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1、剧场座椅下送风空调方式的温热环境与气流分布研究-CFD模拟计算1 引言为了研究某采用座椅下送风空调方式的大空间剧场的观众席空间内的温热环境和气流分布情况，笔者于2001年5月到8月间进行了实验模拟。实验是在长为7.2m、宽为5.38m、高为2.51m的实验室中进行的，分别模拟并监测了夏季、冬季和过渡季三个工况以及正下型和交叉型两种配置相互组合下的温度场和速度场，并进行了主观问卷调查。具体实验结果及分析在某剧场座椅下送风空调方式的温热环境与气流分布研究-（1）：实验室模拟分析中有详细介绍。本实验所模拟的座椅下送风方式实际上是一种局域置换空调方式，而在置换空调中，工作区内的温度梯度t是造成人体不舒
2、适的重要因素。t一般取离地面1.1m高度处（坐姿人员的头部位置）温度与离地面0.1m处（人体脚踝）的温度差值。国际标准ISO7730（1990）规定t应小于3，而本实验中的两种配置在夏季工况下t均大于3，没有达到标准的舒适性要求。对于这一不甚理想的实验结果，笔者猜测可能因为实验室空间高度有限，与所模拟的剧场的高度有较大差距，较低的顶棚和顶棚上的照明光源对温度梯度造成影响，使温度梯度较大。为了证实这一猜测，笔者用专业CFD软件Airpak2.0对实验室的温度场和气流场进行了模拟，并尝试将实验室高度增加，希望能够解决因实验室条件限制所造成的温度梯度过大的问题。2 CFD模型建立与计算网格生成Air
3、pak2.0是FLUENT公司专门为空调专业开发的CFD软件，可以用来模拟温度场、气流场、污染物浓度、空气龄以及PPD、PMV等。笔者首先根据实验室的实际尺寸建立模型，如图1所示（为清晰起见，图1中隐去人体）。这里仅模拟交叉型配置（即送风散流器位于两个座椅之间，见某剧场座椅下送风空调方式的温热环境与气流分布研究-（1）：实验室模拟分析图4、图5）的夏季工况。为了减少计算工作量，笔者将人体模型简化为四个长方体的组合-头颈、上身和双臂作为一个长方体；两条大腿作为一个长方体；两条小腿各作为一个长方体。在设定边界条件时将一些经实测所得的数据带入，例如排风量百分比、人体表面温度、各内表面温度等，如图2所
4、示，这样做的目的也是为了提高计算精度和减少计算工作量。另外，对于散流器仅考虑其水平向上45吹出的气流，而没有考虑其两侧水平吹出的气流。因为笔者观察烟气实验录相，发现散流器的吹出气流绝大部分是从其正面吹出，其两侧吹出气流很少。模型建立好之后，软件自动生成计算网格，如图2所示。图1 CFD计算模型与边界条件设定图2 CFD计算网格（复合型网格包含六面体非直交网格，要素数：4680003 计算结果分析为了研究顶棚高度和送风温度对温度梯度的影响，笔者分别计算了三个算例：（1）顶棚高度H=2.51m，送风温度=20.5(实验室实际条件)；（2）顶棚高度H=3.36m，送风温度=20.5（假想顶棚高度）；
5、（3）顶棚高度H=3.36m，送风温度=22.0(假想顶棚高度、假想送风温度)。算例（2）和（3）中的假想顶棚高度3.36m是根据实际剧场最后一排座椅离顶棚距离确定的。其他条件与实际实验条件一致（见某剧场座椅下送风空调方式的温热环境与气流分布研究-（1）：实验室模拟分析。为了提高计算精度，采用非稳态计算，结果如图3、4所示。由图3，算例1中的温度分层不明显，而算例2和算例3中的温度分层很明显。而算例1中最后一排的人头部以上温度偏高。算例3中虽然送风温度提高到22，但是工作区温度基本在设定值（26）以下。由图4，除散流器出口处、排风口处和椅背上方等局部风速较高（小于0.25m/s）之外，实验室内
