摘要：本文對CFD技術(shù)在暖通空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用進行了細致的闡述，探討了在建筑物全壽命周期的各個階段中CFD技術(shù)對于建筑物節(jié)能降耗所可能做出的貢獻。
　　關(guān)鍵詞：CFD技術(shù)，數(shù)值模擬，運行節(jié)能
　　前言
　　為制定出最佳的通風(fēng)空調(diào)方案，暖通設(shè)計師從建筑方案設(shè)計階段就開始探尋建筑物室內(nèi)外的氣流的速度場、溫度場、濃度場的分布，盡可能設(shè)計出最為高效、舒適、節(jié)能的空調(diào)系統(tǒng)。為達到空調(diào)系統(tǒng)運行高效且節(jié)能，暖通設(shè)備運行管理人員也一直致力于探尋設(shè)備能效的最大化。近年來，隨著CFD技術(shù)的發(fā)展與完善，這些需求也日益能得到滿足。CFD技術(shù)與暖通設(shè)計運行管理的結(jié)合發(fā)揮出越來越大的經(jīng)濟與社會效益。
　　1CFD技術(shù)在暖通空調(diào)中的應(yīng)用概況
　　隨著計算機技術(shù)和離散數(shù)學(xué)等的發(fā)展，CFD作為一種模擬仿真技術(shù)，在暖通空調(diào)工程中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。它主要在于模擬預(yù)測室內(nèi)外或設(shè)備內(nèi)的空氣或其他工質(zhì)流體的流動傳熱、燃燒等情況。就暖通空調(diào)專業(yè)來講，CFD主要可用于解決以下問題[1][2]：
　　1.1.建筑外環(huán)境分析設(shè)計
　　建筑外環(huán)境對建筑內(nèi)部居者的生活有著重要的影響，所謂的建筑小區(qū)一次風(fēng)、小區(qū)熱環(huán)境等問題日益受到人們的關(guān)注[7]。采用CFD可以方便地對建筑外環(huán)境進行模擬分析，從而設(shè)計出合理的建筑風(fēng)環(huán)境。而且通過模擬建筑外環(huán)境的風(fēng)流動情況，還可進一步指導(dǎo)建筑內(nèi)的自然通風(fēng)設(shè)計等。
　　1.2.通風(fēng)空調(diào)空間氣流組織設(shè)計
　　通風(fēng)空調(diào)空間的氣流組織直接影響到其通風(fēng)空調(diào)效果，借助CFD可以預(yù)測仿真其中的空氣分布詳細情況，從而指導(dǎo)設(shè)計。通風(fēng)空調(diào)空間通常又可分為：普通建筑空間，如住宅、辦公室、高大空間等；特殊空間，如潔凈室、客車、列車及其它需要空調(diào)的特殊空間。
　　1.3.建筑設(shè)備性能的研究改進
　　暖通空調(diào)工的許多設(shè)備，如風(fēng)機、蓄冰槽、空調(diào)器等，都是通過流體工質(zhì)的流動而工作的，流動情況對設(shè)備性能有著重要的影響。通過CFD模擬計算設(shè)備內(nèi)部的流體流動情況，可以研究設(shè)備性能，從而改進其更好地工作，降低建筑能耗，節(jié)省運行費用。
　　2建筑外環(huán)境分析設(shè)計
　　建筑外環(huán)境與室內(nèi)環(huán)境一樣，對人體健康有著重要的影響。隨著計算機軟件、硬件技術(shù)的不斷提高，利用CFD技術(shù)準確模擬單體建筑、小區(qū)內(nèi)建筑甚至城市體建筑的室外風(fēng)環(huán)境成為了可能。對于建筑方案設(shè)計階段的暖通空調(diào)設(shè)計所能做出的貢獻如下：
