自然通風與分層空調耦合運行的節能分析

劉夢李琳楊洪海

1東華大學環境科學與工程學院2中國海誠工程科技股份有限公司

目前，國內外對如何單獨有效地利用自然通風進行了很多研究，如消除工業廠房余熱、改善公共建筑熱環境、在過渡季節采用自然通風以節約建筑空調能耗等。在大空間建筑中，通常采用居留區域空調（如分層空調），此時室內垂直方向上溫度分層現象較明顯，上部區域溫度很高，通過輻射和對流兩種方式向下部空調區轉移熱量，加大空調區域冷負荷。因此，如何有效利用上部自然通風，并與下部空調系統耦合運行，成為大空間建筑節能工作的一個重要方向[1～2]。

本文以大空間建筑夏季工況為例，應用數值模擬方法，研究了自然通風和分層空調系統耦合運行下室內熱環境特性，并與單獨使用分層空調系統進行比較，為自然通風與空調系統耦合運行的節能價值提供理論依據。

1 模擬條件

1.1 物理模型

如圖1所示為上海地區某機場大空間建筑，長、寬、高分別為30m×30m×12m。外圍護結構為玻璃幕墻，傳熱系數6.25W/(m2·K)。聯合設置分層空調及自然通風。

圖1 物理模型

其中，分層空調部分的風口布置如下：送風口在南北側墻上各5個，均勻布置，單個面積0.5m×0.5m，高4m；回風口位于地面附近，南北側墻上各3個，單個面積1m×0.5m。自然通風部分的風口布置如下：進風口2個，設置在南側墻上，單個面積4m×0.5m，高8m；排風口1個，設在北側墻上，面積為4m×0.5m，高10.5m。

設計參數及負荷指標如下[3]：

1）夏季空調室外設計干球溫度34.6℃，濕球溫度28.2℃。通風室外設計干球溫度30.8℃，平均風速3.4m/s，主導風向為南。室內設計干球溫度25℃，相對溫度55%。

2）旅客處于輕度勞動狀態，顯熱散熱量可取100W/人，人員密度取3.9m2/人；照明負荷為30W/m2。

3）分層空調送風速度3m/s，送風溫度16℃。

1.2 邊界條件及計算方法

計算邊界條件簡化如下：

1）將人員散熱量均布于地面，照明散熱量均布于天花板。

2）外墻采用常熱流邊界條件，熱流密度為60W/m2。內墻以4m高度為界，設定上下兩個常壁溫：空調區域墻壁溫度29℃，非空調區域墻壁溫度33℃。

3）自然通風狀態穩定，進風口采用速度入口邊界條件，排風口采用出風口邊界條件。

研究對象為高大空間建筑，建筑本身網格數較多，且風口尺寸相對于大空間顯得很小，因此模型按非結構網格劃分，并對網格進行自適應加密。應用FLUENT 軟件[4～5]，計算模型選取 RNG k-ε 兩方程紊流模型，近壁面區域則選用標準壁面函數法，速度-壓力耦合采用SIMPLE算法。

2 計算結果與分析

選取截面x=15m（如圖1，A-A截面），分析該截面在單獨運行分層空調和耦合運行時的溫度場以及氣流分布情況。

2.1 溫度分布比較

圖2、圖3分別是單獨運行分層空調和耦合運行時在垂直方向上的溫度云圖。可以看出：

1）兩種方式下，下部空調區域（高度0～4m），空氣混合均勻，溫度均滿足舒適性要求。在上部區域，隨著高度的增加，溫度逐漸升高，均會產生明顯的溫度分層現象。

2）在分層空調單獨運行時，下部空調區域溫度為298K（25℃），房頂處溫度最高可達 318K（45℃），在非空調區域尤其在天花板處熱氣流滯留明顯。

3）在自然通風與分層空調耦合運行時，下部空調區域溫度下降為296K（23℃），房頂處的溫度下降為310K（37℃），上部熱氣流滯留的現象得到了明顯的緩解。

圖2 溫度隨高度變化分布（分層空調單

圖3 溫度隨高度變化分布（自然通風與分層空調耦合運行）

對于分層空調，空調區域冷負荷由兩部分組成，即空調區域本身得熱所形成冷負荷和非空調區域通過對流及輻射方式向空調區域轉移的熱負荷[6]。也就是說，非空調區溫度越高，熱轉移負荷越大。利用自然通風與分層空調耦合運行，可有效降低非空調區域的溫度，從而減少空調區域的冷負荷，達到節能的效果。

2.2 氣流分布比較

圖4、圖5分別是單獨運行分層空調和耦合運行時速度矢量圖。可以看出：

1）分層空調系統單獨運行時，空調區域采用雙側水平送風，下部同側回風，使工作區處于回流區，得到均勻的速度場和溫度場；在上部非空調區域，部分空氣受到熱浮升力作用上升，導致熱氣流滯留。

圖4 速度矢量圖（分層空調單獨運行）

圖5 速度矢量圖（自然通風與分層空調耦合運行）

2）自然通風與分層空調耦合運行時，在下部空調區域，氣流組織與單獨使用分層空調系統基本一樣；在上部非空調區域，熱空氣受到自然通風的誘導排到室外，有效地減少了上部非空調區域熱空氣的滯留，同時降低了非空調區向空調區域對流及輻射熱轉移。

3 結論

針對大空間建筑，本文研究了自然通風與分層空調耦合運行對室內溫度分布和氣流分布的影響，并與單獨采用分層空調系統作了比較。結果表明，在大空間上部采用自然通風可有效排除上部滯留熱量，降低下部空調區域的冷負荷，具有較好的節能性，是大空間建筑節能工作的發展方向。

[1] 劉笙,黃成.大空間建筑上部開口節能潛力研究[J].暖通空調,2008,38(8):43-46

[2] 鄭東林,譚洪衛,衛丹,等.機場高大空間分層空調中自然通風效果的探討[A].見:上海市制冷學會2005年學術論文集[C].2005.364-366

[3] 陸耀慶.實用供熱空調設計手冊(第二版)[M].北京:中國建筑工業出版社,2009

[4] 溫正,石良辰,任毅如.流體計算應用教程[M].北京:清華大學出版社,2009

[5] 江帆,黃鵬.FLUENT高級應用與實例分析[M].北京:清華大學出版社,2008

[6] 鄒月琴,王師白,彭榮,等.分層空調熱轉移負荷計算方法的研究[J].暖通空調,1983,(2):11-18