1、毕业设计文献综述 建筑环境与设备工程 北京某五星级酒店空调系统优化及中庭气流组织分析 摘要 ： 近年来，随着我国人民生活水平的不断提高，社会能耗不断上升。同时石油等自然资源也日益紧缺，开采成本也越来越高，如何采取有效的措施降低能耗的问题就日渐突出，而建筑能耗中的空调系统能耗又占了社会总能耗中相当大部分。如今人们越来越关注室内空调系统能否在保证良好的空气质量情况下满足热舒适的要求，并降低能源消耗。与此同时，为了达到这些目的，采用不同控制策略的空调系统也应运而生，有 VAV 系统， VWV 系统，热湿独立处理系统等等 。然而如果不进行合理的能耗分析，不采用合适的控制策略，采用这些系统依然不能有效达
2、到目的。采用 DeST 模拟软件对该建筑进行空调系统优化设计，同时采用 CFD 软件对气流组织进行分析以达到满足热舒适的要求，同时降低能耗和系统成本。 关键字： 能耗分析， DeST 模拟软件， CFD 软件 一、引 言 能源是社会发展的物质基础，是实现现代化和提高人民生活水平的先决条件。长期以来，如何合理利用和节约能源，是世界各国普遍重视的战略问题。尤其近几年来，一方面能源利用效率提高缓慢，人均能源消耗量逐步提高；另一方面能源生产量停滞不前。因 此，我国对能源的需求越来越多，正面临能源问题的巨大挑战，从九十年代中期开始，我国能源消费总量普遍高于能源生产总量，供不应求的矛盾逐年突出 1。 随着
3、人们生活水平的提高，空调的普及率和能源消耗量逐渐扩大，对能源的供应形成了严峻的考验。据统计，美国每年仅用于生活的制冷空调电力，约占发电量的 23%2，我国的该比例也在迅速增加，以重庆和上海为例，中央空调用电量已分别占全市总用电量的 23%和31.1%3。因此制冷、空调领域的节能研究意义重大。 对于暖通空调领域来说，舒适和节能成为当今建筑、设备设计的基本课题 ，保护环境，利用自然资源，削减能源负荷，成为今后建筑设计的方向。如何应用新的技术手段，提高设施工水平，是暖通空调专业人士所面临的一个重要课题。 空调房间的气流组织，是指确定合适的送 (回 )风口形式、位置、规格、数量和送 (回 )风风量、风
4、速、温度等参数。这些量直接影响室内空调效果，是关系着房间工作区的温湿度基数、精度及区域温差、工作区的气流速度及清洁程度和人们舒适感觉的重要因素，是空气调节的一个重要环节，也是工程设计中必须着重考虑的一个重要环节 2。随着计算技术的发展和高速计算机的应用，研究合理的房间气流组织的 数值计算方法成为进行高性能的房间空调设计的重要方向。 以建筑空间为对象的计算机数值模拟，在一些先进国家，包括空调系统、设备设计在内的建筑设计上的计算机模拟技术得到广泛应用，其中室内热环境计算机模拟技术，特别是计算流体力学 (CFD)技术，是目前国际上一个重要的研究领域。暖通空调制冷行业也是 CFD 技术应用的重要领域之
5、一。 二、 DeST 软件在国内外研究进展与现状 关于建筑能耗方面的模拟软件，美国自上世纪 70 年代起持续开发的建筑节能能耗模拟软件 DOE-2 是北美应用最广泛的软件，也对美国建筑节能的推动起到一定的作用。 但近 20 多年的应用陆续反映出的问题使 DOE-2 很难进一步完善以适应各种新出现的问题。因此自 1997年开发者已停止对 DOE-2 的技术支持，美国能源部组织多个部门共同开发新的建筑节能能耗模拟软件 EnergyPlusES3，以全面替代 DOE -2。目前此工作仍在进行中。 西欧通过近 30 年的努力，各国都形成了各自的建筑能耗模拟软件，并将其作为建筑节能设计与节能分析的基本工
6、具，写人相关的建筑节能标准或规范中。如英国的 ESPE1，荷兰的VA114 等。日本也自上世纪 70 年代开始，逐渐完成 HASP 软件的开发，成为日本建筑 节能标准的实施工具。但近年来由于 HASP 软件本身和其开发维护机制的问题，使 HASP 不能跟上日益发展的建筑节能分析的需要，一些研究者开始把目光投向我国的建筑节能能耗模拟软件DeST。 2004 年，日本包括名古屋大学、三菱重工、大金等在内的几所名校和企业与清华大学签订协议，使用和推广 DeST 软件，并成立日本 DeST 研发中心，根据日本的具体情况对这一软件进行进一步开发和本土化 4。 我国自上世纪 80 年代初以来一直没有间断这
