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【关键词】分层空调是借助于空调送风口送出的多股平行非等温气流将高大空间在垂直方向上分隔为上下两个部分，利用合理的气流组织，仅对建筑下部空间进行空调，而对上部空间不空调，从而达到节约冷量的目的。分层空调系统有因其独特的优越性而被广泛应用于大空间建筑中。本文笔者介绍了分层空调的概念和自由射流的流动规律，并分析了大厂房的空调系统的设计。
【摘要】大空间分层空调技术 自由射流
[keyword] stratified air conditioning is by the air outlet to send multiple strands of parallel nonisothermal airflow in large space is divided into two upper and lower part in the vertical direction, the reasonable airflow organization, only the air conditioning to lower space of building, and on the upper space without air conditioning, the cold quantity to save. Stratified air conditioning system because of its unique advantages and is widely used in large space buildings. In this paper, the author introduced the concept of flow law of stratified air conditioning and free jet, and the analysis of the air conditioning system design of large workshop.
[Abstract] space stratified air conditioning technology of free jet
中图分类号：TB494 文献标识码：A文章编号：2095-2104（2013）04-0000-00
引言
近几年，体育馆、影剧院、多功能大厅、展览馆等各种大空间建筑的数量急剧增加。它们具有普遍的特点:高度较高、体积较大、内热源庞大、空调负荷大、能源消耗大等，这些特点使得在一般空调方式下大空间建筑循环风量大、冷量大、耗电量大，造成了相当大的能源浪费。由于大空间建筑高度较高，热分层现象比较明显，每年由于没有充分考虑热分层作用，而使得空调冷负荷过高估计值高达45.5%。因此，良好的室内热环境和能耗的节约与建筑内部保持合理的气流组织有着重要的联系。
分层空调与其它全室空调的本质区别在于其气流组织的独特性，能否同时达到设计要求的气流分布和节能双重目的的关键在于是否具有合理的气流组织。分层空调的气流组织实际上是单侧喷口方式或双侧对喷方式的室内受限射流，同时伴随上部非空调区通风气流的明显三维流动，这种流动的气流组织形式复杂，流动空间大，同时内外扰、送风参数、送风方式等影响气流组织的因素多，所以本文笔者还分析了自由射流的流动规律。
一、分层空调的概念
分层空调是指以送风口中心作为分层面，在垂直方向上将整个空间体积分为空调区和非空调区，从而仅对空间的下部区域进行空调，而对上部区域不进行空调的空调方式。如图1为分层空调气流组织示意结构图：
图1：分层空调气流组织示意结构图
二、自由射流的流动规律
1、等温自由射流流动特性
流体射入同温同介质空间内扩散，在不受界壁限制的情况下，可以自由扩展的射流称为等温自由射流。
由直径为d0的喷口以出流速度u0射入等温空间介质内扩散，在不受周界表面限制的条件下，则形成如图2所示的等温自由射流。当射流流体进入某边界没有限制的空间后，在受到流体湍流横向脉动和粘性的影响下，在向前流动的同时，气体微团的横向脉动速度使得射流不断与周围介质进行质量和动量的交换，从而不断将周围介质卷吸入射流主体，使得射流断面不断扩大，同时射流主体的速度从射流中心开始逐渐向边界衰减并沿射程不断变化，整个射流呈锥状。在射流理论中，通常把圆锥的顶点0叫做极点，圆锥的半顶角a叫做极角。把气流速度还保持初始速度的边界线（DA和EA）叫做射流内边界。把气流速度等于零的边界线（DF和EG）叫做射流外边界。把射流内、外边界之间的部分叫做射流边界层。射流边界层随着射程的增加不断向两边扩展。一边是向外扩展，将更多的气体介质带进边界层以内；一边是向中心扩展，进一步减少速度保持初始值的区域，形成射流核心区DAE。射流沿x方向距离越大，射流边界层越宽，当达到某一距离处，射流边界层扩展到射流轴心线，此时只有射流中心某一点的速度仍保持初始速度，射流的这一截面BAC叫做过渡面。在射流理论中，将射流轴心速度保持不变的一段长度叫做起始段，其后叫做主体段。起始段长度取决于喷嘴的形式，一般都很短，空调中常用的射流段为主体段。
