热线电话:661-678477181
西安北站变风量系统CFD模拟计算及节能分析
您的当前位置: 首页 > 西安北站变风量系统CFD模拟计算及节能分析
西安北站变风量系统CFD模拟计算及节能分析
更新时间:2012.12.26 发布:馆陶县巴棵慰食品机械业务部 信息来源:eventsbio.com


 西安北站变风量系统CFD模拟计算及节能分析

中南建筑设计院  严 阵  徐 鸿  张亚男

华中科技大学  姜 涛  陈 龙  刘显晨  徐玉党

摘  要变风量系统是一种常见的节能空调系统形式。利用CFD技术对西安北站站台层候车厅的冬季气流组织进行仿真模拟,预测在三种不同风量情况下的候车厅的温度场及速度场分布情况,对其节能特性进行分析,并提出相应改进建议。

关键词:候车厅   变风量系统  CFD技术  节能分析 

CFD Simulation And Energy-Saving Analysis Of VAV Air Condition Systems On Xi'an North Railway Station

BY Yan ZhenXu Hong,Zhang Yanan,Chen Long, Liu Xianchen,Jiang Tao and Xu Yudang

Abstract: VAV system is a kind of common energy-saving air conditioning system. This paper simulates and analyzes winter air distribution performance of Xi'an North Railway Station waiting-room with CFD technology, forecasts the temperature field and velocity field distribution in three different air Volume conditions, analyzes its energy-saving characteristics, and puts forward some corresponding suggestions for improvement.

Keywords: Waiting-room  VAV system  CFD  Energy-saving analysis

★ Central-south Architectural Design InstituteWuhanChina

1 引言

对绝大多数舒适性空调系统,空调负荷会因为日照、室外气温、人员进出等室内外扰量的变化而呈现较大的波动,而在以全空气系统为主的空调系统中,空气输送与分配的能耗约占整个系统能耗的30%,变风量空调系统可以根据负荷的变化来调整送风量,在满足室内舒适性要求的前提下,减少空气的输送能耗。在大力提倡“节能减排”的今天,变风量空调系统得到了越来越广泛的应用。然而由于变风量系统随着风量、风速的改变,空调区域的气流组织会相应发生变化,在这种变化的情况下,能否满足舒适性的要求并且达到节能的效果,需要具有说服力的数据及分析。

本文对西安北站站台层候车厅的变风量空调系统进行仿真模拟,利用CFD技术预测其气流组织及热舒适性,并分析了其节能效果。

2 工程概况

2.1 室外设计计算参数

西安地区夏季空调室外计算干球温度为35.2℃,冬季空调室外计算干球温度为-5.6℃[1]。夏季空调设计温度为27℃,相对湿度为55%,室内风速≤0.3m/s;冬季空调设计温度为18℃,相对湿度为45%,室内风速≤0.2m/s。

2.2 空调系统简介

站台层候车室与进站广厅区域,采用了全空气变风量空调系统,气流组织形式为大空间自动扩散风口顶送和喷流型风口侧送两种形式。具体送风参数如表1:

表1 站台层空调送风口参数

高度(m)

风量(m3/h)

冷暖区分

送风温差()

送风方式

风速(m/s)

扩散型风口

7.0

1200

冷房

8

竖向扩散送风

6.7

暖房

8

垂直送风

喷流型风口

8.0

1333

冷房

8

水平送风

   5.6

暖房

8

斜下送风

另外在进站广厅的两侧分别设置了一台双速排风风机,在过渡季节高速运行,排风量为60000m3/h;在空调期低速运行,排风量为29000m3/h

3 模型建立

该候车厅长110m,宽65m,高9.5m。为了提高计算效率,在不影响计算结果前提下,对模型进行适当的简化:

(1)立柱所占空间相对于候车空间来说十分微小,不会对气流组织产生影响,在建模时忽略不计;

(2)由于外门开口面积相对于总的排风口面积来说太小,不会对整体气流组织产生较大影响,在建模时忽略不计;

(3)与候车厅不相通的售票厅、贵宾室、空调机房、卫生间、监等房间在这里均简化为模块。

具体简化后模型如图1:

