基于分区建模的大空间分层空调负荷随分层高度变化的研究

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大空间分层空调气流组织数值模拟及热舒适性分析研究

大空间分层空调气流组织数值模拟及热舒适性分析研究【摘要】本文结合工程实例介绍大空间空调系统的布置方案，利用star-ccm软件对典型大空间工程实例进行模拟分析，为大空间空调系统设计提供参考依据。

【关键词】气流组织；分层空调；star-ccm数值模拟引言近年来，随着我国经济的快速发展，高大空间建筑急剧增加（体育馆，展览馆大会堂音乐厅），大空间建筑中空调能耗占整个建筑能耗的37%[1]，目前对于改进室内空气品质和降低空调能耗，成为人们关注的焦点。

针对大空间建筑高度较高，空调气流具有明显分层现象在垂直高度上梯度较大，同时还具有体积大、空调负荷大、能源消耗大等特点，使得节能问题相当突出[2]。

因此，应采用合理的气流组织，使大空间建筑室内具有良好的热环境以节约能源。

分层空调是大空间建筑典型的空调方式，利用合理的气流组织，仅对下部空间（空气调节区域）进行空气调节，而对上部较大非空调区域进行通风排热。

分层空调目前建筑工程领域中最为常见的一种技术手段[3]。

经过多年的研究总结得出，在一些大空间建筑结构中这一技术的采用有着传统空调技术无可比拟的节能优势，是一个节省初期投资、运行费用和节能性能好的空调体系。

故此这一技术在大型的公共空间采用极为常见，据有关研究显示，高大空间分层空调与全室空调相比，在夏季可实现节能30%[3]。

本文通过star-ccm软件对某市新建车站的大厅进行数值模拟并对热舒适性进行分析。

1 建筑实物与模型1.1 工程介绍某市新建车站是一两层的东西对称大空间建筑结构，其空间尺寸长约76m、宽为60m、高20m，其中包含了一、二层贯通的进展厅以及二层的候车室。

在空调系统中，采用了全空气低速送风方式来进行室内温度调节的，是由屋顶机房集中进行制冷，经过两条送风管将冷风分别输送到进站候车厅以及候车室，对于候车室内部的温度控制为26℃。

在温度调节上，按照夏季分层空调的调节方法来进行设计和布置，其中进展厅距离地面6m的高度处沿着墙壁均匀的布置了25个球形喷风口下侧送风，沿着东西两侧的墙壁上设置了6个球形的喷风口，其方向也是朝下。

3D仿真机房建模

3Ｄ仿真机房建模摘要随着网络数据中心规模不断地发展壮大，数据中心能源的消耗也在不断的加剧。

为了更好地集中管理数据中心资源，和提供更高效的服务，建立绿色数据中心，我们对机房的散热和能耗，任务量分配及合理制冷的问题，做了如下简要分析探究。

首先，针对问题一，本文利用Matlab 软件对中心机房的热分布及流场进行仿真模拟，描绘出了附件1中相关数据的分布图，并求解得到该测试机放室内最高温度大约为55o C ，其位置坐标为(7.2,5.5,2.75)。

同时，对于问题二，本文采用微分方程和流体动力学模型，对中心机房内的温度场、密度场、风力场等进行分析，利用热传导和热流方程综合考虑每台机器的任务量和不同位置对温度的影响，得到一个热分布方程：()/y x z x y z Q Q QC Tdv Q dx Q dy Q dz r f T Q R x y zρβλ∂∂∂=++++++++∂∂∂ 通过这个方程，我们可以很方便知道机房内的任意一点温度。

同时，我们用附件2中的部分数据对我们的模型进行了检验，平均误差在10%以内。

紧接着，对于问题三，本文建立了任务分配模型。

我们运用Matlab 软件拟合出附件2中测试机房内的不同任务总量下，室内平均温度与总务量关系，即20.2817 1.57819.45aver T t t =-++并求出室内最高温度近似为室内平均温度的1.6倍，然后根据问题一中的热分布图，我们合理地给出4个机柜群对室内最高温度的贡献率。

通过使最高温度最小化来制定最优分配任务方案，建立微分方程模型，给出了分配任务的方案。

最后，针对问题四，本文建立了我们将机房多余产生的热量近似于制冷量，即sum cold Q Q ≈。

在此原理建立了入口风速与入口温度的关系，从而可以达到控制空调的送风速度和送风温度，使机房的温度趋于平衡，满足了机房设计C 级标准低于35℃。

关键词：微分方程流体动力学热流方程由于高密度计算、多任务计算的需要，越来越多的高性能数据中心或互联网中心（DC、IDC）正逐渐建成。

大空间分层空调技术探究

图１：分层空调气流组织示意结构图
二、自由射流的流动规律
１、等温自由射流流动特性
高度不变、宽度渐缩的管道，这样设空间体积分为空调区和非空调区，计的目的是保证送风口的送风速度从而仅对空间的下部区域进行空近似相等。大厅由冷水机组提供冷８０Ｋ，回调，而对上部区域不进行空调的空源，夏季冷冻水供水温度为２８５Ｋ。空调系统有较完备的调方式。如图１为分层空调气流组水温度为２自动控制系统，根据回风温度，调节织示意结构图：空气处理机组回水管的开启度以及作为分层面，在垂直方向上将整个风机的转速，以保证大厅温度处于设定的温度范围，有利于节约能源，减少运行成本。
（１）风口模型
通过送风口的空气射流、回风口的出流实现大厅内空气的混合，达到空
调和通风的目的，因此送风口空气的人流条件以及回风Ｅｌ的出流条件对大厅内空气流动的情况影响很大。为正确预测室内的空气温度和速度的分布，需要
施工技术与应用
大空间分层空调技术探究
关键词：文章主要对大空间分层空调技术进行了相关阐述，对分层空调的概念及等温非等温自由射流流动特性和大空间空调的设计要点进行了详细探析，希望可以通过本文可以给广大暖通空调设计工作者提供参考。