圖2图3
2、非等温自由射流（温差射流）
等温射流大多应用在通风工程中，仅用来满足某空间内部的通风换气，不能起到空调的作用。在空调工程中，夏天要送冷风来降低室温，空调输送的是冷射流。冬天要送热风来提高室温，空调输送的是热射流.这两种射流都属于非等温射流，也叫做温差射流。非等温射流就是射流本身的温度和周围介质的温度不相等的射流。在射流中，有着质量交换和动量交换。射流与周围空气的掺混结果使射流的温度场（浓度场）与速度场存在相似性，只是热量扩散比动量扩散更剧烈，因此温度边界层比速度边界层发展要快些。它的射流结构如图3所示。其中实线为速度内外边界层，虚线为温度内外边界层。不过在实际运算中，一般认为两者的内外边界是相同的。
三、多功能大厅分层空调设计
1、空调系统简介
大厅建筑面积较大，采用集中式全空气空调系统和一次回风空调方式，大厅回风和室外新风混合后，经空气处理机组处理，送入静压箱，再通过送风管从条形送风口送入大厅，送风管是高度不变、宽度渐缩的管道，这样设计的目的是保证送风口的送风速度近似相等。大厅由冷水机组提供冷源，夏季冷冻水供水温度为280K，回水温度为285K。空调系统有较完备的自动控制系统，根据回风温度，调节空气处理机组回水管的开启度以及风机的转速，以保证大厅温度处于设定的温度范围，有利于节约能源，减少运行成本。
2、物理模型的建立
（1）风口模型
通过送风口的空气射流、回风口的出流实现大厅内空气的混合，达到空调和通风的目的，因此送风口空气的入流条件以及回风口的出流条件对大厅内空气流动的情况影响很大。为正确预测室内的空气温度和速度的分布，需要知道送风口送风参数、回风口回风参数的详细情况，以正确描述入流和出流边界条件。然而，实际的送、回风口几何形状却很复杂，种类也较多。如果要知道这些风口参数的细节，数值模拟时必须将网格划到毫米级，而模拟计算厅内的空气温度分布、速度分布时，计算区域的网格只要达到厘米或分米级就可以了。如果划到毫米级，将使计算区域网格节点数大大超过一般计算机的运算能力。因此，需要风口模型来简化实际的送、回风口。常用的风口模型主要有基本模型、动量方法、盒子方法、指定速度法、主流区法以及N点动量模型等。
（2）椅子模型
气流流到椅子表面时方向改变，产生绕流、涡旋、边界层流动等情况。因此，不能忽略椅子对大厅人员活动区的气流组织的影响。通常实际椅子表面是不规则的曲面，形状复杂，不仅给大厅的三维建模带来困难，而且在网格生成的过程中会出现扭曲等现象，增加网格划分的难度，影响网格的质量，然而它对于模拟结果影响很小。因此，建模时将所有的椅子表面按平面处理。另外，椅子腿比较细小，可以忽略其对气流组织的影响。
综上所述，目前在大空间建筑中，分层空调得到了广泛的使用。由于大空间建筑的种类和功能的不同，空调系统所要达到的室内热环境参数也就大有不同。因此，研究各种影响因素对高大空间分层空调的温度分布、速度分布以及热舒适性的影响对高大空间分层空调的设计、对己有建筑进行合理改造以及指导分层空调系统的有效运行都具有重要的意义。
参考文献：
[1]许登科.高大空间分层空调气流组织的数值模拟研究.安徽理工大学硕士论文.2006
[2]董涛,杜进等.南京会展中心展厅分层空调设计.暖通空调.2009,39(4):130～134
[3]张莉，魏兵.大空间分层空调不同气流组织方式下流场的数值模拟.制冷与空调.2009,23(6):106～110
【摘要】大空间分层空调技术 自由射流
[keyword] stratified air conditioning is by the air outlet to send multiple strands of parallel nonisothermal airflow in large space is divided into two upper and lower part in the vertical direction, the reasonable airflow organization, only the air conditioning to lower space of building, and on the upper space without air conditioning, the cold quantity to save. Stratified air conditioning system because of its unique advantages and is widely used in large space buildings. In this paper, the author introduced the concept of flow law of stratified air conditioning and free jet, and the analysis of the air conditioning system design of large workshop.