6、各点风速基本上都小于0.1m/s，处于静稳气流状态，这与实测结果是一致的，也是满足人体舒适性要求的。笔者将各算例的A2柱（见某剧场座椅下送风空调方式的温热环境与气流分布研究-（1）：实验室模拟分析图10，A2柱位于第2排中央）温度计算结果取出，与实测结果同列于图5。比较算例1（顶棚高度2.51m，送风温度20.5）计算结果与实测数据可以发现，除阴影部分之外，计算结果与实测结果还是吻合得相当好的。笔者认为阴影部分是人体膝部发热对计算结果的影响。比较各算例和实测结果发现，工作区温度梯度t实测值为5，实验室实际条件下（算例1）计算t为4.7；将实验室顶棚高度增加到3.36m，而送风温度不变（算例2）
7、时计算t为3.7；将实验室顶棚高度增加到3.36m，而送风温度也增加为22.0（算例3）时计算t小于3。由此可见，顶棚高度对工作区的温度梯度有一定的影响，将顶棚高度增高后，温度梯度有明显的下降；送风温度的变化对温度梯度也有一定的影响，送风温度提高后，温度梯度下降。而同时加高顶棚和升高送风温度，就能够使工作区的温度梯度小于3，而且工作区温度小于设定温度26。对于实测结果中工作区温度梯度过大的问题，笔者认为除以上分析的原因之外，还有可能因为实验室内部热负荷是根据剧场的设计值得来的，如果设计时考虑的裕量较大，使设计负荷大于实际负荷，就会使得实验室温度梯度较大。另外，由于顶棚高度较低，顶棚上的照明辐射
8、对温度梯度也可能有一定的影响。因此，笔者将其他所有热源均关闭，只剩人体发热，进行夏季交叉型配置的实测，结果如图5所示。在只有人体负荷时，温度梯度t3。3 计算结果分析为了研究顶棚高度和送风温度对温度梯度的影响，笔者分别计算了三个算例：（1）顶棚高度H=2.51m，送风温度=20.5(实验室实际条件)；（2）顶棚高度H=3.36m，送风温度=20.5（假想顶棚高度）；（3）顶棚高度H=3.36m，送风温度=22.0(假想顶棚高度、假想送风温度)。算例（2）和（3）中的假想顶棚高度3.36m是根据实际剧场最后一排座椅离顶棚距离确定的。其他条件与实际实验条件一致（见某剧场座椅下送风空调方式的温热环境
9、与气流分布研究-（1）：实验室模拟分析。为了提高计算精度，采用非稳态计算，结果如图3、4所示。由图3，算例1中的温度分层不明显，而算例2和算例3中的温度分层很明显。而算例1中最后一排的人头部以上温度偏高。算例3中虽然送风温度提高到22，但是工作区温度基本在设定值（26）以下。由图4，除散流器出口处、排风口处和椅背上方等局部风速较高（小于0.25m/s）之外，实验室内各点风速基本上都小于0.1m/s，处于静稳气流状态，这与实测结果是一致的，也是满足人体舒适性要求的。笔者将各算例的A2柱（见某剧场座椅下送风空调方式的温热环境与气流分布研究-（1）：实验室模拟分析图10，A2柱位于第2排中央）温度计
10、算结果取出，与实测结果同列于图5。比较算例1（顶棚高度2.51m，送风温度20.5）计算结果与实测数据可以发现，除阴影部分之外，计算结果与实测结果还是吻合得相当好的。笔者认为阴影部分是人体膝部发热对计算结果的影响。比较各算例和实测结果发现，工作区温度梯度t实测值为5，实验室实际条件下（算例1）计算t为4.7；将实验室顶棚高度增加到3.36m，而送风温度不变（算例2）时计算t为3.7；将实验室顶棚高度增加到3.36m，而送风温度也增加为22.0（算例3）时计算t小于3。由此可见，顶棚高度对工作区的温度梯度有一定的影响，将顶棚高度增高后，温度梯度有明显的下降；送风温度的变化对温度梯度也有一定的影响
11、，送风温度提高后，温度梯度下降。而同时加高顶棚和升高送风温度，就能够使工作区的温度梯度小于3，而且工作区温度小于设定温度26。对于实测结果中工作区温度梯度过大的问题，笔者认为除以上分析的原因之外，还有可能因为实验室内部热负荷是根据剧场的设计值得来的，如果设计时考虑的裕量较大，使设计负荷大于实际负荷，就会使得实验室温度梯度较大。另外，由于顶棚高度较低，顶棚上的照明辐射对温度梯度也可能有一定的影响。因此，笔者将其他所有热源均关闭，只剩人体发热，进行夏季交叉型配置的实测，结果如图5所示。在只有人体负荷时，温度梯度t3。4 总结为解决实测中工作区温度梯度超过标准的问题，笔者用CFD软件Airpak2.