大空间分层空调

分层空调1 分层空调技术介绍分层空调指使高大空间下部工作区域的空气参数满足设计要求的空气调节方式。

分层空调方式是以送风口中心线作为分层面，将建筑空间在垂直方向分为2 个区域，分层面以下空间为空调区域，分层面以上空间为非空调区域。

如图1 所示。

图1 分层空调示意图分层空调的空调区的冷负荷由2 大部分组成，即空调区本身得热形成的冷负荷和非空调区向空调区热转移形成的冷负荷。

热转移负荷包括对流和辐射2 部分。

当空调区送冷风时，非空调区的空气温度和内表面温度均高于空调区，由于送风射流卷吸作用，使非空调区部分热量转移到空调区直接成为空调负荷即对流热转移负荷。

而非空调区辐射到空调区的热量，被空调区各个面接收后，其中只有以对流方式再放出的部分才转为空调负荷即辐射热转移负荷，夏季由于太阳辐射热作用到各外围护结构中，屋盖的内表面温度最高，而地板的内表面温度往往是最低的，非空调区各个面( 包括透过窗进入空调区的) 对地板的辐射热占辐射热转移热量Q f的70% ～80%。

采用分层空调与全室空调相比，可显着地节省冷负荷、初投资和运行能耗。

按国内的实验和工程实际运用，一般可节省冷量在30% 左右。

因此，对于高大空间建筑中，房间高度≥10 m，容积＞10 000m3的建筑，采用分层空调这种方式是非常适宜的。

近些年来，随着我国大型展览、会议场所和航空、铁路、陆路交通枢纽建设的大力发展，出现许多高大空间建筑，这些建筑中需要空调的区域仅为下部工作区域，可利用合理的分层空调技术实现高大空间节能。

现状存在的问题是分层空调技术应用不普以及有些做法值得商榷。

如，分层空调在满足空调区使用要求的各项参数下，分层高度h1越低越节能，有些建筑借用冬季地板辐射采暖的设备满足高大空间空调制冷，辐射地面温度比全空气系统对流换热时的温度低，空气是辐射的近似透明体，这样采用辐射供冷处理高大空间空调没有分层高度，同时会加大空调制冷的能耗。

在高大空间中，利用合理的气流组织仅对大空间下部（或上部）的空间即工作区进行通风空调，而对上部（或下部）的大部分空间不进行空调，非空调区和空调区以大空间腰部喷口送风形成的射流层作为分界线。

大空间负荷

大空间建筑空调负荷20世纪80年代以来，随着建筑技术的进步，公共民用建筑的规模趋于庞大，大空间建筑不断涌现。

大空间建筑空调节能越来越引起人们的关注，采用合理的空调方式可大大节省空调负荷，减少空间设备容量与运行费用。

大空间建筑高度高、外墙面积与地板面积比较大，从而造成大空间建筑内部空气温度梯度大、墙面间的自然对流影响大。

这使得大空间空调系统负荷计算以及冷热源的配置与普通工民用建筑有所不同。

1.大空间建筑负荷特性现在大空间建筑趋于多功能化，对空调系统带来多种环境要求，这就使得空调系统负荷的分配以及冷热源配置都需要做相应的考虑。

（1）剧场观众厅剧场是一个封闭的具有一定蓄热性能的建筑物，运转是间歇性的，因此往往有较大的预热或预冷负荷，这种间歇负荷一般通过动态负荷解析，可获得预热或预冷负荷，以确定装置容量或运转方法，另外这类建筑存在部分负荷问题。

（2）体育场或多功能厅体育场的大空间特性比较突出，必须建立一个适合于四周人员密集的观众席与人数少的比赛场地的空气环境，这两者既区分又共存。

为了抑制供暖上下温度分布不均及避免下降气流，可考虑外墙保温和双层窗的措施，为了避免邻近地面处的温度急剧下降和下降冷气流，可采用踢脚板对流器辐射供暖。

对于存在上下较大温差的场合，可仅对下部居住区域考虑空调控制以节约能源，供暖工况按全部空间的负荷设计计算。

多功能厅的负荷计算比较复杂，应该根据使用功能具体分析计算，确定各种用途下的冷热负荷，以及控制运行方式。

由于这类建筑内部负荷占很大比例，所以供冷运转期比一般建筑长。

（3）候机大厅候机大厅长度长，面积大，玻璃窗面积大，并为防止交通工具的噪声做成密闭型。

出入口频率高，人员流动性大，因此通过出入口的渗透风量大。

作为空调负荷除照明和建筑围护结构外，应根据飞机班次确定人员密度。

（4）中庭从与周围房间的关系来分，中庭有封闭型和开放型两种。

前者仅中庭自身的环境处理，后者与四周房间走廊相连，温热环境相互影响。

一种大空间分层空调的设计方法及其应用

一种大空间分层空调的设计方法及其应用摘要：本文探讨并应用了一种基于多区热质平衡模型的分层空调设计方法。

多区热质平衡模型包括多股射流速度重合与流量、垂直壁面换热与流动、表面热平衡、区域热质平衡等子模型。

该方法从研究多股平行非等温射流的特性以及大空间垂直温度分布特点入手，其计算条件为相应的室外计算参数、空间几何尺寸、围护结构传热特性以及内部已知散热源，计算过程包含了传导、对流和辐射的三传耦合。

