用 CFD 优化置换通风设计

双螺杆泵 2023年7月7日浏览：1659 收藏：1

转自国外的一篇文章

任何物理产品的成本和性能通常在设计过程的早期就确定。您开始探索设计空间并定义产品概念的阶段是做出最具影响力的设计决策的阶段。在那之后，生产成本的实现速度要慢得多。

仿真是在早期产品开发阶段发挥重要作用的工具之一，它使工程师能够在流程的早期做出更明智的设计决策。对于最终产品，这可能意味着更低的生产成本、更高效的能源消耗、更低的故障风险等等。

用 CFD 优化置换通风设计的图1

工程问题：评估通风设计

与传统的混合通风 (MV) 系统相比，置换通风系统 (DV) 是一种空气分配策略，它从通常位于地板附近的空气供应扩散器以低速引入经过调节的室外空气。冷空气因浮力而加速，聚集在地板附近，然后被带入由热源（例如，居住者、电器）形成的热羽流中。空气在天花板水平被合并以提取并且不会重新进入被占用的空间。这种空气分配策略可以有效地为居住者提供新鲜空气并去除与热源相关的污染物，从而创造一个舒适健康的环境。

DV 技术在过去几十年中一直是欧洲 HVAC 行业的标准做法，并且在美国也很受欢迎，经常应用于教室和办公空间。

用 CFD 优化置换通风设计的图2 — 选择最佳的通风系统设计可能是一个艰难的决定，因为每种方法都有其独特的优势和劣势。需要考虑多种因素，包括室内空气质量、舒适度、能耗和成本。从靠近地面的扩散器供应空气具有重要的设计意义。必须以更高的温度和更低的速度供应空气，以避免不舒服的气流。因此，空气扩散器需要比其他空气分配系统的空气扩散器大得多。空气扩散器的尺寸是一个重要的考虑因素，因为它们必须适应建筑设计。同时，以较低的速度输送空气可以让风扇运行得更慢，从而降低能耗并产生更少的噪音。如果建筑布局适应置换通风系统的尺寸和其他特殊要求，

总结置换通风系统与传统混合通风相比的优点和局限性：

好处

改善室内空气质量
更好的声学和更少的噪音（应用置换通风扩散器而不是混合通风扩散器可以将声级降低 5 的 NC 系数）
更低的压降、更小的风扇和更低的能耗
更少的扩散器和更少的管道系统
更高的通风效率（一年中大部分时间都可能提供免费冷却）

限制

不能广泛应用
更复杂的送风管道
扩散器更贵
中性室温较高

置换通风使用 CFD 进行设计优化研究

分析方法和小规模实验室实验有时用于预测建筑物的自然通风流特征。在设计阶段，这些技术有助于了解流动特性，包括可能的通风率、任何热分层和新鲜空气分布。作为替代方案，计算流体动力学 (CFD) 越来越多地用于预测建筑气流和测试自然通风策略。随着最近计算能力的进步，创建 CFD 模型和分析结果的过程变得更少劳动密集型，从而减少了时间和相关成本。CFD 优于分析和实验方法，可以在整个流场的许多位置提供空速和温度数据。

项目概况

本研究使用了以下项目：位移通风 CFD 分析。本项目的目的是评估分隔房间在两种典型通风模式下的空调性能：（1）混合通风，和（2）置换通风系统。

对于总共六个具有代表性的空调场景，执行 CFD 模拟以检查两个分隔空间的温度分布和局部热舒适度。模拟结果表明，分隔房间中的温度分布是通风策略（混合通风与置换通风）的强函数，但受扩散器布置的影响很小。

仿真参数

由尺寸为 4 m × 4 m × 2.5 m 的两个相同空间组成的计算域。这两个空间通过隔墙中的一扇门相连，空气可以从一个空间移动到另一个空间。
每个空间有一个 2 m × 1.25 m 的窗口和一个高度为 1.5 m，半径为 0.3 m 的圆柱形人体模拟器。
墙壁送风散流器位于每个空间的天花板高度，用于混合通风情况，而送风散流器位于地板高度，用于置换通风情况。在这两种情况下，排气口都位于空间 B 的天花板上。
这个简单的设置为两个最相关的现实世界场景提供了一个测试用例：
(1) 分隔空间仅由一个散流器提供服务——可能是因为在建筑设计阶段之后进行了室内空间的分隔，以及
(2) 每个分隔空间由一个原先设计的散流器提供服务。检查了考虑两种通风策略（混合通风与置换通风）和三种扩散器布置的总共六个模拟场景。
对于边界条件，供应扩散器和排气口分别建模为速度入口和压力出口。入口速度从 0.135 到 0.74 m/s 不等，以提供 3 h-1 的恒定通风气流速率。混合通风的送风温度为 16°C，置换通风系统的送风温度为 19°C。
为了主要关注室内气流对室内热条件的影响，除了窗户和人体模拟器外，通过使模型的外壳绝热来排除室外条件。窗户发出 400 W (160 W/m2) 的显热通量，人体模拟器发出 70 W/m2 的总热通量，这代表一个坐着的人在做标准的办公室工作，例如打字或归档。
在两种可能的方程湍流模型中，使用剪切应力传输 (SST) k-ω 湍流模型是因为它在预测与室内环境中的热羽流和壁面流动相关的湍流室内气流方面表现出色。

用 CFD 优化置换通风设计的图3

用 CFD 优化置换通风设计的图4

仿真结果

用 CFD 优化置换通风设计的图5

三种置换-通风系统情景下的温度和速度分布

对于置换通风方案，呼吸区的温度分层很明显。呼吸区的温度范围为 18°C 至 30.3°C，温度越高，高度越高。出现这种模式是因为当供应的空气被室内热源加热时，从地板供应的冷空气向上移动。尽管散流器的布置不同，但置换通风系统的模拟结果表明，呼吸区的平均温度为 18 – 20.6°C。有排气的空间呼吸区上方的温度达到30°C，而没有排气的空间则超过35°C。

然而，对于置换通风，头部温度高于期望值。当将气流速率限制为受控参数时，这可能是置换通风系统的局限性。

用 CFD 优化置换通风设计的图6 三种混合通风系统情景下的温度和速度分布