CFD技术在暖通空调系统中的应用探讨

　　摘要：本文对CFD技术在暖通空调系统的应用进行了细致的阐述，探讨了在建筑物全寿命周期的各个阶段中CFD技术对于建筑物节能降耗所可能做出的贡献。
　　关键词：CFD技术，数值模拟，运行节能
　　前言
　　为制定出最佳的通风空调方案，暖通设计师从建筑方案设计阶段就开始探寻建筑物室内外的气流的速度场、温度场、浓度场的分布，尽可能设计出最为高效、舒适、节能的空调系统。为达到空调系统运行高效且节能，暖通设备运行管理人员也一直致力于探寻设备能效的最大化。近年来，随着CFD技术的发展与完善，这些需求也日益能得到满足。CFD技术与暖通设计运行管理的结合发挥出越来越大的经济与社会效益。
　　1CFD技术在暖通空调中的应用概况
　　随着计算机技术和离散数学等的发展，CFD作为一种模拟仿真技术，在暖通空调工程中得到了越来越广泛的应用。它主要在于模拟预测室内外或设备内的空气或其他工质流体的流动传热、燃烧等情况。就暖通空调专业来讲，CFD主要可用于解决以下问题[1][2]：
　　1.1.建筑外环境分析设计
　　建筑外环境对建筑内部居者的生活有着重要的影响，所谓的建筑小区一次风、小区热环境等问题日益受到人们的关注[7]。采用CFD可以方便地对建筑外环境进行模拟分析，从而设计出合理的建筑风环境。而且通过模拟建筑外环境的风流动情况，还可进一步指导建筑内的自然通风设计等。
　　1.2.通风空调空间气流组织设计
　　通风空调空间的气流组织直接影响到其通风空调效果，借助CFD可以预测仿真其中的空气分布详细情况，从而指导设计。通风空调空间通常又可分为：普通建筑空间，如住宅、办公室、高大空间等；特殊空间，如洁净室、客车、列车及其它需要空调的特殊空间。
　　1.3.建筑设备性能的研究改进
　　暖通空调工的许多设备，如风机、蓄冰槽、空调器等，都是通过流体工质的流动而工作的，流动情况对设备性能有着重要的影响。通过CFD模拟计算设备内部的流体流动情况，可以研究设备性能，从而改进其更好地工作，降低建筑能耗，节省运行费用。
　　2建筑外环境分析设计
　　建筑外环境与室内环境一样，对人体健康有着重要的影响。随着计算机软件、硬件技术的不断提高，利用CFD技术准确模拟单体建筑、小区内建筑甚至城市体建筑的室外风环境成为了可能。对于建筑方案设计阶段的暖通空调设计所能做出的贡献如下：
　　首先，充分考虑建筑所在地区的夏季主导风向，尽可能合理布置建筑的朝向，选取合适的建筑间距与高度，探寻合适的体型系数。这样我们就可以充分利用各个季节特别是过渡季节的自然通风，营造出一个最为舒适、节能的室内外环境。例如，在一个住宅小区的室外风环境模拟中，利用建好的CFD模型，我们可以直接调出不同高度的气流速度场的后处理结果，从计算机所显示的矢量分布图可以直观的看出是否存在大面积的通风死角、是否存在人员活动区风速过高的区域，如果存在，则调整模拟中相关建筑的方位、朝向、层高等参数，直至满意为止。显而易见，这种电脑模拟的方式相对于其他方法（如模型试验、经验计算公式等）具有无可比拟的优势。
　　其次，我们同样可以利用计算机后处理的结果，根据室外的压力分布图，清晰直观的看出各个建筑的迎风面、背风面、空气动力阴影区等，从而指导暖通设计师合理布置建筑物的进、排风口，避免污染物倒灌入室内。
　　3通风空调空间气流组织设计
　　目前在暖通空调CFD技术中，通风空调空间气流组织模拟的应用最为广泛。随着人们对室内舒适性的要求越来越高，不少业主都要求设计师在设计阶段能够提供室内气流组织模拟结果，尤其是高大空间的暖通空调设计中，CFD模拟甚至成了必不可少的一个环节。高大空间的各种热扰存在着不稳定性、送回风气流组织流向相对复杂，这就给暖通设计师带来了很大的设计的不确定性，而CFD技术正好弥补了这一不足。它可以精确模拟室内各个区域的温度场、速度场、浓度场，给出不同坐标平面、空间的云图或矢量图，从而有助于设计师检验设计的合理与否，以达到完善暖通空调设计的目的。
　　某些CFD软件如AIRPAK等甚至可以给出各点的ADPI指标，故而可以定量比较不同暖通设计方案的优劣，为设计师设计出更加优秀的作品提供了强有力的后盾[3]。
　　4建筑设备性能的研究改进