通过模型的求解，可以得出相应的设计参数，如空调负荷、空调送风量、喷口的尺寸与数量等。

在稳态条件假设下，与原有的分层空调设计方法进行了比较，指出了原有方法的不足之处。

关键词：热质平衡模型分层空调稳态假设1 分层空调技术背景1.1 技术发展近年来，大空间建筑在工业和民用场合出现越来越多，分层空调技术在各类大空间建筑中应用也更加广泛。

分层空调作为一种特殊的气流方式，于20世纪60年代最早出现在美国，后又在日本、中国等开始大量应用[1]。

分层空调一般可以定义为：在大空间两侧或单侧腰部设置送风喷口，下部同侧均匀设置回风口，运用多股平行非等温射流将空间隔断为上下两部分，仅对下部空调，形成“空调区”，对上部通风形成“非空调区”。

国外学者曾对分层空调气流进行了模型试验，并试图对分层空调进行理论解析，但其结论很难应用于实际工程[2]。

20世纪80年代，中国建筑科学研究院对分层空调进行了大量的模型试验，提出了“分层空调气流组织计算方法”、“分层空调热转移负荷计算方法”等[2， 3]，成为目前国内大空间建筑分层空调设计的主要参考依据。

此后，又有人采用CFD技术、简易能量平衡模型等手段对分层空调横向隔断气流以及室内温度分布进行了研究，特别是对垂直温度分布特点的研究已成为进一步解决大空间建筑节能和良好热舒适环境的重要途径，文献[4]结合国内外研究现状，综述了近些年CFD模型、能量平衡法、实验手段等方面的重要进展。

1.2 存在问题就目前来看，关于多股平行非等温射流的理论已较为成熟，从实验、解析到数值模拟都有一些研究成果[2， 5， 6]。

高大空间建筑分层空调CFD模拟研究(非常有参考意义)

5ε 5 xi
]
+
ε
C1ε k (
Gk
+ C3εGb) - C2ερεk2
(9)
μt
=ρCμ
k2
ε
式中 Gk ———平均速度梯度产生的湍流动能
Gk =
-
ρu′i u′j 55
uj ui
Gb ———浮力产生的湍流动能
Gb
=βgi
μt
Prt
5 5
T xi
β———热膨胀系数
β=
-
1 ρ
(
55ρT)
p
展厅是高大空间 ,近似非等温自由射流 ,射流与周围介质密度不同 ,浮力和重力不平衡 ,射流发生变形 ,其判据阿基米德数 Ar[3] :
Ar =
gd0 ( T0 u20 Ta
Tn)
(2)
式中 d0 ———喷口直径 ,m
T0 ———射流出口温度 , K
Tn ———周围空气温度 , K
u0 ———喷口出流的平均速度 ,m/ s
60 FLUID MACHINERY Vol132 ,No15 ,2004
文章编号 : 1005 —0329 (2004) 05 —0060 —05
高大空间建筑分层空调 CFD 模拟研究
董玉平 ,由世俊 ,叶天震 ,王海霞
(天津大学 ,天津 300072)
由于篇幅有限 , 本文仅对国际展览中心高大空间建筑分层空调改进方案夏季模拟方法进行了探讨和研究 ,冬季模拟研究见另文。
2 研究对象概况
分层空调是指仅对下部区域进行空调 , 而对上部区域不空调的空调方式。与全室空调相比 , 夏季可节省冷量 30 %左右。分层空调适于高大建筑 ,当高大建筑物高度 H ≥10m , 建筑物体积 V

不同分层高度下的空调室内热环境实测分析

进分层空调设计方法，对上海市世博示范建筑进行
作者简介：陈雷（９５）１８一，男，硕士研究生。收稿日期：２０．９１０９０ —４
第２４卷第２期
陈
雷，等：不同分层高度下的空调室内热环境实测分析
・９・６
Ｔｅｓｄａｉｇａｌｇｘｅｉｎａｂｓｓａｒｓａｈｓｂｅｔｎｔｉｐｐｒｆｃｓｇｏｉｅｂｏｉｇａｄｈｔｙｉｔｎｒｅｅｐｒｕｓｋａｍｅｔａｅａｅｃｊｃｉｈｓａｅ，ｏｕｉｎｓｌｗｎｎｌｅｒｕｎｄ
２ｍ，负荷增加１ｋ左右。通过对夏季室内热环境进行实测，得到了不同分层高度下的空调室内．Ｗ５热环境相关参数，对比分析得到该建筑的最佳分层高度４ｍ，为大空间分层空调设计提供实验基础。
１ｍ高处布置）测试工况见表２．７。其中，ｃｓＯｌａｅ室外气象比较接近，ｃｓ２ａｅ￣ｃｓｌｌａｅ
计算结果如下：
表１不同分层高度负荷计算结果
根据计算结果可知，随着分层高度的提高，空调区负荷逐渐增加，对此建筑，分层高度提高２ｍ，负荷增加１ｋ左右。．Ｗ５
ｄｗｎｓｄｔｒｉｇｄｓｒｕｏｉｈｉｏｏ —ｉｅｒｕｎｉｔｉｔｎｗｈｃｓｃｍｍｏｌｓｄｉａｇｐｃｕｌｉｇａａｙｅｎａｃｌｔｎｒｄｅｒｔａｌｅｎｂｉｎｙｕｅｎｌｒｅｓａｅｂｉｎ，ｎｌｓｓａｄｃｌｕａｏｓａｅｍａｅｔｏｅｃｌｄｉｈｉｙｏｔｔｅｉ．Ｏｄｔｎｎｏｄｅｔａｉｉａｏｅｅｓａｍ，ｍ，ｍ．ｈｅｕｔｓｏｔａｈｉｈｒｓｒｔｃｔｎｌｖｌｆｓｒｉｄａｒｃｎｉｏｉｇｌａｓｗｈｎｓｒｔｃｔｎｌｖｌｔ４ａｆｉｉｆｉ５６Ｔｅｒｓｌｈｗｈｔｔｅｈｇｅｔｉａｏｅｅｓａｆｉｉ４６０００５６０００５６０００

