101 应用于首都国际机场T3航站楼的罗盘箱送风测试及影响因素分析

应用于首都国际机场T3航站楼的罗盘箱送风测试及影响因素分析 北京市建筑研究院 谷现良 韩维平 摘要 本文借助CFD技术手段研究了罗盘箱用于大空间送风的影响因素。通过实测数据检验所建立的CFD模型，并对CFD算例应用正交实验方法分析了影响喷口送风的主要因素，对活动区温度和射流的射程这两个指标的影响较大的是：送风温度和送风角度。射流的角度与射程不是线性的关系，当射流的角度太大时，会造成射流的向上偏移和能耗的浪费，其射流角度最好小于30°；当喷口安装高度较高时，这种不利影响会更大，此时，喷口的安装角度也应相应减少。 关键词 送风测试 首都机场 罗盘箱 高大空间 1 引言 对于高大空间，侧送风方式是采用最广泛的一种空调方式，且通常采用喷口送风方式，做法是将喷口安装在空间的周边侧墙，但对于跨度较大的空间，两侧对喷喷口射程不够时，通常做法会将喷口布置在顶棚网架内，而这种形式会将空间上空大量的余热带入人员活动区，引入空调系统，不利于空调节能。在这种情况下，出现了一种空调送风形式，即在高大空间区域内布置若干个竖向送风“立管”，在其四周布置风口，向四周射流，既可解决远距离送风的困难，又能节能。这种立管综合建筑、设备、电气等专业用途，形成了一种以设备专业为主的服务性“立管”，在香港国际机场航站楼、北京首都国际机场T3航站楼项目中称之为Binnacle，中文译为：罗盘箱，见图1、图2。罗盘箱包含了通风管道、进出风口、消火栓、水炮、配电盘等电气设备、通讯设备、航显、标识和广告等。 图1 香港国际机场中的罗盘箱 图2 北京首都国际机场中的罗盘箱 在北京首都国际机场T3航站楼的空调设计中，NFA设计联合体设置了若干个罗盘箱，给出了#设计#，但并未提供设计所必需的计算资料，给设计人员的设计计算造成了很大的困难。虽然国内外对射流的重合叠加特性有过很多研究[1-3]，但其研究的大多是水平射流，而罗盘箱的喷口通常采用球形喷口，在水平和垂直方向都可设置角度，大部分情况下罗盘箱的送风为非水平射流；射流的经典理论计算忽略了射流的角度不同、送风温度的不同、回风口的位置设置不同等因素，所以罗盘箱的送风不能用经典的射流公式描述，并且也非纯粹的多股水平射流的重合问题。 由于影响罗盘箱送风的因素较多，在研究每一影响因素时，若按全面实验法则实验量较大，并且实验结果分析量也较大，因此考虑采用正交实验法来设计。正交实验法是利用规格化的正交合理安排实验的方法。按照正交实验表安排实验，可以减少实验量和简化实验结果的分析过程，而不影响实验结果的准确性和可靠性。 结合上述，本文拟用CFD技术手段对罗盘箱风口的射流气流进行研究，通过现场实测结果检验所建立的CFD模型，并在准确的CFD模型的基础上，以正交试验方法研究影响罗盘箱送风的各个参数，对其送风影响的因素进行分析。 2 罗盘箱送风测试及CFD模型验证 于2007年10月2日至7日期间，笔者所在课题组对位于首都国际机场T3航站楼内的刚调试完成的罗盘箱进行了现场测试。由于当时暖通空调系统并未运行，仅对其速度分布进行了测试。航站楼内设有多个罗盘箱，此次测试的罗盘箱处于空调区域的中间，其外形尺寸为5.88X1.8X3.8m，风口内径为180mm，两喷口之间距离为550mm，长边的喷口布置见图3 。 图3 罗盘箱长边喷口布置 为了得到不同工况下罗盘箱送风的速度分布，分别测试空调箱AHU在100%与50%风量下运行。为了掌握多股射流重合的影响，对图3中间的四个典型喷口（S1、S2、S3、S4）送风的速度进行了测试。以喷口S1为例，风口处速度测点如图4所示。 罗盘箱送风气流属于多股射流的共同作用，与单股射流有所不同，因此对喷口轴线所在平面的速度分布进行测试，速度测点布置如图5所示。为了得到罗盘箱送风喷口轴心速度的衰减特性，对每个喷口轴心速度进行测量，测点布置如图6所示。所采用的仪器为热球式风速仪，型号为QDF-6，测量精度1%。 图5 平面速度分布测点布置示意图 图6 喷口轴心速度测点示意图 空调箱内的变频风机在100%运行时，喷口出口处的速度见表1，喷口轴心的速度分布见表2。 