　　在建筑物运行管理阶段，CFD技术也能发挥其独特的优势。如果采用先进的监测及管理方法，使各种设备能够安全、高效、稳定地运行，能快速排除出现的故障甚至准确预测可能的故障，则可以节约能量；如果管理方法比较过时，出现故障不能及时排除，则会大大耗费原本不必消耗的能量。在传统的设备管理模式中，往往是在有明显迹象表明设备性能变化差别很大时，才去确定这台设备是否应该检修，或根据规程已经到了大修期限，才着手组织大修。这样就存在以下问题：一是其运转情况无法准确统计；二是本可不必大修解决的问题因故障累积而达到了必须大修的程度，导致设备维修费用升高。传统的维修思路是：当设备不能正常工作甚至无法工作后才去寻找故障，找到故障后才去修理。这样做的结果，首先是设备停止运行，影响了正常服务，其次是故障往往不仅是部件问题，甚至到了必须更换主要部件的地步，使得维修成本剧增；三是故障只在设备运行时才表现出来，当设备停止运行后，有些故障特征就不再表现，各种故障数据也再无法采集，这就给故障排除带来很大困难[4]。
　　CFD技术可以在设备故障尚未出现时就对整个系统进行模拟、监控、诊断，为预先消除设备故障、避免过大经济损失提供了可能。虽然HVAC系统非常复杂，但也是由不同层次的子系统组成。譬如：冷却水循环系统、冷冻水循环系统、制冷剂循环系统、自动控制系统等等。所以，故障发生时，它总是隶属于某一层次，在这一层次中，总有一个或几个特征参数的变化与之相对应。利用故障的这一特性，我们可以提出诊断模型，并对原因参数和结果参数进行分类，从而实现对故障的正确诊断。针对不同的研究对象，应该选择不同的特征参数。
　　因为空调系统的内在参数是直接反映系统性能的参数，所以很多研究者在选择特征参数时都选择了像蒸发温度，冷凝温度等内在参数作为故障特征参数。但不同的故障能使内在参数产生相同的变化，以致有时直接用内在参数的变化不容易分辨不同的故障。因此，可以利用内在参数求出诸如机组或其部件的效率、换热量等间接特征参数，再通过实验及理论分析确定出各故障对应的间接特征参数的变化范围。下面即采用了间接特征参数来判断一冷水机组的故障。
　　4.1蒸发器的换热量；
　　4.2蒸发器中冷冻水进出口温差；
　　4.3蒸发器中冷冻水与制冷剂间的最小温差；
　　4.4蒸发器的传热系数（蒸发器传热面积×单位面积传热系数）；
　　4.5冷凝器的换热量；
　　4.6冷凝器中冷却水的进出口温差；
　　4.7冷凝器中冷却水与制冷剂间的最小温差；
　　4.8冷凝器的传热系数（冷凝器传热面积×单位面积传热系数）；
　　4.9电机效率；
　　除了利用内在参数进行故障检测及诊断外，还可以采用外在参数进行故障检测的研究。可以通过监测水泵、风机等电机的用电负荷进行HVAC系统故障检测，通过分析诸如空气流量、电机转速等外在参数与电功率消耗之间的关系去检测、诊断故障，或者在电机刚启动后，分析电机的机械动力物理模型，从而得出空调系统的故障。
　　通过以上分析，我们就找到了针对不同的空调系统各种特征参数，有了这些特征参数后，就需要将之汇总起来，建立数据库，以便使通过数据采集系统采集来的数据与之相对照，从而判断出系统的运行状况。
　　在设备管理中，传统的设备管理模式早已经不适应智能建筑的要求，HVAC系统故障检测及诊断技术是建筑设备领域的一个新课题，其中涉及多个学科的知识，既需要有空调、制冷方面的专业知识，又需要计算机、自动控制方面的知识，还需要运用数学知识。
　　5结语
　　CFD技术以其高效、节能、省时、便捷等多种优点，在暖通空调中发挥了越来越重要的作用。这一技术的应用设计了空调、制冷、流体力学、计算机、自控等多个学科的专业知识，因而还存在一些问题有待进一步的研究和探讨。
　　参考文献
　　[1]赵彬,林波荣,李先庭等.室内空气分布的预测方法及比较.暖通空调,2001,31(4):18-24
　　[2]董玉平,由世俊,叶天震等.高大空间建筑分层空调系统CFD模拟研究.流体机械,2004,
　　[3]龚光彩.CFD技术在暖通空调制冷工程中的应用[J].暖通空调，1999，29（6）：25-27.
　　[4]郑洁.周玉礼.李兴友.暖通空调系统故障诊断技术及应用.《机电一体化》.2003年第3期.