7、方面的研究。目前美国 EnergyPlus 软件所用的建筑节能热模拟方法 State Space 法 就由清华大学在 1982 年最早提出川。这一方法也是我国全部自主开发的建筑能耗模拟软件 DeST 的核心算法。 DeST 软件历经 15 年的开发推广，目前已发展为完善的建筑节能模拟分析软件系列。目前已完成针对住宅能耗分析与优化设计的DeST-h，针对住宅能耗评估的 DeST-e，针对大型公共建筑节能设计与空调系统优化分析的DeST-c，以及针对大型公共建筑能耗评估的 DeST-ce 四个版本。 在上海、广州、北京和日本名古屋都成立了 DeST 中心，并先后完成了 1000 万 m2 以上的建
8、筑的建筑节能模拟分析，其中包括国家大剧院、首都机 场改扩建、国家主体育馆 (鸟巢 )、国家游泳中心 (水立方 )、深圳会展中心等几十个国家重大项目，对我国建筑节能设计已开始起作用。为了使建筑节能能耗模拟分析软件能够真正发挥作用，还必须有全国各地区的供建筑模拟分析用逐时气象数据。长期以来这也是影响建筑模拟分析全面应用的制约因素。国家气象信息中心与清华大学合作，已完成了包括全国 270 个城镇和地区的基于地面观测数据的建筑热分析用逐时气象数据，并正式出版发行。这也解除了长期困扰建筑节能能耗模拟分析方法全面应用的障碍。故本文对于空调系统的能耗采用 DeST 模拟软件进行模拟，继 而进行优化选择 5。
9、 二、 CFD 软件的应用 计算流体力学（ Computational Fluid Dynamics,CFD）是一门发展迅速的学科，与此学科相关的新的理论、算法和软件层出不穷。作为一门独立的学科，计算流体力学出现于 20 实际 60年代，经过几十年的发展，已经成为流体科学领域与理论流体力学和实验流体力学鼎足而立的重要学科。 CFD 通过计算机数值计算和图形显示的方法，在时间和空间上定量描述流场的数值解，从而达到对物理问题进行研究的目的 6。 现有 CFD 软件包较多，如 Phoenices、 CFX、 Fluent、 Start-CD、 Airpak 等，而 Fluent 是目前国际上比较流行
10、的商用 CFD 软件包，在美国的市场上占有率为 60%。它具有丰富的物理模型、先进的数值方法以及强大的前后处理功能，在航空航天、汽车设计、石油天然气设计、暖通空调设计等等方面都有广泛的应用 7。下面简要介绍几种 CAD 软件包。 FloWizard ：为产品设计提供快速流动模拟 FloWizard 软件是以设计产品或工艺为目的的快速流体建模软件。该计算流体动力学软件是专门为那些需要了解所设计产品的流体动力学特性的设计工程师和工艺工程师研制 的。设计者不再需要是流体模拟方面的专家就可以非常成功地使用 FloWizard。因为它易学易用。在产品设计周期的初期，工程师就可以用快速流动模拟对产品方案进
11、行流动分析，这就提高了设计的性能，降低了产品到达市场的时间。另外， FloWizard 能够执行多个流体动力学设计任务。 FLUENT for CATIA V5： PLM 的快速流动模型应用 FLUENT for CATIA V5 将流体流动和换热分析带入 CATIA V5 的产品生命周期管理（ PLM）环境。它将 FLUENT 的快速流动模拟技术完全集成到 V5 的 PLM 过程 ，所有的操作完全基于 CATIA V5 的数据结构。 FLUENT for CATIA V5 在您的用于制造的几何模型和流动分析模型之间提供了完全的创成关系。它减少了 CFD 分析周期的 60%时间甚至更多，它提供