变风量系统分区设计对某超高层办公建筑空调能耗的影响

变风量系统分区设计对某超高层办公建筑空调能耗的影响0引言高层办公建筑普遍具有较大面积的内区空间，由于受外围护结构负荷影响较小，内区的负荷特性与外区显著不同,在设计全空气变风量空调系统时，合理的内外分区方案对于房间的热舒适性及空调系统能耗有很大影响。

而在新风处理方案的选择上，排风热回收系统近年来被广泛用于民用空调领域，但在实际工程中设计人员逐渐发现其局限性。

本文以实际工程为例，分析不同的空调系统分区及新风处理方案对全年运行能耗及费用的影响。

1工程概况该工程为北京地区某超高层办公建筑，总建筑面积28.5万m2，其中地下面积7.2万m2，地上面积21.3万m2。

超高层塔楼地上32层（不含避难层），建筑高度158.7m，功能主要包括办公、公寓、会所等，本文以15~32层办公区域的标准层为研究对象。

1.1 冷热源塔楼办公区域设置独立冷源，由2台单台制冷量为2813kW的双机头离心式冷水机组和1台制冷量为972kW的螺杆式冷水机组组成，供/回水设计温度为5℃/13℃；供暖季热源为市政热力，过渡季热源为2台单台制热量为1800kW的承压燃气（油）热水锅炉，供/回水设计温度为60℃/45℃。

空调水系统为四管制，异程式布置。

1.2 空调形式由于该项目定位为高端办公楼，办公区拟采用全空气变风量空调系统，而变风量系统的分区形式及新风处理方式则存在多种选择，本文以办公区标准层为计算单元，利用DeST 软件建立模型，模拟计算标准层各分区全年的逐时冷热负荷，并获取北京地区全年逐时室外气象参数，针对不同方案进行技术经济比较，以期找到最合理的系统形式。

2全年负荷模拟分析2.1 设计参数1）建筑层高为4.5m，窗墙面积比为0.65，体形系数为0.35，外墙传热系数为0.45 W/(m2 ·K)，外窗传热系数为1.7 W/(m2·K)，外窗太阳综合得热系数为0.35。

2）办公区域根据建筑朝向及进深划分为4个外区和1个内区，南、北外区面积为290m2，东、西外区面积为300m2，内区面积为900m2。

Block-Gebhart模型分区数对预测大空间热环境参数及负荷的影响

专题硏讨暖通空调HV&AC 2021年第51卷第3期101[引用本文]路凯文，黄晨，李瑞彬，等.B l o c k -G e b h a r t 模型分区数对预测大空间热环境参数及负荷的影响[J ].暖通空调，2021，51(3):101—107B lo ck -G eb h art 模型分区数对预测大空间热环境参数及负荷的影响*上海理工大学路凯文☆黄晨A 同济大学李瑞彬同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司刘洋上海理工大学王昕王海东王非摘要Block-Gebhart (frG )模型应用的关键之一是确定竖向空间划分的区域数。

推导了任意分区数模型的能量平衡方程的系数表达式。

以某大空间下送风分层空调缩尺模型实验室为对象，建立了 2、4、7分区的&G模型来预测室内热环境参数和分层空调负荷，并采用7个工况的实验数据予以验证。

结果表明：4分区模型对室内热环境参数和冷负荷的预测准确性比2分区、7分区模型更好；就本文研究对象而言，选择4分区模型作为f r G 模型比较合理；能较好反映建筑结构、气流组织等特点是确定区域划分数的关键。

关键词Block -Gebhart 模型分区数大空间建筑热环境参数分层空调负荷Influence of block-partition number in Block-Gebhart model on prediction of thermal environment parameters and stratified air conditioning load in large space buildingsBy Lu K o iw e n *，Huong Chen，Li RuibinfLiu Y 〇n g ，Wong X in,Wong Hoidong and Wong FeiA b s t r a c t O n e of the keys to the application of the Bloc k -G e b h a r t (B -G ) m o d e l i s to d e t e r m i n e the n u m b e r of vertical space divisions. Derives the coefficient expression of the e n ergy balance equation of B -G m o d e l with a n y partition n u m b e r. T a k i n g a scaled laboratory of a large space building using low-sidewall air-supply system as the research object, respectively divides the vertical space into t w o zones, four zones a n d seven zones to establish three mo dels a n d predict the thermal e n v i r o n m e n t parameters a n d stratified air conditioning load, a n d verifies the prediction accuracy b y the data of seven experimental cases. T h e results s h o w that the 4-block m o d e l is m o r e accurate than 2-block m o d e l a n d 7-block m o d e l in predicting indoor thermal e n v i r o n m e n t parameters a n d stratified air conditioning load. It is reasonable to choose 4-block m o d e l as the B -G m o d e l for the research object of this article. T h e k e y of block-partition n u m b e r i s better reflecting the characteristics of building structure a n d air distribution.K e y w o r d sB l o c k -G e b h a r t m o del, partition n u m b e r , large space building, thermal e n v i r o n m e n tparameter, stratified air conditioning load★ University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai, China〇引言大空间分层空调与全室空调相比，能耗更低[1_3];与小空间建筑相比，大空间空调负荷与其*国家自然科学基金资助项目（编号：51278302)，机械工业联合会机械厂房高大空间健康环境与节能重点实验室资助项目（编号:2019SA-1CK)7)☆路凯文，男，1995年7月生，在读硕士研究生 A黄晨(通信作者）200093上海市杨浦区军工路516号上海理工大学环境与建筑学院E-mail ：h c y h y y w j @ 163. co m 收稿日期：2〇2〇-〇9-17 修回日期：2021 - 01-28102暖通空调HV&AC2021年第51卷第3期专题研讨热环境更加密切相关。

