1、一種大空間分層空調設計方法及應用    摘要：本文探討并應用了一種基于多區熱質平衡模型的分層空調設計方法。多區熱質平衡模型包括多股射流速度重合與流量、垂直壁面換熱與流動、表面熱平衡、區域熱質平衡等子模型。該方法從研究多股平行非等溫射流的特性以及大空間垂直溫度分布特點入手，其計算條件為相應的室外計算參數、空間幾何尺寸、圍護結構傳熱特性以及內部已知散熱源，計算過程包含了傳導、對流和輻射的三傳耦合。通過模型的求解，可以得出相應的設計參數，如空調負荷、空調送風量、噴口的尺寸與數量等。在穩態條件假設下，與原有的分層空調設計方法進行了比較，指出了原有方法的不足之處。

2、 關鍵詞：熱質平衡模型 分層空調 穩態假設 1 分層空調技術背景 1.1 技術發展 近年來，大空間建筑在工業和民用場合出現越來越多，分層空調技術在各類大空間建筑中應用也更加廣泛。分層空調作為一種特殊的氣流方式，于20世紀60年代最早出現在美國，后又在日本、中國等開始大量應用1。分層空調一般可以定義為：在大空間兩側或單側腰部設置送風噴口，下部同側均勻設置回風口，運用多股平行非等溫射流將空間隔斷為上下兩部分，僅對下部空調，形成“空調區”，對上部通風形成“非空調區”。 國外學者曾對分層空調氣流進行了模型試驗，并試圖對分層空調進行理論解析，但其結論很難應用于實際工程2。20世紀80年代，中國建筑科學研

3、究院對分層空調進行了大量的模型試驗，提出了“分層空調氣流組織計算方法”、“分層空調熱轉移負荷計算方法”等2, 3，成為目前國內大空間建筑分層空調設計的主要參考依據。此后，又有人采用CFD技術、簡易能量平衡模型等手段對分層空調橫向隔斷氣流以及室內溫度分布進行了研究，特別是對垂直溫度分布特點的研究已成為進一步解決大空間建筑節能和良好熱舒適環境的重要途徑，文獻4結合國內外研究現狀，綜述了近些年CFD模型、能量平衡法、實驗手段等方面的重要進展。 1.2 存在問題 就目前來看，關于多股平行非等溫射流的理論已較為成熟，從實驗、解析到數值模擬都有一些研究成果2, 5, 6。然而，對于分層空調氣流下負荷的解析

4、計算以及能耗的分析還有待進一步的深入研究。文獻2,3雖然系統給出了分層空調的設計方法和過程，但仍然缺乏理論依據，有不少地方是值得商榷的，比如，在確定非空調區溫度時，采用以下方法：    （1） 式中，為空調區計算溫度，由工藝確定；為非空調區計算溫度；為屋蓋下空氣溫度或排風溫度，取室外計算溫度附加23 oC。實際上，非空調區的溫度是隨室內外條件而變化的，并不是定值，其取值范圍只能適用于某些情況，再者讓工程人員在設計過程中憑經驗人為取值也是不合理的。 另外，為了計算非空調區對空調區的輻射熱轉移負荷，文獻3采用下式確定圍護結構內表面溫度： （2） 式中，為圍護

5、結構內表面溫度；為室內計算溫度，即或；為綜合溫差；圍護結構傳熱系數；為內表面換熱系數，可取8.72 W·m-2·K-1。可以看出，在確定某一個圍護結構內表面溫度時，該方法將對流和輻射換熱概括到一個表面換熱系數中，從理論上看，把與所有其它圍護結構輻射換熱簡化為與室內空氣的當量熱交換，且只考慮非空調區對空調區表面的輻射熱交換，將整個非空調區高度范圍內的表面溫度看成一個單值，都是不合理的。 總體來說，該設計方法完全來自于模型試驗，缺乏相應的理論解析，其適用性應該是有限制的，且計算過程也比較麻煩。因此，建立一個完整的基于區域與表面能量平衡的理論模型，并借助于計算機程序，拋棄對未知條

6、件的假設、保留試驗結果的合理性因素，對于分層空調技術應用是大有裨益的。 2 多區熱質平衡模型 為了研究大空間熱環境，國外學者相繼提出了一室二溫、三溫、多溫等模型4，并逐漸考慮了空氣流動交換、送風射流作用等因素，通過垂直分布來求解模型并進行分析。其中最為完善的是日本學者戶河里敏的BLOCK模型7。這一模型核心就是多區熱量/質量的平衡，它已經得到大量檢驗，以于1993年正式被日本空氣調和衛生工學會空氣調和設備委員會熱負荷法小委員會推薦，作為大空間建筑室內垂直溫度分布和熱負荷計算方法4。 BLOCK多區熱質平衡模型中已經考慮了送風射流的影響，但是，其射流模型只包含冬、夏季的單股射流、沒有考慮相互重合