表1 100%风量喷口出口速度分布 测点 S1_1 S1_2 S1_3 S1_0 S1_4 S1_5 S1_6 S1_7 S1_8 S1_9 S1_0 S1_10 S1_11 S1_12 平均 风速（m/s） 15 15 12 12 12 15.5 16.5 17 17 16 12 9.5 6 7 13 测点 S2_1 S2_2 S2_3 S2_0 S2_4 S2_5 S2_6 S2_7 S2_8 S2_9 S2_0 S2_10 S2_11 S2_12 平均 风速（m/s） 9 9 10 10 10 10.5 10 9.5 11 10 10 10 10 9 9.9 测点 S3_1 S3_2 S3_3 S3_0 S3_4 S3_5 S3_6 S3_7 S3_8 S3_9 S3_0 S3_10 S3_11 S3_12 平均 风速（m/s） 11.5 11 9 10 9 11.5 12.5 12 13.5 12 10 8 9 9 10.6 测点 S4_1 S4_2 S4_3 S4_0 S4_4 S4_5 S4_6 S4_7 S4_8 S4_9 S4_0 S4_10 S4_11 S4_12 平均 风速（m/s） 10.7 10.2 10 10.5 9.3 9.5 10 10.2 9.6 10 10.5 10.5 10 11 10.1 表2 100%风量时喷口轴心速度分布 喷口 X/D0=10 X/D0=15 X/D0=20 X/D0=25 X/D0=30 S1 7.7 6.5 3.8 2.9 2.1 S2 5.7 4.6 3.2 2.5 2.0 S3 7.4 5.0 3.6 2.6 2.0 S4 6.8 4.4 3.2 2.5 2.3 空调箱内的变频风机在50%运行时，喷口出口处的速度见表3，喷口轴心的速度分布见表4。 表3 50%风量时喷口出口速度分布 测点 S1_1 S1_2 S1_3 S1_0 S1_4 S1_5 S1_6 S1_7 S1_8 S1_9 S1_0 S1_10 S1_11 S1_12 平均 风速（m/s） 7.8 7.4 6.9 6.9 6.5 5.9 6.8 6.3 7.1 7.4 6.5 6.4 6 6 6.7 测点 S2_1 S2_2 S2_3 S2_0 S2_4 S2_5 S2_6 S2_7 S2_8 S2_9 S2_0 S2_10 S2_11 S2_12 平均 风速（m/s） 5 5 5.5 5.6 5.6 5.2 5.5 5 5.5 5.5 5.6 5.5 5 5.5 5.4 测点 S3_1 S3_2 S3_3 S3_0 S3_4 S3_5 S3_6 S3_7 S3_8 S3_9 S3_0 S3_10 S3_11 S3_12 平均 风速（m/s） 6.4 6.5 6 5.8 6.3 6.3 6 6.9 6.7 6.6 5.8 6.2 6.4 5.3 6.2 测点 S4_1 S4_2 S4_3 S4_0 S4_4 S4_5 S4_6 S4_7 S4_8 S4_9 S4_0 S4_10 S4_11 S4_12 平均 风速（m/s） 7.5 7 6.5 6.5 6 5.6 6.5 6.5 7 7 6.5 5.4 4 4 6.1 表4 50%风量时喷口轴心速度分布 喷口 X/D0=10 X/D0=15 X/D0=20 X/D0=25 X/D0=30 S1 4.4 2.7 2.3 1.5 1.3 S2 3.6 2.2 1.7 1.3 1.2 S3 4.0 2.7 2.1 1.6 1.4 S4 4.2 2.4 2.3 1.7 1.2 由于测试期间空调系统并未运行，所以忽略了温度分布的影响，即没有考虑热浮升力的影响，导致气流组织测试结果与空调系统实际运行时有一定误差。 图7~图9为模拟计算结果，通过沿射流方向的切片可获得轴心的速度。 图7喷口送风俯视方向速度分布图 图8距喷口2.7m切片速度分布图 图9 距喷口3.6m切片速度分布图 图10为以上模拟结果与测试结果的对比图， 从图中可以看出，模拟数据的趋势变化与测试值的趋势变化比较吻合，只不过数值较测试值要小，这与测试条件是等温送风，而模拟的条件是非等温送风有关。 图10 测试速度与模拟速度对比 由以上的比较验证可知，该模型的计算结果与实测数据比较吻合，该模型能够描述罗盘箱送风，进行因素分析。 3 罗盘箱送风主要影响因素分析 本文通过正交实验分析罗盘箱送风的影响因素，其目的是通过定量分析，找出影响罗盘箱送风的主要因素，了解其中规律，以期来指导类似大空间的罗盘箱送风的设计。 如文献[4]介绍，应用于首都国际机场T3航站楼的罗盘箱的形式有9种之多，并且各形式之间有相似的地方。如果对每一种形式单独研究，需要花费很长时间，并且对其共性的因素进行重复研究也没有必要，所以本文从最具典型且研究意义最大的02型罗盘箱入手，全面研究进行因素分析。 