分层空调在高大空间建筑中的应用

分层空调在高大空间建筑中的应用【摘要】本文在相关理论指导及多年的实践工作经验基础上，通过简单论述国内外对分层空调的研究动态、分层空调应用于高大空间建筑特点、分层空调的负荷计算与气流组织形式，旨在分层空调在满足空调区域舒适性要求的同时，最大限度降低其高大空间建筑的耗能，节省运营成本，对分层空调在高大空间建筑的应用有一定的借鉴意义。

【关键词】分层空调;高大空间;气流组织;应用【Abstract】In this paper, the theory of guidance and many years of practical experience on the basis of a simple discussion of air conditioning at home and abroad to study the dynamic hierarchical, stratified air conditioning applied to architectural features large space, air conditioning load calculation hierarchical forms of organization and flow designed to meet the stratified air conditioning in the comfort of air-conditioned area requirements while minimizing energy consumption and its large space building, saving operating costs, stratified air conditioning in large space building application has a certain significance.【Key words】stratified air conditioning; large space; air distribution; applications1．前言随着我国经济的不断发展，人们对社会生活环境提出的高要求，国家对建筑节能日益重视，使得分层空调技术逐渐被广泛应用于高大空间建筑中。

分层空调在高大空间内的应用

2019分层空调在高大空间内的应用周曦湖南省交能规划勘察设计院有限公司单体空调系统的耗电量很大，而对则有所不同，分层空调系统合理的将空调空调在进行运行时，相对于高大空间而且方便人员对空调；高大空间人们的生活水平也在不断的提升，开在高大空间内合理的使用分层空调技并有效的将运营成本降低。

因此在高更适合使用分层空调进行温度控制。

分层空可以为人们带来品质是指利用合理的气流组织，仅对建筑下部空调区而对建筑上部较大非空调区进行通风排热。

分可以降低电能的消耗。

分层空调具有通风过程决定了通风效果的好坏，气流组织决也正因如此，分层空调系统是否正常使可以将气流又可以达到环保降低耗能人们在选择空调时，也相应而且直接影响空调系统的负高大空间建筑的净空间容易出现空是温度梯度形成的重要原因之一；虽然高但是高大空间建筑的换气次因为外墙呈现出来的面积与地因此，室内空间和外部空间产生的自然对流在高大空间内普及率容易致使非空调区内的热负荷逐致使气流组织出现混乱的现象。

为了能够需要空调管理人员将分因此,在空调区域会有较强的吹风可以考虑加装下回风风（1）为假柱图（1）：为假柱送风方式示意图可将送风口安多用球形的喷口，将室内不符合人们需再将气流置于相应的范围内，进行相应的转折使流速被其有效的降低。

还可根据人们示意图如图（2）所示。

图（2）：侧送风,下回风（三）上送下回方式送风分层空调安装在高大空间的顶棚或者是上部网架等最上面的位置，空气的流动方向是自上而下的，也就是说，在高大空间内，分层空调借助送风口，将空气均匀的送到人群活动密集以及高大空间内的各个部位，最后回风口抽走这些被利用过的空气。

分层空调系统适用于高大空间内的应用，主要是因为分层空调在使用时，可以充分的满足于在高大空间内，避免由于大空间内出现的不规整建筑空间而造成的供暖/制冷不均现象。

这种上送下回的送风方式，还存在着很多问题，例如：分层式空调系统可以进行送风达到整个高大空间内的每一个部位，正因如此，上送下回方式送风负荷非常的大，并且耗能也比较多；上送下回方式送风要比侧送方式大百分之二十五到百分之三十之间；在冬季时，上送下回方式送风可能出现热风在高大空间的上部下不来的现象，导致下部区域过冷，达不到利用空调来调节温度的作用。

大空间分层空调

大空间分层空调Document serial number【NL89WT-NY98YT-NC8CB-NNUUT-NUT108】分层空调1 分层空调技术介绍分层空调指使高大空间下部工作区域的空气参数满足设计要求的空气调节方式。

分层空调方式是以送风口中心线作为分层面，将建筑空间在垂直方向分为2 个区域，分层面以下空间为空调区域，分层面以上空间为非空调区域。

如图1 所示。

图1 分层空调示意图分层空调的空调区的冷负荷由2 大部分组成，即空调区本身得热形成的冷负荷和非空调区向空调区热转移形成的冷负荷。

热转移负荷包括对流和辐射2 部分。

采用分层空调与全室空调相比，可显着地节省冷负荷、初投资和运行能耗。

按国内的实验和工程实际运用，一般可节省冷量在30% 左右。

因此，对于高大空间建筑中，房间高度≥10 m，容积＞ 10 000m3的建筑，采用分层空调这种方式是非常适宜的。

现状存在的问题是分层空调技术应用不普以及有些做法值得商榷。

如，分层空越低越节能，有些建筑借用调在满足空调区使用要求的各项参数下，分层高度h1冬季地板辐射采暖的设备满足高大空间空调制冷，辐射地面温度比全空气系统对流换热时的温度低，空气是辐射的近似透明体，这样采用辐射供冷处理高大空间空调没有分层高度，同时会加大空调制冷的能耗。