[Abstract] space stratified air conditioning technology of free jet
中图分类号：TB494 文献标识码：A文章编号：2095-2104（2013）04-0000-00
引言
近几年，体育馆、影剧院、多功能大厅、展览馆等各种大空间建筑的数量急剧增加。它们具有普遍的特点:高度较高、体积较大、内热源庞大、空调负荷大、能源消耗大等，这些特点使得在一般空调方式下大空间建筑循环风量大、冷量大、耗电量大，造成了相当大的能源浪费。由于大空间建筑高度较高，热分层现象比较明显，每年由于没有充分考虑热分层作用，而使得空调冷负荷过高估计值高达45.5%。因此，良好的室内热环境和能耗的节约与建筑内部保持合理的气流组织有着重要的联系。
分层空调与其它全室空调的本质区别在于其气流组织的独特性，能否同时达到设计要求的气流分布和节能双重目的的关键在于是否具有合理的气流组织。分层空调的气流组织实际上是单侧喷口方式或双侧对喷方式的室内受限射流，同时伴随上部非空调区通风气流的明显三维流动，这种流动的气流组织形式复杂，流动空间大，同时内外扰、送风参数、送风方式等影响气流组织的因素多，所以本文笔者还分析了自由射流的流动规律。
一、分层空调的概念
分层空调是指以送风口中心作为分层面，在垂直方向上将整个空间体积分为空调区和非空调区，从而仅对空间的下部区域进行空调，而对上部区域不进行空调的空调方式。如图1为分层空调气流组织示意结构图：
图1：分层空调气流组织示意结构图
二、自由射流的流动规律
1、等温自由射流流动特性
流体射入同温同介质空间内扩散，在不受界壁限制的情况下，可以自由扩展的射流称为等温自由射流。
由直径为d0的喷口以出流速度u0射入等温空间介质内扩散，在不受周界表面限制的条件下，则形成如图2所示的等温自由射流。当射流流体进入某边界没有限制的空间后，在受到流体湍流横向脉动和粘性的影响下，在向前流动的同时，气体微团的横向脉动速度使得射流不断与周围介质进行质量和动量的交换，从而不断将周围介质卷吸入射流主体，使得射流断面不断扩大，同时射流主体的速度从射流中心开始逐渐向边界衰减并沿射程不断变化，整个射流呈锥状。在射流理论中，通常把圆锥的顶点0叫做极点，圆锥的半顶角a叫做极角。把气流速度还保持初始速度的边界线（DA和EA）叫做射流内边界。把气流速度等于零的边界线（DF和EG）叫做射流外边界。把射流内、外边界之间的部分叫做射流边界层。射流边界层随着射程的增加不断向两边扩展。一边是向外扩展，将更多的气体介质带进边界层以内；一边是向中心扩展，进一步减少速度保持初始值的区域，形成射流核心区DAE。射流沿x方向距离越大，射流边界层越宽，当达到某一距离处，射流边界层扩展到射流轴心线，此时只有射流中心某一点的速度仍保持初始速度，射流的这一截面BAC叫做过渡面。在射流理论中，将射流轴心速度保持不变的一段长度叫做起始段，其后叫做主体段。起始段长度取决于喷嘴的形式，一般都很短，空调中常用的射流段为主体段。
圖2图3
2、非等温自由射流（温差射流）