罗盘箱送风受到许多因素的影响，比较重要的因素如下： 1) 送风喷口的间距 2) 风口的安装高度及角度 3) 送风温差 4) 送风形式（如上送下回、上送上回等） 设计或者调整罗盘箱送风时，整体考虑这些参数是很重要的。设计的目的就是合理的分配风量，而最重要的目标是获得最小的活动区温升以及较大的射程。所以，后面以人员活动区的平均温度和送风到达的距离作为因素分析的指标。 以02型罗盘箱为例，将以上因素转变为具体参数，见表5。由于与其他因素的耦合关系不强，对不同送风形式的罗盘箱以个例研究，受篇幅所限，其研究结果另文发表。 在找出的影响罗盘箱送风的因素的基础上，若对每个因素在三个水平下逐一实验分析，则需要实验34次，这样的次数耗时太长，所以本文采用正交实验方法来分析各个因素。以找出的因素为变量，在3个水平下实施正交试验，以F检验或者极差为判据找出影响罗盘箱送风的主要可变因素。 正如前面提到的，活动区温度和射程是判定空调送风效果重要的两个物理量，后面以这两个指标为评价目标进行分析。本文射程定义为当射流的气流平均速度为0.5m/s时，该处距风口的水平距离。活动区温度取距地1.8m范围的活动区内的平均温度。正交实验的参数水平表见表5，其中的水平取值范围是根据工程实际设计取值的范围所确定的。 表5 实验因素水平表 因素 水平 名称 符号 1 2 3 喷口的间距 WS 0.40 0.55 0.70 喷口的高度 HS 3 3.6 4.2 喷口的角度 CS 0 15 30 送风温度 t 12 14 16 表6正交实验设计表 因没有交互作用，选用L9(34)正交表。实验设计见表6。按此表做9个算例，并分别进行CFD模拟计算。 以计算得出的活动区温度和射流的射程为目标进行分析，分析结果见表7至表10，图11至图3-11。在F检验中，显著水平a取0.05。 表7影响因素实验结果计算表(活动区温度) 表8影响因素实验结果计算表(射流的射程) 表9影响因素方差分析表(活动区温度) 表10喷口送风影响因素方差分析表(射流的射程) 图11影响因素效应曲线(活动区温度) 图12影响因素效应曲线(射流的射程) 由表7、表9可知，对活动区温度有显著性影响的因素是送风温差，送风角度也有些影响，但送风口高度和送风口间距在选定的范围内对活动区温度的影响很小。由图11可以直观看出各参数对活动区温度的影响方向及影响程度。 由表8、表10可知，对射流的射程有影响的因素按影响作用大小依次是送风角度、送风口高度、送风温差和送风口间距。由图12可以直观看出各参数对射流的射程的影响方向及程度。 值得一提的是，由实验的结果（图12）看，射程并不是随送风角度的增大而线性增加的。由图13~图15的模拟结果看，当送风角度达到一定角度后，射流向上“偏”的较多，活动区的风速反而较低，从而影响活动区的温度分布以及能耗的无益损失。当然，送风角度较小时，为避免活动区的风速太高而出现的“吹风感”，其射程也会降低的。 图13喷口0°送风的速度分布图 图14喷口15°送风的速度分布图 图15喷口30°送风的速度分布图 4 本章小结 本文应用正交实验方法分析了影响喷口送风的主要因素，其结论是： 1）对活动区温度和射流的射程这两个指标影响较大的是：送风温度和送风角度，喷口间距和喷口高度在本文选定的范围内对这两个指标的影响较小。 2）射流的角度与射程不是线性的关系，即：随射流角度的增大，其射程不是越来越远。 3）当射流的角度太大时，会造成射流的向上偏移和能耗的浪费，本文推荐其射流角度最好小于30°。 4）当喷口安装高度较高时，因射流的角度过大而造成的不利影响会更大，而此时，喷口的安装角度也应相应减少。 参考文献 [1] 官庆，汤广发．多股平行非等温受限射流数值研究[J]．空气动力学学报，1992，10(2)：38-42 [2] 肖勇全，刘学亭，杨勇．大空间平面布置送风口射流重合特性的研究[J]．通风除尘，1997(3)：1-5 [3] 高军，李晓冬，高甫生．大空间分层空调射流气流重合与卷吸特性研究[J]．哈尔滨工业大学学报，2004，36(6)：815-818 [4] 韩维平,谷现良. 罗盘箱在首都国际机场T3航站楼的应用及其气流组织模拟[J].暖通空调，2008，36 (9) ：115-119 谷现良，男，1979年10月生，工程师，地址：北京市南礼士路62号 北京市建筑设计研究院四所，邮政编码，100045，电话：（010）88043177，传真：（010）68022803，E-mail: guxl@biad.com.cn � 图4 喷口处测点布置 PAGE - 8 - _1303046433.dwg _1303040180.bin