大空间建筑分层空调冷负荷计算模型研究

大空间建筑分层空调冷负荷计算模型研究蔡宁;黄晨【摘要】基于区域热质平衡理论,建立适合于大空间建筑的分层空调负荷计算模型,进行某大空间建筑夏季工况下的试验测试研究,验证室内垂直温度分布的计算结果,比较同步求解模型计算的分层空调冷负荷和实际大空间建筑空调供冷量,在此基础上,预测分层空调冷负荷在变工况下的变化趋势,计算结果表明实际空调最大供冷量与模型计算结果相差14%,变工况的负荷变化趋势符合实际变化规律.【期刊名称】《南京工程学院学报（自然科学版）》【年(卷),期】2017(015)003【总页数】6页(P37-42)【关键词】模型;分层空调;冷负荷;大空间建筑【作者】蔡宁;黄晨【作者单位】南京工程学院能源与动力工程学院,江苏南京211167;上海理工大学环境与建筑学院,上海200093【正文语种】中文【中图分类】TU834.3夏季空调冷负荷是空调系统选型的重要依据,对大空间建筑而言,由于其结构特性和气流组织形式有别于普通公共建筑,尤其层高较高,竖向垂直温度分布梯度较大,人员活动空间位于距地面2 m的区域,从节能角度,往往通过分层空调的气流组织形式来实现有效的空气分层,因此在计算冷负荷时,不能将整个空间的温度作为单点温度考虑,应考虑空气和围护结构内表面的垂直温度分层,以及上部非空调区对下部空调区的对流传热和辐射传热．目前,针对大空间建筑分层空调负荷计算的研究经常采用理论计算或计算机模拟研究的方法．在理论研究中,一般是基于普通建筑的全室冷负荷计算方法,将下部空调区的设计温度作为单点温度考虑,进行逐时冷负荷计算;将上部非空调区空气和壁面温度经过经验公式的处理,计算其与下部空调区的对流和辐射转移热,作为下部空调区的冷负荷附加[1-2]．此方法为目前最常采用的大空间建筑空调冷负荷计算方法,在工程上得到了广泛的应用．此外,针对下送风气流组织中分层空调负荷的理论研究,大量集中于分层高度[4]、负荷有效系数[5]、下送风负荷修正系数[6]、送风高度、回风高度、室内热源分布[7]及室外扰量等对分层负荷的影响[5],但针对下送风分层空调尚缺少工程上行之有效的负荷计算方法．通过计算机模拟研究分层空调负荷的计算,可以采用单点或者两点模型建立区域热质平衡方程[8-9],计算室内垂直或水平温度分布[10-11],借此分析送风、回风、排风、围护结构、热源等因素对分层空调负荷的影响．计算机模拟研究分层空调冷负荷方法可以通过研究具体建筑冷负荷在不同影响因素下的变化规律,从而归纳出类似大空间建筑在空调冷负荷处理上的方法,随着计算机技术的发展,作为理论和试验研究的有力补充,此类方法被广泛用于各类大空间建筑中．但采用单点或者两点模型建模中,往往简单将室内区域分为上部非空调区和下部空调区,并未细化考虑室内不同高度的垂直温度分布,因此,利用该模型计算室内空调冷负荷有一定的局限性．本文通过区域热质平衡方程,建立适合于大空间建筑的分层空调负荷计算模型,将室内空间在垂直方向上分为多个区域,充分考虑室内空气温度在垂直方向上的分布,并利用夏季工况下空调冷负荷的测试结果进行验证和分析,讨论其可行性和准确性,为大空间建筑的空调冷负荷计算提供思路和方向．1 分层空调负荷计算模型的建立分层空调负荷计算模型基于区域热质平衡方程[11]进行拓展和修正．区域热质模型的基本思想是将单个室内空间划分为有限的大尺度区域,认为区域内的空气完全均匀,相关参数(如温度、浓度等)相等,区域间则存在热质交换,通过建立质量和能量平衡方程来研究空间内的温度分布以及流动情况,与单节点的能耗、通风量、气流预测模型相比,能够提供更为丰富信息,能得到一定尺度下的分布参数解．图1 同步求解模型的基本构成本文将大空间建筑在竖直温度分层方向上分为若干等温区域,对每个区域建立热质平衡模型,区域间通过主流空气的热质交换和壁面流的热质交换联系．图1为室内空气温度与壁温同步求解模型的基本构成,其中,t(i)为第i层空气温度;tb(i,K)为围护结构内壁面温度,K为4个围护结构的编号;mc(i+1)为第i+1层主流空气流入第i层的质量流量;mout(i,K)和min(i,K)为各层壁面流与主流之间的质量交换;md(i,K)为各层壁面流之间的质量交换;tm(i,K)为壁面流的平均温度;ms(i)、和mh(i)为各层空调送风量、回风量;mj(i)为送风射流在各层引起的卷吸量;q(i-(i-1))为主流i层与i-1层之间由于温差引起的换热量;qw(i,K)为室外通过围护结构传入内壁面的热量．根据对壁面流特性的分析,可以根据区域热质平衡方程获知min(i,K),mout(i,K)和md(i,K),mc(i)作为各层以及壁面流和主流之间的中间量，各中间变量的关系及壁面流平均温度的解析式为:mm(i,K)=md(i-1,K)+mout(i,K)(1)tm(i,K)=(md(i-1,K)tm(i-1,K)+mout(i,K)td(i,K))/mm(i,K)(2)主流区各层对流换热和温差换热的关系式为:qc(i)=cpmc(I+1)(t(I+1)-t(I))+cpmc(I)(t(I-1)-t(I))(3)qcond(I)=CBAB(I+1)(t(I+1)-t(I))+CBAB(I)(t(I-1)-t(I))(4)围护结构内壁面同时存在导热、辐射、对流的耦合传热,由能量守恒原理对表面i 列出能量平衡式qd(i)+qR(i)+qλ(i)=0(5)式中:qd(i)为i表面与室内空气对流换热,qd(i)=αd(i)(t(i)-tb(i,K));qR(i)为i表面与室内各表面的辐射换热,其中,角系数Fij采用蒙特卡罗法计算;qλ(i)为从室外侧空气计算至内壁面温度的换热量,各壁面的辐射换热方程为(6)主流空气的热质交换方程为CB(i)AB(i)(t(i-1)-t(i))+CB(i+1)AB(i)(t(i+1)-t(i))+(7)模型的最终矩阵方程为(8)通过迭代求解可以计算出不同区域的空气温度和内壁面温度．该模型在前人基础上进行了拓展,加入了壁面温度和室内空气温度的耦合计算(见式(7))和角系数的蒙特卡洛法计算．壁面的内表面对流换热系数因各壁面的材料不同和气流的流动方式不同而不同,本文在模型计算中,固体壁面与空气之间的换热系数采用以温差指数为函数的对流换热系数计算方法．对于不同的外围护结构以及自然对流和强迫对流两种不同的条件分别采用系数加以修正,对流换热系数计算公式为αdi=AC0(tb(i,K)-t(I))BC0(9)式中修正系数AC0和指数BC0根据不同建筑的围护结构表面特性选取．对大空间建筑夏季冷负荷的成因分析可知,冷负荷的形成主要由围护结构内壁面与室内空气的对流换热引起,而围护结构内壁面温度的上升主要由两部分组成:围护结构自身导热和内壁面间的辐射换热,三种形式的换热相互制约,相互平衡;在理想的稳态,内壁面温度是辐射换热和对流换热的综合,从冷负荷计算的角度考虑,此时内壁面温度已考虑了辐射换热的影响,因此,分层空调夏季冷负荷计算式为(10)式中:αf为地板与第一层空气的对流换热系数,W/(m2·℃);Af为地板面积,m2;tf为地板温度,℃;t(1)为第一层空气温度,℃;αc为顶板与第n层空气的对流换热系数,W/(m2·℃);Ac为顶板面积,m2;tc为顶板温度,℃;t(n)为第n层空气温度,℃;αd(i,K)为第i层内壁面与第i层空气的对流换热系数,W/(m2·℃);Ai为第i层内壁面面积,m2;tb(i,K)为第i层内壁面温度,℃;t(i)为第i层空气温度,℃．