　　首先，充分考慮建筑所在地區(qū)的夏季主導(dǎo)風(fēng)向，盡可能合理布置建筑的朝向，選取合適的建筑間距與高度，探尋合適的體型系數(shù)。這樣我們就可以充分利用各個季節(jié)特別是過渡季節(jié)的自然通風(fēng)，營造出一個最為舒適、節(jié)能的室內(nèi)外環(huán)境。例如，在一個住宅小區(qū)的室外風(fēng)環(huán)境模擬中，利用建好的CFD模型，我們可以直接調(diào)出不同高度的氣流速度場的后處理結(jié)果，從計算機所顯示的矢量分布圖可以直觀的看出是否存在大面積的通風(fēng)死角、是否存在人員活動區(qū)風(fēng)速過高的區(qū)域，如果存在，則調(diào)整模擬中相關(guān)建筑的方位、朝向、層高等參數(shù)，直至滿意為止。顯而易見，這種電腦模擬的方式相對于其他方法（如模型試驗、經(jīng)驗計算公式等）具有無可比擬的優(yōu)勢。
　　其次，我們同樣可以利用計算機后處理的結(jié)果，根據(jù)室外的壓力分布圖，清晰直觀的看出各個建筑的迎風(fēng)面、背風(fēng)面、空氣動力陰影區(qū)等，從而指導(dǎo)暖通設(shè)計師合理布置建筑物的進、排風(fēng)口，避免污染物倒灌入室內(nèi)。
　　3通風(fēng)空調(diào)空間氣流組織設(shè)計
　　目前在暖通空調(diào)CFD技術(shù)中，通風(fēng)空調(diào)空間氣流組織模擬的應(yīng)用最為廣泛。隨著人們對室內(nèi)舒適性的要求越來越高，不少業(yè)主都要求設(shè)計師在設(shè)計階段能夠提供室內(nèi)氣流組織模擬結(jié)果，尤其是高大空間的暖通空調(diào)設(shè)計中，CFD模擬甚至成了必不可少的一個環(huán)節(jié)。高大空間的各種熱擾存在著不穩(wěn)定性、送回風(fēng)氣流組織流向相對復(fù)雜，這就給暖通設(shè)計師帶來了很大的設(shè)計的不確定性，而CFD技術(shù)正好彌補了這一不足。它可以精確模擬室內(nèi)各個區(qū)域的溫度場、速度場、濃度場，給出不同坐標(biāo)平面、空間的云圖或矢量圖，從而有助于設(shè)計師檢驗設(shè)計的合理與否，以達到完善暖通空調(diào)設(shè)計的目的。
　　某些CFD軟件如AIRPAK等甚至可以給出各點的ADPI指標(biāo)，故而可以定量比較不同暖通設(shè)計方案的優(yōu)劣，為設(shè)計師設(shè)計出更加優(yōu)秀的作品提供了強有力的后盾[3]。
　　4建筑設(shè)備性能的研究改進
　　在建筑物運行管理階段，CFD技術(shù)也能發(fā)揮其獨特的優(yōu)勢。如果采用先進的監(jiān)測及管理方法，使各種設(shè)備能夠安全、高效、穩(wěn)定地運行，能快速排除出現(xiàn)的故障甚至準確預(yù)測可能的故障，則可以節(jié)約能量；如果管理方法比較過時，出現(xiàn)故障不能及時排除，則會大大耗費原本不必消耗的能量。在傳統(tǒng)的設(shè)備管理模式中，往往是在有明顯跡象表明設(shè)備性能變化差別很大時，才去確定這臺設(shè)備是否應(yīng)該檢修，或根據(jù)規(guī)程已經(jīng)到了大修期限，才著手組織大修。這樣就存在以下問題：一是其運轉(zhuǎn)情況無法準確統(tǒng)計；二是本可不必大修解決的問題因故障累積而達到了必須大修的程度，導(dǎo)致設(shè)備維修費用升高。傳統(tǒng)的維修思路是：當(dāng)設(shè)備不能正常工作甚至無法工作后才去尋找故障，找到故障后才去修理。這樣做的結(jié)果，首先是設(shè)備停止運行，影響了正常服務(wù)，其次是故障往往不僅是部件問題，甚至到了必須更換主要部件的地步，使得維修成本劇增；三是故障只在設(shè)備運行時才表現(xiàn)出來，當(dāng)設(shè)備停止運行后，有些故障特征就不再表現(xiàn)，各種故障數(shù)據(jù)也再無法采集，這就給故障排除帶來很大困難[4]。
　　CFD技術(shù)可以在設(shè)備故障尚未出現(xiàn)時就對整個系統(tǒng)進行模擬、監(jiān)控、診斷，為預(yù)先消除設(shè)備故障、避免過大經(jīng)濟損失提供了可能。雖然HVAC系統(tǒng)非常復(fù)雜，但也是由不同層次的子系統(tǒng)組成。譬如：冷卻水循環(huán)系統(tǒng)、冷凍水循環(huán)系統(tǒng)、制冷劑循環(huán)系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)等等。所以，故障發(fā)生時，它總是隸屬于某一層次，在這一層次中，總有一個或幾個特征參數(shù)的變化與之相對應(yīng)。利用故障的這一特性，我們可以提出診斷模型，并對原因參數(shù)和結(jié)果參數(shù)進行分類，從而實現(xiàn)對故障的正確診斷。針對不同的研究對象，應(yīng)該選擇不同的特征參數(shù)。
