轉(zhuǎn)自國(guó)外的一篇文章

   任何物理產(chǎn)品的成本和性能通常在設(shè)計(jì)過(guò)程的早期就確定。您開(kāi)始探索設(shè)計(jì)空間并定義產(chǎn)品概念的階段是做出最具影響力的設(shè)計(jì)決策的階段。在那之后，生產(chǎn)成本的實(shí)現(xiàn)速度要慢得多。

   仿真是在早期產(chǎn)品開(kāi)發(fā)階段發(fā)揮重要作用的工具之一，它使工程師能夠在流程的早期做出更明智的設(shè)計(jì)決策。對(duì)于最終產(chǎn)品，這可能意味著更低的生產(chǎn)成本、更高效的能源消耗、更低的故障風(fēng)險(xiǎn)等等。

工程問(wèn)題：評(píng)估通風(fēng)設(shè)計(jì)

   與傳統(tǒng)的混合通風(fēng) (MV) 系統(tǒng)相比，置換通風(fēng)系統(tǒng) (DV) 是一種空氣分配策略，它從通常位于地板附近的空氣供應(yīng)擴(kuò)散器以低速引入經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)的室外空氣。冷空氣因浮力而加速 ，聚集在地板附近，然后被帶入由熱源（例如，居住者、電器）形成的熱羽流中。空氣 在天花板水平被合并以提取并且不會(huì)重新進(jìn)入被占用的空間。這種空氣分配策略可以有效地為居住者提供新鮮空氣并去除與熱源相關(guān)的污染物，從而創(chuàng)造一個(gè)舒適健康的環(huán)境。

 DV 技術(shù)在過(guò)去幾十年中一直是歐洲 HVAC 行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)做法，并且在美國(guó)也很受歡迎，經(jīng)常應(yīng)用于教室和辦公空間。

   總結(jié)置換通風(fēng)系統(tǒng)與傳統(tǒng)混合通風(fēng)相比的優(yōu)點(diǎn)和局限性：

好處

• 改善室內(nèi)空氣質(zhì)量

• 更好的聲學(xué)和更少的噪音（應(yīng)用置換通風(fēng)擴(kuò)散器而不是混合通風(fēng)擴(kuò)散器可以將聲級(jí)降低 5 的 NC 系數(shù)）

• 更低的壓降、更小的風(fēng)扇和更低的能耗

• 更少的擴(kuò)散器和更少的管道系統(tǒng)

• 更高的通風(fēng)效率（一年中大部分時(shí)間都可能提供免費(fèi)冷卻）

限制

• 不能廣泛應(yīng)用

• 更復(fù)雜的送風(fēng)管道

• 擴(kuò)散器更貴

• 中性室溫較高

置換通風(fēng)使用 CFD 進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化研究

  分析方法和小規(guī)模實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)有時(shí)用于預(yù)測(cè)建筑物的自然通風(fēng)流特征。在設(shè)計(jì)階段，這些技術(shù)有助于了解流動(dòng)特性，包括可能的通風(fēng)率、任何熱分層和新鮮空氣分布。作為替代方案，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué) (CFD) 越來(lái)越多地用于預(yù)測(cè)建筑氣流和測(cè)試自然通風(fēng)策略。隨著最近計(jì)算能力的進(jìn)步，創(chuàng)建 CFD 模型和分析結(jié)果的過(guò)程變得更少勞動(dòng)密集型，從而減少了時(shí)間和相關(guān)成本。CFD 優(yōu)于分析和實(shí)驗(yàn)方法，可以在整個(gè)流場(chǎng)的許多位置提供空速和溫度數(shù)據(jù)。

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項(xiàng)目概況

  本研究使用了以下項(xiàng)目：位移通風(fēng) CFD 分析。本項(xiàng)目的目的是評(píng)估分隔房間在兩種典型通風(fēng)模式下的空調(diào)性能：（1）混合通風(fēng)，和（2）置換通風(fēng)系統(tǒng)。

   對(duì)于總共六個(gè)具有代表性的空調(diào)場(chǎng)景，執(zhí)行 CFD 模擬以檢查兩個(gè)分隔空間的溫度分布和局部熱舒適度。模擬結(jié)果表明，分隔房間中的溫度分布是通風(fēng)策略（混合通風(fēng)與置換通風(fēng)）的強(qiáng)函數(shù)，但受擴(kuò)散器布置的影響很小。

仿真參數(shù)

1. 由尺寸為 4 m × 4 m × 2.5 m 的兩個(gè)相同空間組成的計(jì)算域。這兩個(gè)空間通過(guò)隔墻中的一扇門(mén)相連，空氣可以從一個(gè)空間移動(dòng)到另一個(gè)空間。