12、0对实验室的温度场和气流场进行了非稳态的模拟，比较模拟与实测结果，可以得出以下的结论：（1） CFD模拟结果与实测结果吻合良好；（2）将实验室顶棚由2.51m增高到3.36m后，房间内温度分层现象趋于明显，而工作区温度梯度有明显下降，说明实验室顶棚高度的限制对实验结果有一定的影响；（3）将送风温度由20.5提高到22.0后，顶棚高度为3.36m时，工作区温度梯度t3，达到ISO7730（1990）所规定的舒适性要求，说明22.0的送风温度可能更为合适。住宅小区集中供冷优化管理系统及其基于网络的实现1 引言建筑能耗在全球能源的消耗中占有相当大的比例，在一些发达国家，其比例有的已达到40%。我国作
13、为一个发展中国家，近年来建筑能耗所占的比重也越来越大，业已占到全国总能耗的20%左右，这其中更有85%的是用于建筑的采暖和空调1。由于我国用于发电的一次能源在多为原煤（原煤发电约占总量的75%左右），而原煤属于不清洁能源，其在开采、运输、使用过程中都会对环境造成极大的污染。因此，做好建筑能耗的优化管理就可达到节约能源和保护环境的双重目的。住宅小区集中供冷是指通过小区内的管网向用户输配供应冷源机房生产的冷水，以满足用户空气调节的需要。由于集中供冷的规模效应，使得它在防止大气污染、提高能源利用率、有效利用空间、全国各地和资金、美化城市形象等方面具有十分突出的优点，非常符合绿色建筑、健康住宅的健康、
14、舒适、节能、环保的要求，因而有着重大的经济效益和社会效益，是现代化住宅小区建筑空调发展的必然趋势。由于住宅小区的集中供冷系统非常复杂，因此对其进行优化管理必须引进系统工程的概念，不能仅仅只从技术或经济的角度对其进行考虑，而应该全面考虑技术、经济、环境、人文等多方面因素。基于以上这种理念，我们经过大量的工作后，提出了基于网络技术的集中供冷优化管理系统框架及其实现途径。该系统充分利用控制、计量、废热利用等多种手段，对住宅小区集中供冷系统的设计、建造、使用等过程进行全程优化管理。 2 集中供冷优化管理系统本文提出的住宅小区集中供冷优化管理系统包括以下几个部分：住宅小区集中供冷冷源决策系统、住宅小区集
15、中供冷最优设计系统、集中供冷系统与人工景观相结合的技术、住宅小区集中供冷协调控制系统和住宅小区集中供冷自动计费系统。21 住宅小区集中供冷冷源决策系统2传统的集中供冷冷源决策往往只注重某个方面因素的分析，而不涉及复杂因素的相互影响。由于住宅小区集中供冷是一个非常复杂的系统，其最优性受到技术、经济、环境、文化等多个方面的制约，因此，仅仅只从某个方面进行分析，肯定不能得出一个满意的结果。本文提出的住宅小区集中供冷冷源决策系统采用美国数学家T.L.Sady教授在20世纪70年代提出的层次分析法（Analytical Hierarchy Process，简称AHP）对住宅不区的集中供冷冷源进行决策。层
16、次分析法是一种把数据、专家意见和分析人员的判断有效结合的方法，是一种定性分析和定量分析相结合的系统分析方法。它把一个复杂的问题分解成各组成因素，然后用两两比较的方法确定决策方案中各因素的相对重要性。由于住宅小区集中供冷冷源决策中具有诸多因素不能明确化的特点，如系统对环境的影响以及系统的可靠性等，因此，层次分析法能很好地应用于集中供冷系统的冷源决策过程。22 住宅小区集中供冷最优设计系统3冷源形式确定后，利用住宅小区集中供冷最优设计系统可以对系统进行设计。该系统采用计算机模拟分析的方法，以整个集中供冷为其优化对象。它首先对住宅小区集中供冷的全年能耗按变基准温度度日法进行预测，然后采用寿命周期费用
17、（Life Cycle Cost，简称LCC）分析法对整个集中供冷系统进行经济分析，从而得出冷源以及冷水输配系统的最佳配置、冷水的最优供回水温差等。23 集中供冷系统与人工景观相结合的技术3随着人们生活水平的提高，人们对环境的要求也越来越高，在一些住宅小区中，喷泉和人造瀑布等人工景观随处可见。集中供冷系统的冷却塔通常会发出较大的噪声，且其形象与周围环境也极不协调。因此，我们特提出了一种利用喷泉或人造瀑布来代替冷却塔对循环冷却水进行冷却的方案（图1和图2）。采用这种方案后，可以达到美化环境、改善小区微气候，减少冷却塔的投资和消除冷却塔的运行噪声等目的，从而使得集中供冷系统对小区环境的影响降到最小
