一種碰撞射流通風系統(tǒng)優(yōu)化設計方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種碰撞射流通風系統(tǒng)優(yōu)化設計方法。
【背景技術】
[0002]我國空調(diào)系統(tǒng)能耗巨大。大空間中空調(diào)系統(tǒng)送風能量利用率與人體熱舒適與空氣品質(zhì)要求之間的矛盾比小空間更加尖銳，不論是采用置換通風等新的通風方式，還是傳統(tǒng)混合通風基礎上改進的分層空調(diào)，都沒有很好地解決這個問題。
[0003]置換通風(含低速送風的地板送風)等末端送風方式在大空間供冷時，低速送入的空氣在地面形成冷空氣湖，利用人員和室內(nèi)其他熱源產(chǎn)生的熱羽流卷吸周圍冷空氣。即同時實現(xiàn)了節(jié)能和良好空氣品質(zhì)的目標。但冬季工況時，由于送風速度低，送風熱氣流在浮力作用下容易直接上升到頂棚，所以不能用于熱風供暖。
[0004]混合通風送風速度較大，即可以供冷也可以供熱，但混合通風空氣品質(zhì)比置換通風差，此外這種使室內(nèi)空氣混合的通風空調(diào)方式使室內(nèi)溫度分布均勻，空調(diào)系統(tǒng)必須承擔房間全部負荷，對于層高大的房間，其空調(diào)供冷能耗將明顯高于置換通風等方式；用于熱風供暖時，不論是傳統(tǒng)的上送上回模式，還是分層空調(diào)，由于熱氣流上浮的原因，人員空間對送風熱量的利用率都遠低于小空間情況。
[0005]在很多場所，如餐廳、禮堂、廠房等高大空間，不僅需要夏季供冷，冬季集中送熱風供暖也是必須的。置換通風不再適用，而混合通風(含分層空調(diào))雖然可以實現(xiàn)供暖和供冷要求，但難以解決大空中熱舒適、空氣品質(zhì)和空調(diào)能耗之間矛盾。
[0006]碰撞射流通風在上世紀末期開始有實際應用，已有研宄表明，它同時具有混合通風和置換通風的優(yōu)點。碰撞射流通風系統(tǒng)的末端可以與建筑元素，如墻壁和柱子結合起來。非常適用于大空間建筑，如候機大廳，候車室，餐廳、賓館門廳和工業(yè)廠房等，圖1為碰撞射流送回風口在大空間的布置情況。碰撞射流是在離地面一定高度處設置垂直送向地面的送風口，送風速度通常為2.0m/s左右，回風口設置在頂棚附近。自送風口吹出的高動量射流與地面發(fā)生碰撞后，速度急劇下降。隨后在較大的慣性力(即射流沖量)作用下，沿著地板在下部空間大范圍內(nèi)擴散，并在地板上產(chǎn)生一層很薄的“空氣湖”。
[0007]碰撞射流夏季供冷時，與置換通風一樣，可以同時實現(xiàn)了節(jié)能和良好空氣品質(zhì)的目標。供暖時，由于熱風直接送入人員空間，因此避免了混合通風熱風難以到達房間下部區(qū)域的缺點。但熱風送出后，沿地面流動一段距離后會在浮力作用下脫離地面上浮，如圖2所示。這段距離即送風距離。實際設計中必須保證送風口間距與送風距離匹配。
[0008]空調(diào)房間的負荷隨著室外天氣和室內(nèi)熱源(人員數(shù)量)的改變而變化?？照{(diào)系統(tǒng)通常采用定風量系統(tǒng)或變風量系統(tǒng)來應對這種變化。由于熱射流送風距離受送風狀態(tài)影響很大，送風距離L隨著負荷變化也在不斷變化，處于動態(tài)運行工況中。這使得碰撞射流通風供暖時存在著在某些負荷時段熱射流輸運距離L過小的風險，這將導致室內(nèi)某些區(qū)域無法獲得熱風能量。利用送風距離L的預測模型，可以得到設計變量最優(yōu)組合，消除或減小室內(nèi)局部區(qū)域不能達到舒適溫度的可能性。