式(10)为稳态的负荷计算公式,可以作为某一室外气象参数下或者最不利条件下的稳态夏季冷负荷计算方法,在后续的研究中,可以建立非稳态的求解模型,考虑围护结构的蓄热、室内人员内扰等．2 试验测试方案及测试结果分析2.1 试验测试方案图2 喷口位置及测点布置图(m)在某大空间试验基地进行了夏季供冷工况的试验测试．试验基地长20 m,宽14.8 m,坡屋顶最低处6 m,最高处8.75 m,采用模块化风冷热泵式冷热水机组作为冷源,制冷量为67 kW．空调箱为一次回风系统,额定风量20 000 m3/h,采用变频器调节风机风量,试验测试时关闭新风口,全回风运行．以喷口送风作为分层空调的气流组织,送风喷口的布置如图2所示．西墙4 m垂直高度上布置10个喷口,直径174 mm; 4个百叶回风口位于喷口下方,尺寸为0.6 m×0.9 m．按喷口射流形成的气流组织的特点,在室内中央布置一条垂直温度测线(P-C),其中,在0.1 m处布置一个测点,2.5 m以下区域每0.4 m布置一个测点,2.5 m以上区域测点间隔为0.5 m．表1 试验用测试仪器测试参数测试仪器型号室外太阳辐射强度太阳辐射仪SWP-LCD-R8101-80-18室内温度热电偶自制送风湿度温湿度自记仪HUMLOG10(T)送风温度德图温度自记仪testo174围护结构内表面温度红外摄像仪ThermcampP20室内风速万向风速仪H103T.0室外参数室外气象站HD2003试验用测试仪器如表1所示．2.2 试验测试结果分析图3 试验测试中各参数随时间的变化曲线试验时调节送风变频器使送风风量为7 600 m3/h,为了获得稳定工况下空调系统实际供冷量,图3给出了P-C测线上1.7 m高度处空气温度、送风温度、回风温度随时间变化的趋势,从图3中可以看出,室内1.7 m高度处的温度和回风温度在11:30时刻后基本一致且较为平稳,可以将该时间后的数据作为分析时间段;根据该空调系统的送回风温差和风量可以计算出每个时刻的空调供冷量,图3给出了供冷量随时间变化的二次多项式．为了便于后续模型计算结果对比,取12:00时刻的数据作为计算对比依据,各项参数列于表2．表2 12:00时刻各项参数测试结果室外温度/℃水平太阳辐射/(W·m-2)垂直太阳辐射/(W·m-2)送风温度/℃送风风量/(m3·h-1)回风温度/℃地板温度/℃顶板温度/℃空调供冷量/W3544530017.1760026.330.336.6194223 模型计算结果及分析表3 模型结构输入数据区域数量/层送风层/层回风层/层单侧壁面面积/m2顶板面积/m2地面面积/m2851109316296 表4 表面传热系数的计算公式[12] W·(m2·℃)-1外围护结构屋面自然对流墙面自然对流地面强迫对流AC03.01.53.0BC00.01/30.0根据模型计算需要,将实际测试建筑在高度方向上分为8层,其结构参数如表3 所示,在围护结构表面对流换热系数计算公式中,相关修正系数选取见表4．通过同步求解模型和基于同步求解模型的分层空调夏季冷负荷计算公式(10)，可以计算出该试验建筑中稳定工况下各层空气温度、壁面温度、对流换热系数以及各层冷负荷．3.1 室内垂直温度分布及冷负荷计算结果分析图4 室内垂直温度分布及壁面温度的试验图4为试验工况下内壁面温度和室内垂直温度分布的计算值和试验值的比较,从图4中垂直温度分布可以看出,喷口位于4 m高度(第五层),由于喷口出流的卷吸作用,在室内垂直高度5 m左右有一明显分层面,分层面上部为非空调区,下部为空调区,空调区内垂直温度分布比较均匀,由于地板传热的影响,靠近地面处温度有一定的梯度,但整体满足人体舒适性的要求(0.1 m与1.1 m的温差小于3℃)．从图4中可以看出,室内垂直温度分布和壁面温度分布计算值和试验值均吻合良好,空气温度的计算值和实测值最大相对误差为13.5 %,内壁面温度最大相对误差为17 %,可以将其计算数据用于后续冷负荷计算分析．表5 各层冷负荷计算结果模型分层空气温度/℃内壁面温度/℃对流换热系数/(W·(m2·℃)-1)冷负荷/W合计/W顶板/36.63.002496832.834.03.12387730.132.34.451052627.030.44.621719526.3 29.94.961929426.329.84.921865326.429.74.801751226.129.54.821783126.7 29.84.651559地板/30.32.33248617028由垂直温度分布计算结果可知,采用多区域的热质平衡模型计算的结果相比单点或多点模型[8-9]更接近实际情况,与试验结果吻合较好．表5为各层冷负荷计算结果,顶板与第8层空气的对流换热及地板与第一层空气的对流换热冷负荷占总冷负荷约30 %,剩余70 %总冷负荷中,由于喷口送风的影响,喷口送风层主流空气与内壁面对流换热冷负荷最大,各层冷负荷变化趋势符合实际情况;模型计算出该时刻冷负荷为17 028 W,与表2所示空调供冷量19 422 W相差约14 %,考虑到空调系统风管的冷量损失以及试验测试中的漏风损失,该相对误差基本合理,可以认为该同步求解模型可以用于求解稳态大空间建筑的分层空调负荷．3.2 分层空调冷负荷变工况计算根据同步求解模型的负荷计算方法,图5、图6和图7列出了在围护结构导热热阻、室外温度和室内负荷率变化(以50人为基准)的情况下,室内空气垂直温度分布和分层空调冷负荷的变化．可以看出,室内负荷对分层空调冷负荷的影响最大,其次是通过围护结构传热引起的冷负荷．室内负荷对室内垂直温度分布影响较小,相对作用较大的区域在空调区人员活动区域;各参数的变化对垂直温度分布的影响符合实际规律,从另一方面验证了模型计算的准确性．图5 导热热阻对垂直温度的影响图6 室外温度对垂直温度的影响图7 室内负荷对垂直温度和冷负荷的影响4 结论本文提出了一种基于大空间建筑的分层空调负荷的计算方法,考虑了室内空气温度在垂直方向上的细分,通过夏季大空间建筑的试验测试,对比了分层空调负荷的解析解和空调供冷量,在稳定时刻两者相对误差为14 %,可以为大空间建筑的分层空调负荷计算提供思路和方向,对大空间建筑空调设计初期具有一定的现实意义．在后续的研究中,可以建立非稳态的求解模型,考虑围护结构的蓄热、室内人员照明等非稳态因素,更为准确地分析分层空调负荷的变化．参考文献:【相关文献】[1] 陆耀庆,实用供热空调设计手册[M]. 北京:中国建筑工业出版社,2008,1717-1723.[2] 邹月琴,王师白,彭荣,等,高大厂房分层空调负荷计算问题[J].制冷学报,1983(4): 49-56.[3] 杨国荣,叶大法.地板送风系统冷负荷计算方法比较分析[J].暖通空调,2008,38(4):62-66.[4] CHEN Qing-yan, GLICKSMAN L. 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Stratified air distribution systems in a large lecture theatre: A numerical method to optimize thermal comfort and maximize energy saving[J], Energy and Buildings, 2012(55): 515-525.。