4 边界条件

4.1 热源边界条件

模型中人体与照明灯具均采用block模块形式。冬季空调供暖,我们按照其最不利工况进行分析,不考虑人体、设备和照明灯具的散热量。 

模型中墙体均采用wall模型形式,其中负荷处理方式如下:由于楼板和地面的传热很小,在这里可以忽略,不予考虑。由于东西墙体相隔的房间均为空调房间,传热温差很小,在这里也可以忽略不计。北面墙体和南面墙体热流密度如下表2

冬季模型墙体边界条件设置

房间类型

维护结构类型

热负荷(w)

总热负荷(w)

面积(m2)

热流密度(w/m2)

候车室

北外墙

3140

30809

632

48.75

北外窗

27669

进站广厅

南外墙

2099

20594

613

33.6

南外窗

18495

4.2 风口边界条件

模型中喷流型风口采用opening形式风口,扩散式风口采用diffuser形式风口,回风口采用vent形式风口,其中的机械排风口采用opening形式风口。模型中风口的具体参数均按照实际设计参数来设置。实际送风参数如表1

5 气流组织模拟结果与分析

限于篇幅,本文仅选取冬季工况来进行模拟分析。

站台层采用的是变风量空调系统,在保证送风温差(8℃)不变的条件下,我们主要分三种工况进行CFD数值模拟与分析:第一种工况,送风量为设计总风量;第二种工况,送风量为设计总风量的80%;第三种工况,送风量为设计总风量的60%。根据模拟结果,可以分别得到站台层候车室与进站大厅的温度场与速度场分布情况。为了便于分析,选取一个有代表性的特征面进行分析,即平面X=55m。

5.1 工况1结果及分析 

2 工况1特征截面温度分布云图

图3 工况1特征截面速度分布云图

通过结果可以看到,大多数区域温度均在21℃左右,相对设计温度18℃,温度有点偏高,浪费能源。采用扩散型风口垂直向下送风,并且送风速度较大,产生了局部涡流,对人体舒适感有所影响。

5.2 工况2结果及分析 

图4 工况2特征截面温度分布云图

图5 工况3特征截面速度分布图

由温度云图可以看到,大部分区域温度均在20℃左右。相对设计温度18℃,温度稍有偏高,不利于节能。但相对于第一种工况,温度场相对有所改善。通过速度云图可以看到:虽然喷流型风口斜下15°送风,但是由于送风密度相对较小,导致热气流上升,浪费大量热量。

5.3 工况3结果及分析

图6 工况3特征截面温度分布云图

图7 冬季工况三截面2速度场分布图

在工况3下,通过温度分布云图,可以看到温度在垂直方向上有明显的分层现象。人员活动区域的温度在20℃左右,还是略有偏高,不利于节能。由于喷流型风口送风速度相对于工况1和2较小,热空气上浮现象不明显。

5.4 小结

通过三种工况下特征截面的温度分布图,可以看出在在候车室的北门与进站广厅的南门附近,局部温度偏低,这主要是由室外冷空气的大量侵袭导致的,可以在此附近加上空气幕等装置以阻挡外面冷空气的进入。从整体上看,温度大部分均在20℃~21℃之间,相对于设计温度18℃,有不同程度的偏高,适当减少送风量,有利于节能。

在三种工况下,通过特征截面的速度分布云图我们可以看出,在人员活动区域的风速均在0.2 m/s以内,满足冬季空调对风速的要求。但是在局部区域,产生了涡流,虽然速度较小,但还是会对人员活动造成较小影响。主要原因是扩散型风口在冬季工况下垂直向下送风,且速度较大。可适当减小其向下送风的速度。喷流型风口可以自动调整送风方向,在冬季季工况下采用斜向下15°的送风方式,可以到达人员活动空间,但还是有大量热空气上浮,效果不是很理想。适当调整送风角度,比如改成斜向下20°,将会使其得到改善。

