物浓度、空气龄等参数,从而评价通风换气效率、热舒适和污染物排除效率等。国外在这方面进行的数值计算较多,国内在这方面的研究与应用也越来越多。
2.4空调设备的设计和应用研究
设备内的流动与传热是暖通空调领域常见的问题。借助CFD可以对风机、冷藏柜、蓄冰槽等建筑设备内的流体流动和传热问题进行数值分析。用CFD技术进行空调、通风设计,改变了传统的空调、通风设计过程,形成了更加科学的设计流程。其现实意义在于:便于检测设计方案的优劣,并提出科学的改进方案,以促使设计更加科学化,提高了设计质量和效率。通过对大量文献资料的总结,并结合笔者应用CFD进行空调方案设计的实践经验,发现CFD技术应用在空调、通风设计中的方法、步骤可归纳为如下的流程图:
借助CFD技术可以预测复杂多样的空调、通风系统作用下的室内热环境,并对人体热舒适、室内空气品质等进行解析、评价,带来了暖通工程的创新,具有很大的影响力。但目前的情况和我们所要达到的目标还有很大差距,展望今后,应着重在以下几个方面做出进一步的研究:加强CFD技术在建筑设计界的推广和普及。
3、结语
从上世纪70年代末起,我国的一些高校、科研机构开始着手于CFD技术的研究,多年来,已在应用方面取得了许多成就。但是,与国外的暖通空调界相比,尚存在着较大的差距。特别是在建筑设计企业,CFD技术的应用还处于起步阶段,真正把CFD技术与实际工程的空调、通风设计结合的案例还很少,真正掌握CFD技术的暖通设计人员数量有限,影响了CFD技术优化空调、通风设计作用的发挥,不利于解决现代建筑空调、通风设计中存在的问题。因此,应积极培训建筑设计企业的设计人员,使更多的人掌握CFD技术,以使其在建筑设计企业中得到推广和普及。
参考文献
[1]赵彬等,室内空气分布的预测方法及比较[J]暖通空调2001(4)
[2]谭良才,高大空间恒温空调气流组织设计方法研究[J]暖通空调2002 (2)
[3]赵彬等,体育馆类高大空间的气流组织设计难点及对策[J]制冷与空调2002(4)