一种碰撞射流通风系统优化设计方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种碰撞射流通风系统优化设计方法。
【背景技术】
[0002]我国空调系统能耗巨大。大空间中空调系统送风能量利用率与人体热舒适与空气品质要求之间的矛盾比小空间更加尖锐，不论是采用置换通风等新的通风方式，还是传统混合通风基础上改进的分层空调，都没有很好地解决这个问题。
[0003]置换通风(含低速送风的地板送风)等末端送风方式在大空间供冷时，低速送入的空气在地面形成冷空气湖，利用人员和室内其他热源产生的热羽流卷吸周围冷空气。即同时实现了节能和良好空气品质的目标。但冬季工况时，由于送风速度低，送风热气流在浮力作用下容易直接上升到顶棚，所以不能用于热风供暖。
[0004]混合通风送风速度较大，即可以供冷也可以供热，但混合通风空气品质比置换通风差，此外这种使室内空气混合的通风空调方式使室内温度分布均匀，空调系统必须承担房间全部负荷，对于层高大的房间，其空调供冷能耗将明显高于置换通风等方式；用于热风供暖时，不论是传统的上送上回模式，还是分层空调，由于热气流上浮的原因，人员空间对送风热量的利用率都远低于小空间情况。
[0005]在很多场所，如餐厅、礼堂、厂房等高大空间，不仅需要夏季供冷，冬季集中送热风供暖也是必须的。置换通风不再适用，而混合通风(含分层空调)虽然可以实现供暖和供冷要求，但难以解决大空中热舒适、空气品质和空调能耗之间矛盾。
[0006]碰撞射流通风在上世纪末期开始有实际应用，已有研宄表明，它同时具有混合通风和置换通风的优点。碰撞射流通风系统的末端可以与建筑元素，如墙壁和柱子结合起来。非常适用于大空间建筑，如候机大厅，候车室，餐厅、宾馆门厅和工业厂房等，图1为碰撞射流送回风口在大空间的布置情况。碰撞射流是在离地面一定高度处设置垂直送向地面的送风口，送风速度通常为2.0m/s左右，回风口设置在顶棚附近。自送风口吹出的高动量射流与地面发生碰撞后，速度急剧下降。随后在较大的惯性力(即射流冲量)作用下，沿着地板在下部空间大范围内扩散，并在地板上产生一层很薄的“空气湖”。
[0007]碰撞射流夏季供冷时，与置换通风一样，可以同时实现了节能和良好空气品质的目标。供暖时，由于热风直接送入人员空间，因此避免了混合通风热风难以到达房间下部区域的缺点。但热风送出后，沿地面流动一段距离后会在浮力作用下脱离地面上浮，如图2所示。这段距离即送风距离。实际设计中必须保证送风口间距与送风距离匹配。
[0008]空调房间的负荷随着室外天气和室内热源(人员数量)的改变而变化。空调系统通常采用定风量系统或变风量系统来应对这种变化。由于热射流送风距离受送风状态影响很大，送风距离L随着负荷变化也在不断变化，处于动态运行工况中。这使得碰撞射流通风供暖时存在着在某些负荷时段热射流输运距离L过小的风险，这将导致室内某些区域无法获得热风能量。利用送风距离L的预测模型，可以得到设计变量最优组合，消除或减小室内局部区域不能达到舒适温度的可能性。
[0009]附着在立柱四周的碰撞射流风口的热风输送距离，同时受到送风温差、送风速度、送风口面积和送风口高度等多因素的影响，如果针对每一个因素分别进行确定和设计，将很难得到最佳设计方案。这成为这种新型空调送风方式进一步推广应用的障碍。
[0010]由于碰撞射流通风系统用于大空间时，送风口多附着于立柱四周。因此为设计人员提供一个附着在立柱四周的碰撞射流风口的热风输送距离的多因素综合分析预测公式是实现碰撞射流通风方式节能和良好空气品质等优势的关键技术，也是有效解决大空间供暖问题的重要途径。
【发明内容】
[0011]针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一个碰撞射流通风系统优化设计方法。由于空调系统末端设计涉及到的因素较多，各因素之间相互干扰，设计中难免对某个影响因素有所疏漏。该发明将影响送风末端供暖效果的多个因素综合考虑，拟合在同一个公式中，具有便于设计人员全盘考虑设计方案的独特优势。在碰撞射流空调末端设计中，通常立柱的距离决定了送风口间距，为了保证送风距离达到要求，同时满足施工便利的要求，必须进行优化设计，该发明提供的预测公式可以预测多个参数同时变化时的送风效果，为优化设计提供了条件。
[0012]为了解决上述技术问题，本发明提供了一种碰撞射流通风系统优化设计方法，包括在离地面一定高度处设置能够将风垂直送向地面的至少一个送风口，其特征在于，所述的送风口的必要送风距离不大于热风送风距离的预测值L，L满足下述公式:
[0013]L=L 50939-2.89306h+41.4135d+4.79476 υ -0.960258 Δ Τ_75.9297d2-0.585137 u2