通过特征截面,发现在这三种工况下,均能得到良好的气流组织,可以满足热舒适性的要求。但温度有所偏高,不利于节能。由于送风速度较大,在局部区域产生了涡流。所以在站台层候车厅采用变风量空调系统是可行的,但应适当减小送风量,以达到节能的效果。

6 变风量空调系统的节能分析

根据上面的分析,可以得出:在站台层候车厅,采用变风量空调系统是可行的,可以满足室内舒适性的要求。下面将着重分析该变风量系统的节能效果。

6.1 变风量空调系统理论节能分析

变风量空调系统的节能特性主要体现在一个“变”字上,即它的自身的调节。目前主要调节方式有三种:(1)调节出口风阀开启度;(2)调节风机入口导叶的角度;(3)调节风机的转速。在上述三种调节方式中,以改变风机转速来调节最为有效[2]。而目前风机转速改变多借助与变频技术来实现。

调节后的功率减小的理论值可以由下列公式计算出来。

                                      (1)

                                     (2)

由(1)、(2)可以得出:

                                    (3)

式中:N1,N2分别为调节前和调节后的功率;△N为调节后的功率减小的理论值;Q1,Q2分别为调节前和调节后的风量。

根据公式(3)可以得出第二种工况下电力能耗的降低率为:

同样可以得出,第三种工况可以降低78.4%。

由于区域负荷变化,实际上空调系统不会只在一种工况下工作。对于某建筑物,应该按照各种工况的权重,进行计算,才能等到其节能效率。相对于其它区域,北方地区采用变风量系统后节能效果最好[3]。尤其是在负荷变化比较大的地域,变风量系统的调节性能更为明显,节能效果尤为突出。

6.2 变风量空调系统具体节能分析

本火车站位于我国西北地区,不同时段空调负荷变化更大大,采用变风量系统,节能效果将更加明显。站台层候车厅采用了全空气变风量空调系统,主要有两种型号的组合式空气处理机组,具体参数如下表3:

表3组合式空气处理机组主要参数

机组型号

风量(m3/h)

机组余压(Pa)

风机功率(kw)

台数()

TZK-70

70000

550

45

2

TZK-60

60000

550

37

2

在满负荷设计工况下,风机总耗功率N=45*2+37*2=164kw

若按照以100%总风量运行占用时间为10%,以80%总风量运行占用时间为50%,以60%风量运行占用时将为40%,进行加权平均我们可以得到变风量的节能率为:

0*10%+48.8%*50%+78.4%*40%=55.76%

所以风机的用电减少量△N=164*55.76%=91.45kw

实际上在变风量系统中还有冷源系统等其他方面的节能,在这里只是分析了在变风量系统的运行过程中风机的节能情况。所以该变风量空调系统的节能大于91.45kw。

7 结语

谈到变风量系统,大家可能会很自然地想到高级办公楼、内外区划分、变风量末端、不同房间(区域)的温度控制、复杂的控制系统和繁杂的系统调试以及高额的设备投资费用,这些也确实是变风量空调系统的典型特征,但对于像火车站房候车厅这样的大空间采用变风量空调系统,同样可以很好地发挥变风量空调系统的节能优势,并且同时具有控制简单、设备投资相对低廉、运行管理方便等特点。笔者认为只要在保证气流组织合理、不影响舒适性的前提下,大空间采用变风量空调系统不失为一种很好的选择。

参考文献

[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,1993.

[2] 陈剑波.王永红等.变风量系统风机节能分析制冷与空调[J].2005.4

[3] 袁锋.胡益雄.我国不同地区变风量系统节能特性分析[J]. 制冷空调与电力机械.2002.1

严阵,男,1962年3月生,高级工程师,地址:武汉市武昌中南二路十号,邮编:430071,电话:027-87336970,传真:027-87279492,电子邮箱:yanzhenmail@yahoo.com.cn


本文连接:http://eventsbio.com/imgView.Asp?ID=5630 转载请保留。
版权所有:馆陶县巴棵慰食品机械业务部 地址:北京市东城区洪西线
电话:661-678477181 传真:661-678477181 Email:xfvN1v0pi@eventsbio.com 网址:eventsbio.com