分层空调技术的探究

冷射流与周围空气热交换比较剧烈，温差随之减小，速度也随着射流的过程中减慢，因此温差的降低与速度的减缓存在一定
的关系：
：ａ
△
ａ为常数，当为圆射流时ａ０７，平时射流时ａ０８。因此，＝．３＝．６对区域温差要求不是很严格的场合，只要射流的速度衰减能够满
根据相关的设计标准，对舒适性空调来说，当送风口的中心高度低于５时，夏季送风温差不宜大于１￣当送风高度高于米０Ｃ。
５米时，该温差不宜大于ｌ ℃ 。５３２送风温度的衰减．
ＺＷ— ＝００５＝ＦＷ一．Ｘ，则Ｚ０３７方法论
２宰８科２囊蟊Ｌ０年｜１第期
分层空调技术的探究
郝冰，彭彪
（中南大学铁道学院制冷空调研究所，湖南长沙４０７１０５）摘要本文对大空间分层空调技术进行了分析，并对其原理、特点等进行了详尽的阐述，同Ｎ￣－ｅａ了ｃＦＤ技术在模拟分
【】２国家技术监督局．ＢＴ１６１９水泥化学分析方法【Ｅ中国标准出版Ｇ／７ —９６ｓ京：
礼，９．１６９
以干物料为基准，建筑品中的水算是掺杂量。使用这种方法检测数据可以有效地督促企业去合理积极利用废渣，在享受国家相关免税的政策的时候提高企业的利益，让利废保护环境的行动得到真正的