等温射流大多应用在通风工程中，仅用来满足某空间内部的通风换气，不能起到空调的作用。在空调工程中，夏天要送冷风来降低室温，空调输送的是冷射流。冬天要送热风来提高室温，空调输送的是热射流.这两种射流都属于非等温射流，也叫做温差射流。非等温射流就是射流本身的温度和周围介质的温度不相等的射流。在射流中，有着质量交换和动量交换。射流与周围空气的掺混结果使射流的温度场（浓度场）与速度场存在相似性，只是热量扩散比动量扩散更剧烈，因此温度边界层比速度边界层发展要快些。它的射流结构如图3所示。其中实线为速度内外边界层，虚线为温度内外边界层。不过在实际运算中，一般认为两者的内外边界是相同的。
三、多功能大厅分层空调设计
1、空调系统简介
大厅建筑面积较大，采用集中式全空气空调系统和一次回风空调方式，大厅回风和室外新风混合后，经空气处理机组处理，送入静压箱，再通过送风管从条形送风口送入大厅，送风管是高度不变、宽度渐缩的管道，这样设计的目的是保证送风口的送风速度近似相等。大厅由冷水机组提供冷源，夏季冷冻水供水温度为280K，回水温度为285K。空调系统有较完备的自动控制系统，根据回风温度，调节空气处理机组回水管的开启度以及风机的转速，以保证大厅温度处于设定的温度范围，有利于节约能源，减少运行成本。
2、物理模型的建立
（1）风口模型
通过送风口的空气射流、回风口的出流实现大厅内空气的混合，达到空调和通风的目的，因此送风口空气的入流条件以及回风口的出流条件对大厅内空气流动的情况影响很大。为正确预测室内的空气温度和速度的分布，需要知道送风口送风参数、回风口回风参数的详细情况，以正确描述入流和出流边界条件。然而，实际的送、回风口几何形状却很复杂，种类也较多。如果要知道这些风口参数的细节，数值模拟时必须将网格划到毫米级，而模拟计算厅内的空气温度分布、速度分布时，计算区域的网格只要达到厘米或分米级就可以了。如果划到毫米级，将使计算区域网格节点数大大超过一般计算机的运算能力。因此，需要风口模型来简化实际的送、回风口。常用的风口模型主要有基本模型、动量方法、盒子方法、指定速度法、主流区法以及N点动量模型等。
（2）椅子模型
气流流到椅子表面时方向改变，产生绕流、涡旋、边界层流动等情况。因此，不能忽略椅子对大厅人员活动区的气流组织的影响。通常实际椅子表面是不规则的曲面，形状复杂，不仅给大厅的三维建模带来困难，而且在网格生成的过程中会出现扭曲等现象，增加网格划分的难度，影响网格的质量，然而它对于模拟结果影响很小。因此，建模时将所有的椅子表面按平面处理。另外，椅子腿比较细小，可以忽略其对气流组织的影响。
综上所述，目前在大空间建筑中，分层空调得到了广泛的使用。由于大空间建筑的种类和功能的不同，空调系统所要达到的室内热环境参数也就大有不同。因此，研究各种影响因素对高大空间分层空调的温度分布、速度分布以及热舒适性的影响对高大空间分层空调的设计、对己有建筑进行合理改造以及指导分层空调系统的有效运行都具有重要的意义。
参考文献：
[1]许登科.高大空间分层空调气流组织的数值模拟研究.安徽理工大学硕士论文.2006
[2]董涛,杜进等.南京会展中心展厅分层空调设计.暖通空调.2009,39(4):130～134
[3]张莉，魏兵.大空间分层空调不同气流组织方式下流场的数值模拟.制冷与空调.2009,23(6):106～110