　　因為空調(diào)系統(tǒng)的內(nèi)在參數(shù)是直接反映系統(tǒng)性能的參數(shù)，所以很多研究者在選擇特征參數(shù)時都選擇了像蒸發(fā)溫度，冷凝溫度等內(nèi)在參數(shù)作為故障特征參數(shù)。但不同的故障能使內(nèi)在參數(shù)產(chǎn)生相同的變化，以致有時直接用內(nèi)在參數(shù)的變化不容易分辨不同的故障。因此，可以利用內(nèi)在參數(shù)求出諸如機組或其部件的效率、換熱量等間接特征參數(shù)，再通過實驗及理論分析確定出各故障對應(yīng)的間接特征參數(shù)的變化范圍。下面即采用了間接特征參數(shù)來判斷一冷水機組的故障。
　　4.1蒸發(fā)器的換熱量；
　　4.2蒸發(fā)器中冷凍水進出口溫差；
　　4.3蒸發(fā)器中冷凍水與制冷劑間的最小溫差；
　　4.4蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)（蒸發(fā)器傳熱面積×單位面積傳熱系數(shù)）；
　　4.5冷凝器的換熱量；
　　4.6冷凝器中冷卻水的進出口溫差；
　　4.7冷凝器中冷卻水與制冷劑間的最小溫差；
　　4.8冷凝器的傳熱系數(shù)（冷凝器傳熱面積×單位面積傳熱系數(shù)）；
　　4.9電機效率；
　　除了利用內(nèi)在參數(shù)進行故障檢測及診斷外，還可以采用外在參數(shù)進行故障檢測的研究。可以通過監(jiān)測水泵、風(fēng)機等電機的用電負荷進行HVAC系統(tǒng)故障檢測，通過分析諸如空氣流量、電機轉(zhuǎn)速等外在參數(shù)與電功率消耗之間的關(guān)系去檢測、診斷故障，或者在電機剛啟動后，分析電機的機械動力物理模型，從而得出空調(diào)系統(tǒng)的故障。
　　通過以上分析，我們就找到了針對不同的空調(diào)系統(tǒng)各種特征參數(shù)，有了這些特征參數(shù)后，就需要將之匯總起來，建立數(shù)據(jù)庫，以便使通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集來的數(shù)據(jù)與之相對照，從而判斷出系統(tǒng)的運行狀況。
　　在設(shè)備管理中，傳統(tǒng)的設(shè)備管理模式早已經(jīng)不適應(yīng)智能建筑的要求，HVAC系統(tǒng)故障檢測及診斷技術(shù)是建筑設(shè)備領(lǐng)域的一個新課題，其中涉及多個學(xué)科的知識，既需要有空調(diào)、制冷方面的專業(yè)知識，又需要計算機、自動控制方面的知識，還需要運用數(shù)學(xué)知識。
　　5結(jié)語
　　CFD技術(shù)以其高效、節(jié)能、省時、便捷等多種優(yōu)點，在暖通空調(diào)中發(fā)揮了越來越重要的作用。這一技術(shù)的應(yīng)用設(shè)計了空調(diào)、制冷、流體力學(xué)、計算機、自控等多個學(xué)科的專業(yè)知識，因而還存在一些問題有待進一步的研究和探討。
　　參考文獻
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　　[2]董玉平,由世俊,葉天震等.高大空間建筑分層空調(diào)系統(tǒng)CFD模擬研究.流體機械,2004,
　　[3]龔光彩.CFD技術(shù)在暖通空調(diào)制冷工程中的應(yīng)用[J].暖通空調(diào)，1999，29（6）：25-27.
　　[4]鄭潔.周玉禮.李興友.暖通空調(diào)系統(tǒng)故障診斷技術(shù)及應(yīng)用.《機電一體化》.2003年第3期.