7、下的多股平行射流。此外，模型中對流換熱系數取為定值，不能體現空氣溫度與表面溫度的關聯性；輻射熱交換因素沒有被引入到表面熱平衡；圍護結構導熱不考慮，需要測出表面溫度的分布才能計算。 本文在BLOCK模型基礎上，建立了一個多區熱質平衡模型，包括多股射流速度重合與流量、表面熱平衡、垂直壁面換熱與流動、區域熱質平衡等子模型，計算過程包含了傳導、對流和輻射的三傳耦合。    圖1給出了采用分層空調大空間的多區熱質平衡模型的示意圖，下部是由多股平行非等溫射流以及均勻回風作用下的空調區，上部為進風與排風作用產生的非空調區。區域劃分的方法是，將工作區作為一個區域，射流體

8、所在高度空間作為一個區域，非空調區按BLOCK數劃分為若干區域，同時圍護結構除了地面和屋頂以外，其它均按照空間區域范圍劃分成相應的區域。可見，只要解決了多股平行非等溫射流的卷吸流量計算、含輻射的封閉系統多表面熱平衡方程求解以及區域間由于射流卷吸引起的空氣流動問題就可以將模型應用于分層空調大空間的垂直溫度分布預測。 對于多股平行非等溫射流的卷吸流量，首先需要研究多股射流的重合特性。筆者根據動量原理以及射流斷面幾何交叉關系（如圖2），推導了射流重合的平均速度修正系數Kvm5。 （3） 式中，ei為系數，分別地e1=7.690×10-1，e2=5.310×10-2，e3=-5.3

9、47×10-4，e4=2.514×10-5，e5=-0.454×10-9；s是指多股射流的射程，通過多股射流的軌跡方程積分得到；L是指相鄰兩股射流的軸心間距的一半，即相鄰兩個射流噴口的半間距。然后，推導出了多股射流的流量計算公式（減去送風量就是卷吸流量）5： ，R>L （4） , RL （5） 式中，R射流半徑；為送風速度；為送風口直徑；a為送風口紊流系數；um為單股射流軸心速度；Fint為中間變量，見公式（6）；常數C = 6.223×10-3。 （6） 式中，g0=1.966×10-2，g1=-4.388×10-2，g2=2

10、.910×10-4，g3=7.305×10-7。 對于圍護結構內表面，建立如下的熱平衡方程： （7） 式中，是圍護結構傳熱系數；是外表面綜合溫度；為內表面溫度；為空氣區溫度；為內表面對流換熱系數；是表面p對i的輻射熱換熱系數，用下式計算： （8） 式中，為表面輻射發射率；表面的面積積；為表面間輻射角系數，由代數法或Montcarlor法計算8。 此外，垂直壁面換熱與流動規律與BLOCK模型介紹的壁面流子模型7方法相同，認為由自然對流驅動壁面附近空氣流動，并通過相應判斷方法確定垂直流動以及回流空氣量。最后，通過對各個區域進出空氣量以及熱量建立平衡方程使得整個模型封閉。 3 基

11、于多區熱質平衡模型的分層空調設計方法 在已知工作區溫度以及室外溫度條件下，設計計算過程與垂直溫度分布的預測是統一的，通過多區熱質平衡模型求解垂直溫度分布，同時計算空調區得熱，最后便可確定滿足工作區溫度的分層空調方式及噴口尺寸、數量、出風速度等設計參數。另外，對于上部非空調區機械通風系統，考慮到最大限度利用自然風、減小對空調區的熱轉移以及經濟性等的多重要求，其合理設計屬于多參數優化問題，目前有還待進一步研究。圖3描述了含機械通風系統優化的基于多區熱平衡模型的分層空調設計流程。流程圖中，垂直溫度分布預測需要一個疊代求解過程，分層空調氣流組織設計與大空間垂直溫度分布預測是交叉的。這種交叉就是要保證滿

12、足空調區設計溫度，并同過多股射流流量的計算得以實現。最終，當垂直溫度分布前后兩次疊代值滿足計算精度時，整個過程才結束。 4 分層空調設計方法的應用及比較 圖4 圍護結構外表面綜合溫度分布 在程序計算過程中，本文構造了一系列局部疊代和全局疊代，引入了變欠松弛技術，疊代初期取用大的松弛因子，后期不斷減小。為考察疊代的收斂性，分別判別了區域溫度、區間質量流疊代誤差兩個指標。 計算對象取一45 m×30 m×20 m大空間建筑。考慮到空調區人員設備等熱源，取空調區內熱12 w·m-3。空調區濕量20 kg·h-1（需判斷送風結露與否）。氣流計算中取射流垂直落差為