2. 每個(gè)空間有一個(gè) 2 m × 1.25 m 的窗口和一個(gè)高度為 1.5 m，半徑為 0.3 m 的圓柱形人體模擬器。

3. 墻壁送風(fēng)散流器位于每個(gè)空間的天花板高度，用于混合通風(fēng)情況，而送風(fēng)散流器位于地板高度，用于置換通風(fēng)情況。在這兩種情況下，排氣口都位于空間 B 的天花板上。

4. 這個(gè)簡(jiǎn)單的設(shè)置為兩個(gè)最相關(guān)的現(xiàn)實(shí)世界場(chǎng)景提供了一個(gè)測(cè)試用例：

   (1) 分隔空間僅由一個(gè)散流器提供服務(wù)——可能是因?yàn)樵诮ㄖO(shè)計(jì)階段之后進(jìn)行了室內(nèi)空間的分隔，以及
   (2) 每個(gè)分隔空間由一個(gè)原先設(shè)計(jì)的散流器提供服務(wù)。檢查了考慮兩種通風(fēng)策略（混合通風(fēng)與置換通風(fēng)）和三種擴(kuò)散器布置的總共六個(gè)模擬場(chǎng)景。

5. 對(duì)于邊界條件，供應(yīng)擴(kuò)散器和排氣口分別建模為速度入口和壓力出口。入口速度從 0.135 到 0.74 m/s 不等，以提供 3 h-1 的恒定通風(fēng)氣流速率。混合通風(fēng)的送風(fēng)溫度為 16°C，置換通風(fēng)系統(tǒng)的送風(fēng)溫度為 19°C。

6. 為了主要關(guān)注室內(nèi)氣流對(duì)室內(nèi)熱條件的影響，除了窗戶(hù)和人體模擬器外，通過(guò)使模型的外殼絕熱來(lái)排除室外條件。窗戶(hù)發(fā)出 400 W (160 W/m2) 的顯熱通量，人體模擬器發(fā)出 70 W/m2 的總熱通量，這代表一個(gè)坐著的人在做標(biāo)準(zhǔn)的辦公室工作，例如打字或歸檔。

7. 在兩種可能的方程湍流模型中，使用剪切應(yīng)力傳輸 (SST) k-ω 湍流模型是因?yàn)樗陬A(yù)測(cè)與室內(nèi)環(huán)境中的熱羽流和壁面流動(dòng)相關(guān)的湍流室內(nèi)氣流方面表現(xiàn)出色。

仿真結(jié)果

三種置換-通風(fēng)系統(tǒng)情景下的溫度和速度分布

   對(duì)于置換通風(fēng)方案，呼吸區(qū)的溫度分層很明顯。呼吸區(qū)的溫度范圍為 18°C 至 30.3°C，溫度越高，高度越高。出現(xiàn)這種模式是因?yàn)楫?dāng)供應(yīng)的空氣被室內(nèi)熱源加熱時(shí)，從地板供應(yīng)的冷空氣向上移動(dòng)。盡管散流器的布置不同，但置換通風(fēng)系統(tǒng)的模擬結(jié)果表明，呼吸區(qū)的平均溫度為 18 – 20.6°C。有排氣的空間呼吸區(qū)上方的溫度達(dá)到30°C，而沒(méi)有排氣的空間則超過(guò)35°C。

  然而，對(duì)于置換通風(fēng)，頭部溫度高于期望值。當(dāng)將氣流速率限制為受控參數(shù)時(shí)，這可能是置換通風(fēng)系統(tǒng)的局限性。

三種混合通風(fēng)系統(tǒng)情景下的溫度和速度分布 

局部不適

  在上圖中，紅色區(qū)域表示速度幅度 > 0.20 m/s 的區(qū)域，由于高空速和操作溫度低于 22.5°C，乘員可能會(huì)遇到局部氣流。

  以上兩個(gè)圖說(shuō)明，在混合通風(fēng)方案中，與置換通風(fēng)方案相比，局部通風(fēng)要高得多。此外，在置換通風(fēng)系統(tǒng)中，空氣速度明顯更高，腳踝水平的氣溫低至18.2°C，因此在腳踝附近可能會(huì)出現(xiàn)局部不適。當(dāng)只有一個(gè)擴(kuò)散器運(yùn)行時(shí)，經(jīng)常會(huì)在腳踝處發(fā)現(xiàn)大于 0.2 m/s 的空速。

  當(dāng)兩個(gè)擴(kuò)散器都以低速工作時(shí)，腳踝平面上的局部熱不適顯著減少。提高送風(fēng)溫度可以作為一種替代方法，在減少能量消耗的同時(shí)防止腳踝水平的局部熱不適。

結(jié)論

  這只是 CFD 工具如何幫助 HVAC 工程師預(yù)測(cè)其設(shè)計(jì)性能并相應(yīng)地優(yōu)化設(shè)計(jì)的一個(gè)示例。

文章來(lái)源：郭鵬學(xué)暖通