18、。图1喷泉冷却方式 图2 人工瀑布冷却方式通过对该方案的热力分析和其它相关技术的研究表明，经过精心的设计、完善的运行管理、巧妙的布局，将循环冷却水应用于小区水景工程中是完全可行的。24 住宅小区集中供冷协调控制系统4集中供冷系统可以分为四个部分：冷源、冷却水系统、冷水系统和末端用户。由于受计算机技术、通信技术、电子技术等科学的限制，传统的集中供冷系统一般采用和设备单体控制的方法，即系统中每个部分的控制都是各自为政，没有考虑集中集中供冷中各个部分之间的相互影响，每个部分都有着自己独立的控制方案，而不是从系统的整体出发，没有一个统一的最优控制方案。另外，其每个部分的控制方案都是一成不变的，都是建立
19、在一些凭经验建立的数学模型上，而没有考虑到具体系统的不同。与传统的控制方案不同，集中供冷协调控制系统把整个集中供冷系统（除开末端用户部分）作为自己的优化控制目标，不再只是孤立地对各个部分进行控制，而是充分考虑到各个部分之间的相互影响。在集中供冷协调控制系统中，它不仅利用最新的计算机通信技术把整个系统有机的联合起来，而且还利用人工智能新技术对整个系统的控制过程进行最优化的处理，最后，它利用节能效果极佳的变频技术使整个系统真正在最节能最高效的状况下运行。25 住宅小区集中供冷自动计费系统5在我国，由于各方面的原因，现有的对集中供冷的收费仍采用传统的按面积收费的方法，该方法存在着许多的弊端，造成了能
20、源的大量浪费。由于集中供冷计费能够将用户的自身利益与其能量的消耗结合起来，这势必会增加用户的节能意识，推动节能工作的良性向前发展，并使得用户的生活水平环境不断地提高和改善。因此，在集中供冷的住宅小区中必须进行分户计费。通过对现有集中供冷收费方法进行详细地分析后，我们提出了一个基于公平的集中供冷计费方法，该方法充分考虑到各用户围护结构的不同和用户之间热传递所带来的影响，因此可以大幅减少在计费中出现的一些纠纷，增加计费的公平性。在此基础上开发集中供冷计费系统可以自动对各用户消耗的冷量进行计量，并可根据积压用户的围护结构对其消耗的冷量进行自动调节。采用住宅小区集中供冷自动计费系统后，可以促进用户更加
21、主动地节约能源，从根本上杜绝集中供冷能源的人为浪费。3 集中供冷优化管理系统的网络实现通过对住宅小区集中供冷系统和各种通信技术的综合分析，集中供冷优化管理系统采用LonTalk作为自己的通信协议来集成集中供冷系统内的各类子系统：集中供冷协调控制系统、集中供冷自动计费系统以及其他控制或管理子系统。LonWorks现场总线拓扑结构灵活多变，可根据建筑物的结构特点采用不同的网络连接方式，具有高度的可靠性、较好的可维护性和扩充性。在LonWorks现场总线中，由于采用统一的数据结构-网络变量，各类设备采集的数据可以共享，因此能节约大量的设备费用。建立在LonWorks现场上的LonTalk是一种开放性
22、通信协议，遵守协议的设备和系统可以直接互连，组成无主站点对点的分布式网络。由于LonTalk通信协议已被子世界上3000多家著名企业采用，使得其已成为事实上的行业标准。集中供冷优化管理系统可能通过Internet与外界联系，这使得决策人员、操作人员和管理人员可以集中供冷系统进行远程监控。当系统出现故障时，维修人员可在千里之外对其进行处理，因而能节省大量的人力和物力。（图3）图3 集中供冷优化管理系统在集中供冷优化管理系统中，我们采用密套接字协议层（Security Socket Layer，简称SSL）技术来保证系统的安全性，允许客户/服务器应用程序之间的通信不会被偷听、篡改和伪造。协作管理环