12、了基于模拟的设计方法。设计、分析和优化完全在 CATIA V5 PLM 的单一工作流之内完成。 Airpak： HVAC 领域工程师的专业人工环境系统分析软件 它可以精确地模拟所研究对象内的空气流动、传热和污染等物理现象，并依照 ISO 7730标准提供舒适度、 PMV、 PPD 等衡量室内空气质量（ IAQ）的技术指标。从而 减少设计成本，降低设计风险，缩短设计周期。 Airpak 软件的应用领域包括建筑、汽车、楼宇、化学、环境、加工、采矿、造纸、石油、制药、电站、办公、半导体、通讯、运输等行业。 CFD 软件的研究 文献 8-9利用 FLUENT 软件进行分层空调空气流动预测的应用，计算夏
13、季空调时的送风速度、送风温差、送风高度以及送风口型式对速度分布、温度分布、 ET 值分布和 ADPI 值等的影响，并分析在不同送风参数下的速度分布、温度分布、 ET 值分布和 ADPI 值等的规律。通过实测验证数值模拟的可靠性。 文献 10 利用数值模拟的方法 ，以采用分层空调的某大空间为例，模拟了全部采用中部侧送风和采用中部侧送风与侧墙孔板送风相结合的两种气流组织方式下的流场，分析了两种不同气流组织方式下流场的特点，得到了有利于大空间建筑实现节能和舒适热环境的气流组织方式。 文献 11应用 FLUENT 软件对夏季空调房间内常见的上送下回、下送上回等几种气流组织方案进行了模拟计算，分析了上送
14、下回方式在送风速度变化时，室内空气的速度和温度的变化规律，并研究了室内空气在各种气流组织形式下的速度温度分布。 文献 12 利用 CFD模拟软件 PHOENICS对空调房间的室内 热环境进行了数值模拟 ,得出了空气温度、流速的分布图 ,并对模拟房间进行了实验测试 ,对模拟结果与实测结果进行了分析、比较。分析结果表明模拟值与实测值的吻合度很好 ,这表明所建立的模型是正确的 ,模拟结果是可信的。 文献 13-14利用 CFD直接模拟喷口形式入口边界条件是先从管道到喷口出口处的三维区域进行模拟，得出出口断处的各变量参数，然后将此结果作为对室内空气流动模拟的入口边界条件。通过对四种不同的喷口建立三维数
15、学模型，对微分方程采用有限容积进行离散求解。从而较真实地模拟出四种喷口速度分布集速度矢量图，喷口轴线的 速度分布，出口截面的速度分布以及喷口截面的总压及静压分布。 文献 15模拟室内气流组织的计算流体动力学 (CFD)的专用软件 Airpak。利用 Airpak 软件 ,采用 N-S 方程和 RNG - 湍流模型对某宾馆礼仪大厅的温度场、速度场、气流组织进行计算模拟分析 ,以实现在设计阶段了解室内空调效果 ,进而通过不断调整通风口的个数、位置、开度、进风风量、温度等参数 ,达到对该宾馆礼仪大厅空调系统优化设计的目的。 文献 16 采用 Airpak2.1 模拟计算比较分层空调改进方案的气流组织
16、，特别对温度、风速、人体舒适评价 PMV PPD 指标和典型断面流场进行了比较分析，得出三种空调方式均能满足工作区舒适性要求，气流组织设计合理。通过理论计算和 CFD 模拟寻找出送风温差与送风角度的关系。 三、总语 采用 FLUENT 方法对一高大房间分层空调的速度场和温度场进行数值模拟 ,获得速度场、温度场等比较直观的数据及图形 ,探讨了分层空调房间内的气流组织、数值结果。 数值计算方法在通风空调领域的应用水平还不高，通风空调领域有许多复杂的 CFD 问题尚待解决，进一步开展这方面的研究工作必将会大大促进通风空调学科的发展。 本文通过查阅其他学者的研究结果，总 结下如下结果：对于我所研究的课
17、题，关于节能方面的模拟，采用 DeST 模拟软件，对于中庭的气流组织模拟设计采用 FLUENT 软件进行模拟。 参考文献 1岑可法 .中国能源与环境可持续发展的若干问题 J.中国废钢铁， 2006(2):4 一 13. 2S.V.Shelton. Residential space conditioning with solid technologyJ. proeeedings of the SymPosium:SolidSorptionRefrigeration.1992:67 一 76. 3张国强，龚光彩， Fariborz Haghighat，范运湘 .能源环境与空调制冷 J.制冷学报，
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