13、水平射程的1/4。工作區高為2.5 m。工作區平均風速0.25 m/s。將建筑空間垂直劃分為12個區域（先根據工作區高度以及射流特性確定下面兩 個區高度，再均分上部空間為10個區）。上部不設通風。空調系統回風比為100%。噴口紊流系數取0.066。墻體、屋頂的熱傳導系數分別為1.27和0.49 W·m-2·K-1，地面絕熱。各個內表面的發射率均取0.91。空調區設計溫度26 °C，相對濕度50%。室外空氣溫度30.4 °C（四個外表面綜合溫度取相同分布，見圖4；屋頂綜合溫度51 °C），相對濕度70%。用I壁面表示不設送風口的壁面，用J壁面表示

14、設置送風口的壁面。關于分層空調設計計算結果如表1。 表1 本文方法計算結果    噴口直徑    送風速度    送風溫度    送風量    空調得熱    風口高度    風口數量    200 mm    6.70 m/s 

15、   16.0 °C    24860 m3/h    84.0 kW    6.1 m    28 下面將本文方法與前述的中國建筑科學研究院的試驗基礎上得出的方法進行對比。簡便起見，兩者計算都在穩態假設下進行。對于原來方法，圍護結構外表面綜合溫度取設定分布（見圖4）的平均值。計算條件都不變。 圖5和圖6給出了兩種方法計算所得的空調區的得熱及其各組成部分。原來方法中空調區得熱由空調區內熱源、空調區

16、外圍護結構傳熱、對流熱轉移以及輻射熱轉移組成3；本文方法中空調區得熱則包括空調區內熱源、地面吸收輻射放熱、非空調區對空調區對流熱轉移、非空調區對空調區溫差熱轉移、邊界層對空調區對流熱轉移。本文方法和原來方法計算的空調區的得熱量分別為84.0 kW和95.6 kW，原來方法相對偏大13.8；兩者的組成不同，但實際上圖5中C、D、E、F四項總和與圖6中B、D、E三項總和是相當的。   圖79顯示按兩種方法計算得出的空間以及墻內表面溫度分布比較情況。另外按本文方法計算得出的地面和屋頂內表面溫度分別為27.7 °C和33.5 °C；而按原來方法分別為 26 °C

17、和30.7 °C。分析可知，原來方法的非空調區溫度的確定和內表面溫度的計算是欠妥的，公式（1）缺乏任意條件下應用的依據，公式（2）沒有輻射換熱對熱平衡的作用。這就造成了圖79中，原來方法計算的各個溫度值明顯低于本文的方法。由此，再結合圖5和圖6，非空調區對空調區的總輻射轉移量應該是本文方法較大，而總的空調區得熱又是原來方法較大，可見原來方法的非空調區對空調區的總對流熱轉移量要大于本文方法。    圖7 兩方法空間溫度比較圖8 兩方法I壁面溫度比較圖9 兩方法J壁面溫度比較 最后，需要指出的是，本文在穩態條件假設下計算的得熱，實際上與空調區實際的

18、負荷的概念是不同的。關于“得熱”、“負荷”、“瞬時得熱”等概念，我們將在動態模型的研究中嚴格界定，關于實際的分層空調設計也需要在動態負荷計算基礎上進行。 5 結語 首先，本文探討了大空間建筑分層空調技術研究以及應用的背景，分析了原方法在非空調區溫度確定、表面溫度計算等方面缺乏理論可靠性。 隨后，本文又介紹了BLOCK模型在大空間建筑垂直溫度分布研究中的應用，結合了建研院空調所關于多股平行非等溫射流試驗的結論以及相關的射流卷吸研究，建立了一種基于多區熱質平衡模型的分層空調設計計算方法。 為了實現基于多區熱質平衡模型的分層空調設計，本文給出了分層空調設計過程、通風系統優化以及垂直溫度預測相交叉的計算流程。 最后，基于穩態過程的假定，本文將這一新的分層空調設計方法應用于一實例，比較了本文方法和原來方法的結果。結果顯示，本文方法更具合理性、理論性。 本文為分層空調設計提供一種方法與思路，也為分層空調理論的進一步完善提供了理論依據。 參考文獻 1. 滿孝新高大潔凈廠房分層空調氣流組織數值模擬哈爾濱工業大學碩士