23、境（Cooperation Management Enviroment,简称CME）软件功能模块包括电子白板、基于Web的访问工具、多媒体数据存储、文本信息交流工具和传输工具，通过这些工具，监控人员即使在千里之外，也会觉得自己跟被管理的设备近在咫尺。4 应用实例应深圳市某单位的要求，我们利用本文提出的住宅小区集中供冷优化管理系统对深圳市某住宅小区的集中供冷系统进行了方案设计。该住宅小区位于深圳市区，预计住户总数将达到31240户。根据该小区的规划，我们拟设立三个集中供冷系统对小区进行供冷，其中，系统A共有住户13337户，系统B共有住户8691户，系统C共有住户9212户。 以下是我们为该小区
24、设计的集中供冷系统部分方案：（1）集中供冷冷源使用的能源，可以分为电力方式、热力方式和混合方式。其中热力方式包括燃气、燃油、燃煤、外部供汽四种情况，混合方式指电力与热力兼有的方式。与以上三种能耗方式对应，集中供冷系统常用的冷源设备主要是离心式（或螺杆式）制冷机和吸收式制冷机（包括直燃吸收式制冷机和蒸汽型吸收式制冷机）。根据本文提出的集中供冷冷源决策系统和深圳当地的能源政策，考虑到设备的初投资（包括增容费）、运行费用（与当地的电价、燃油价、天然气价等密切相关）、工作可靠性、对环境的影响等几个方面的因素后认为：在该小区的集中供冷系统中采用燃油价、天然气价等密切相关）、工作可靠性、对环境影响等几个方
25、面的因素后认为：在该小区的集中供冷系统中采用燃气型直燃机具有最佳的经济和环境效益。（2）由地该住宅小区集中供冷系统的供冷范围比较大，这就使得冷水输送系统的消耗的能量非常大，而且室外管网的初投资和管网的冷损失也随着增大。通过对整个系统的优化分析，发现当维持冷水机组的供水温度不变而提高回水温度时，可以提高整个集中供冷系统的经济性。经过详细计算确定，该小区集中供冷系统的最佳供回水温差为T=89。（3）为了进一步美化该住宅小区的环境，我们设计了利用人工瀑布或喷泉代替冷却塔对循环冷却水进行冷却的方案。具体方案为：在喷泉、瀑布跌落的水池中堆放一定的淋水填料，在填料的下部安装有风机，这样就形成一个降低水温用
26、的冷却构筑物。其中，风机用来加大通风量，而淋水填料可以将水滴变成更小的水滴或很薄的水膜，以增大水与空气的接触面积和延长两者的接触时间，从而加强水与空气的热湿交换。水的冷却过程主要是在淋水填料中进行。（4）小区集中供冷协调控制系统分别采集集中供冷系统中的冷却水流量、冷冻水流量、冷却水入口温度、冷冻水出口温度、冷却水塔风机功率及开启台数、冷却水泵功率及开启台数、冷冻水泵功率及开启台数、机组的能耗量（燃料量或耗电量）等参数后，在中央控制计算机上运用人工智能方法对这些参数进行优化组合，以求出整个集中供冷系统在当前负荷下的最优状态设定点，然后将优化后的系统控制变量再传送到系统中各设备的现场执行器，从而达
27、到最大限度地节约能耗的目的。（5）集中供冷冷水输送系统采用二次泵分散的变流量系统，对各个分散二级泵的控制采用开度法进行控制，即根据各自系统内各个控制阀的开度来对变速水泵进行控制。具体步骤如下：当本系统中所有末端设备的控制阀没有一个处于全开时，且此时系统内所有的负荷都得到满足时，则水泵慢慢降低速度；当本系统内有负荷没有得到满足，且此时该末端设备的控制阀处于全开时，则慢慢加大水泵的转速；当本系统中末端设备的所有控制阀有一个或多个处于全开时，且此时系统内民有的负荷都得到满足时，则水泵速度维持不变。（6）集中供冷自动计费系统采用三级结构：计费管理主机、区域管理器和现场数据采集器。计费内部采用RS-48
28、5通讯总线。计费管理主机总共可管理32台区域管理器，每台区域管理器可以连接255个现场数据采集器，而每个现场数据采集器可对4位住户进行管理，即一个计费系统总共可对30000多个用户进行管理。考虑到具体的安装条件和小区建设规划，每个集中供冷系统准备分别安装一个计费系统，整个小区为三个计费系统。计费管理主机与小区管理中心之间采用LonWorks现场总线进行连接。5 结论住宅小区集中供冷系统的优化管理是一项系统工程。本文提出的集中供冷系统优化管理系统坚持系统工程的概念，从技术、经济、环境、人文等多方面进行考虑，充分利用控制、计量、废热利用等多种手段，对住宅小区集中供冷系统的设计、建造、使用等过程进行全程优化管理，从而达到节约能源和保护环境的双重目的。通过对深圳市一项实际工程的应用表明，该优化管理系统是切实可行的。参考文献