[0009]附著在立柱四周的碰撞射流風口的熱風輸送距離，同時受到送風溫差、送風速度、送風口面積和送風口高度等多因素的影響，如果針對每一個因素分別進行確定和設計，將很難得到最佳設計方案。這成為這種新型空調(diào)送風方式進一步推廣應用的障礙。
[0010]由于碰撞射流通風系統(tǒng)用于大空間時，送風口多附著于立柱四周。因此為設計人員提供一個附著在立柱四周的碰撞射流風口的熱風輸送距離的多因素綜合分析預測公式是實現(xiàn)碰撞射流通風方式節(jié)能和良好空氣品質(zhì)等優(yōu)勢的關鍵技術，也是有效解決大空間供暖問題的重要途徑。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]針對上述現(xiàn)有技術中存在的問題，本發(fā)明的目的是提供一個碰撞射流通風系統(tǒng)優(yōu)化設計方法。由于空調(diào)系統(tǒng)末端設計涉及到的因素較多，各因素之間相互干擾，設計中難免對某個影響因素有所疏漏。該發(fā)明將影響送風末端供暖效果的多個因素綜合考慮，擬合在同一個公式中，具有便于設計人員全盤考慮設計方案的獨特優(yōu)勢。在碰撞射流空調(diào)末端設計中，通常立柱的距離決定了送風口間距，為了保證送風距離達到要求，同時滿足施工便利的要求，必須進行優(yōu)化設計，該發(fā)明提供的預測公式可以預測多個參數(shù)同時變化時的送風效果，為優(yōu)化設計提供了條件。
[0012]為了解決上述技術問題，本發(fā)明提供了一種碰撞射流通風系統(tǒng)優(yōu)化設計方法，包括在離地面一定高度處設置能夠?qū)L垂直送向地面的至少一個送風口，其特征在于，所述的送風口的必要送風距離不大于熱風送風距離的預測值L，L滿足下述公式:
[0013]L=L 50939-2.89306h+41.4135d+4.79476 υ -0.960258 Δ Τ_75.9297d2-0.585137 u2
[0014]式中h為送風口高度，單位為m ; υ為送風速度，單位為m/s ;d為送風口水力直徑，單位為m ; Δ T為送風溫差，單位為°C。
[0015]所述的送風距離是指送風熱氣流的水平輸送距離，即送風口中心至熱風脫離地面開始上浮位置的距離，必要送風距離是指為保證室內(nèi)工作區(qū)所有位置均能得到送風熱量時，送風距離必須達到的最小值。
[0016]本發(fā)明的預測模型的獲得過程與準確性的驗證如下:
[0017]本發(fā)明結合計算流體力學CFD軟件，實測驗證和統(tǒng)計數(shù)學擬合數(shù)據(jù)等方法得到了碰撞射流熱風供暖送風距離的預測模型。數(shù)值計算方法采用流體力學計算軟件FLUENT6.3.2。在人工氣候室對碰撞射流通風供暖房間的室內(nèi)氣流和溫度分布進行實測，并利用FLUENT模擬計算人工氣候室內(nèi)部的流場和溫度場，通過比較實測數(shù)據(jù)與模擬結果，驗證數(shù)值計算方法的正確性。繼而采用經(jīng)過驗證的數(shù)值計算方法，模擬得到不同影響因素組合條件下的送風距離，利用統(tǒng)計數(shù)學中的響應面分析法對上述結果進行整理擬合，最終得到送風距離的預測模式。
[0018](I)在人工氣候室內(nèi)進行碰撞射流供暖實驗，利用得到的實測數(shù)據(jù)對數(shù)值計算方法的準確性進行驗證。
[0019]實驗室布置情況:
[0020]人工氣候室位于一大實驗室內(nèi)，具體位置見圖3a。人工氣候室內(nèi)部尺寸為3.6mX3mX2.6m(LXWXH)，房間的圍護結構采用彩鋼板(內(nèi)襯7cm厚巖棉板)，傳熱系數(shù)約為0.9w/m2 *°C。房間有一扇帶有密封條的門，門上設有0.35X0.35m的雙層玻璃的觀察窗?？梢哉J為熱負荷均勻來自圍護結構，不存在明顯的熱橋。實驗過程中新風比為10%，室內(nèi)維持正壓，因此通過大部分圍護結構縫隙空氣滲透造成的房間熱損失可以忽略不計。但在側墻壁面下部區(qū)域的縫隙存在空氣滲透，為保證每次試驗空氣滲透量基本相等，在人工氣候室外用小風扇通過縫隙向室內(nèi)吹風，以便實現(xiàn)縫隙內(nèi)外的壓差在每種工況下維持不變，最終的空氣滲透量約為0.0015m3/s。
[0021]碰撞射流通風的圓形送風管固定在墻體中間位置，送風口距離地面0.9m，送風口直徑為0.14m ;回風口設在頂棚處，尺寸為0.20mX0.30m。
[0022]測點布置與實測儀器:
[0023]人工氣候室內(nèi)放置了四個可移動的測桿，每個測桿上不同高度的第一?第九測點處九個溫度測量儀，第二?第八測點處分別固定著七個熱球測風儀，見圖3b和圖3c，給出了測量桿的平面位置和測點的高度分布。此外，在貼近地面的位置處分別布置了 9個熱電偶測量空氣溫度，每個熱電偶距離地面的距離為2cm，并用鏤空的鋁箔紙包裹，以防止圍護結構壁面輻射干擾測量結果。
[0024]空氣溫度的測量采用溫度儀Humlog20，分辨率為0.1°C。風速測量采用DELETA萬向風速儀，測量風速的范圍在0.05到5.00m/s，精度±3%，分辨率0.01m/s。
[0025]實測結果與數(shù)值計算結果的比較
[0026]利用FLUENT軟件采用四面體網(wǎng)格對人工氣候室進行網(wǎng)格劃分，送回風口和墻體附近的網(wǎng)格采用加密處理，最小網(wǎng)格尺寸為0.03m。使用商業(yè)CFD軟件Fluent6.3.2求解三維N-S方程和連續(xù)性方程。通過RNG k-ε湍流模型實現(xiàn)方程組的封閉，近壁模型使用標準壁面函數(shù)。數(shù)值計算中，控制方程的離散化選用二階迎風格式，求解用SMPLE算法。所有固體表面均設為無滲透和無滑移條件。送風口設為Velocity-1nlet類型，回風口定義為outflow。采用Boussinesq近似模擬浮力對熱風運動軌跡的作用。
[0027]圖4為實測結果與模擬計算結果的比較，可以看到二者吻合很好，表明數(shù)值計算方法可以用于計算碰撞射流通風熱風輸運距離的分析研宄。圖4a_4d為空氣溫度模擬結果與實測數(shù)據(jù)的比較圖，圖中Θ = (T-TsV(Te-Ts)，其中T為任一點的實際溫度，Te為房間平均溫度，Ts為送風溫度，圖4e-4h為氣流速度模擬結果與實測數(shù)據(jù)的比較圖，U*=u7us其中u*為任一點的實際速度，u s為送風速度。
[0028](2)利用已經(jīng)驗證的數(shù)值計算方法對高大空間中碰撞射流熱風供暖送風距離進行模擬計算，并利用統(tǒng)計數(shù)學中的響應面分析法對上述結果進行整理擬合，最終得到送風距離的預測模式。
[0029]在四周邊壁不會影響到熱射流流動軌跡的高大空間中，針對四種獨立變量的不同組合工況進行數(shù)值計算，通過更改送風溫度、送風速度、送風口高度和送風口面積，共計算3*3*3*3 = 81種工況，統(tǒng)計數(shù)學響應面分析法整理擬合過程僅需要其中27種工況的送風距離。
[0030]利用響應面分析法對這27種工況下的送風距離L進行多變量擬合，得到熱風輸送距離的預測公式為:
[0031]L=L 50939-2.89306h+41.4135d+4.79476 υ -0.960258 Δ Τ-75.9297d2-0.