[0014]式中h为送风口高度，单位为m ; υ为送风速度，单位为m/s ;d为送风口水力直径，单位为m ; Δ T为送风温差，单位为°C。
[0015]所述的送风距离是指送风热气流的水平输送距离，即送风口中心至热风脱离地面开始上浮位置的距离，必要送风距离是指为保证室内工作区所有位置均能得到送风热量时，送风距离必须达到的最小值。
[0016]本发明的预测模型的获得过程与准确性的验证如下:
[0017]本发明结合计算流体力学CFD软件，实测验证和统计数学拟合数据等方法得到了碰撞射流热风供暖送风距离的预测模型。数值计算方法采用流体力学计算软件FLUENT6.3.2。在人工气候室对碰撞射流通风供暖房间的室内气流和温度分布进行实测，并利用FLUENT模拟计算人工气候室内部的流场和温度场，通过比较实测数据与模拟结果，验证数值计算方法的正确性。继而采用经过验证的数值计算方法，模拟得到不同影响因素组合条件下的送风距离，利用统计数学中的响应面分析法对上述结果进行整理拟合，最终得到送风距离的预测模式。
[0018](I)在人工气候室内进行碰撞射流供暖实验，利用得到的实测数据对数值计算方法的准确性进行验证。
[0019]实验室布置情况:
[0020]人工气候室位于一大实验室内，具体位置见图3a。人工气候室内部尺寸为3.6mX3mX2.6m(LXWXH)，房间的围护结构采用彩钢板(内衬7cm厚岩棉板)，传热系数约为0.9w/m2 *°C。房间有一扇带有密封条的门，门上设有0.35X0.35m的双层玻璃的观察窗。可以认为热负荷均匀来自围护结构，不存在明显的热桥。实验过程中新风比为10%，室内维持正压，因此通过大部分围护结构缝隙空气渗透造成的房间热损失可以忽略不计。但在侧墙壁面下部区域的缝隙存在空气渗透，为保证每次试验空气渗透量基本相等，在人工气候室外用小风扇通过缝隙向室内吹风，以便实现缝隙内外的压差在每种工况下维持不变，最终的空气渗透量约为0.0015m3/s。
[0021]碰撞射流通风的圆形送风管固定在墙体中间位置，送风口距离地面0.9m，送风口直径为0.14m ;回风口设在顶棚处，尺寸为0.20mX0.30m。
[0022]测点布置与实测仪器:
[0023]人工气候室内放置了四个可移动的测杆，每个测杆上不同高度的第一?第九测点处九个温度测量仪，第二?第八测点处分别固定着七个热球测风仪，见图3b和图3c，给出了测量杆的平面位置和测点的高度分布。此外，在贴近地面的位置处分别布置了 9个热电偶测量空气温度，每个热电偶距离地面的距离为2cm，并用镂空的铝箔纸包裹，以防止围护结构壁面辐射干扰测量结果。
[0024]空气温度的测量采用温度仪Humlog20，分辨率为0.1°C。风速测量采用DELETA万向风速仪，测量风速的范围在0.05到5.00m/s，精度±3%，分辨率0.01m/s。
[0025]实测结果与数值计算结果的比较
[0026]利用FLUENT软件采用四面体网格对人工气候室进行网格划分，送回风口和墙体附近的网格采用加密处理，最小网格尺寸为0.03m。使用商业CFD软件Fluent6.3.2求解三维N-S方程和连续性方程。通过RNG k-ε湍流模型实现方程组的封闭，近壁模型使用标准壁面函数。数值计算中，控制方程的离散化选用二阶迎风格式，求解用SMPLE算法。所有固体表面均设为无渗透和无滑移条件。送风口设为Velocity-1nlet类型，回风口定义为outflow。采用Boussinesq近似模拟浮力对热风运动轨迹的作用。
[0027]图4为实测结果与模拟计算结果的比较，可以看到二者吻合很好，表明数值计算方法可以用于计算碰撞射流通风热风输运距离的分析研宄。图4a_4d为空气温度模拟结果与实测数据的比较图，图中Θ = (T-TsV(Te-Ts)，其中T为任一点的实际温度，Te为房间平均温度，Ts为送风温度，图4e-4h为气流速度模拟结果与实测数据的比较图，U*=u7us其中u*为任一点的实际速度，u s为送风速度。
[0028](2)利用已经验证的数值计算方法对高大空间中碰撞射流热风供暖送风距离进行模拟计算，并利用统计数学中的响应面分析法对上述结果进行整理拟合，最终得到送风距离的预测模式。
[0029]在四周边壁不会影响到热射流流动轨迹的高大空间中，针对四种独立变量的不同组合工况进行数值计算，通过更改送风温度、送风速度、送风口高度和送风口面积，共计算3*3*3*3 = 81种工况，统计数学响应面分析法整理拟合过程仅需要其中27种工况的送风距离。
[0030]利用响应面分析法对这27种工况下的送风距离L进行多变量拟合，得到热风输送距离的预测公式为:
[0031]L=L 50939-2.89306h+41.4135d+4.79476 υ -0.960258 Δ Τ-75.9297d2-0.