摘要：本文對CFD技術在暖通空調系統的應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技術對于建筑物節能降耗所可能做出的貢獻。
　　關鍵詞：CFD技術，數值模擬，運行節能
　　前言
　　為制定出最佳的通風空調方案，暖通設計師從建筑方案設計階段就開始探尋建筑物室內外的氣流的速度場、溫度場、濃度場的分布，盡可能設計出最為高效、舒適、節能的空調系統。為達到空調系統運行高效且節能，暖通設備運行管理人員也一直致力于探尋設備能效的最大化。近年來，隨著CFD技術的發展與完善，這些需求也日益能得到滿足。CFD技術與暖通設計運行管理的結合發揮出越來越大的經濟與社會效益。
　　1CFD技術在暖通空調中的應用概況
　　隨著計算機技術和離散數學等的發展，CFD作為一種模擬仿真技術，在暖通空調工程中得到了越來越廣泛的應用。它主要在于模擬預測室內外或設備內的空氣或其他工質流體的流動傳熱、燃燒等情況。就暖通空調專業來講，CFD主要可用于解決以下問題[1][2]：
　　1.1.建筑外環境分析設計
　　建筑外環境對建筑內部居者的生活有著重要的影響，所謂的建筑小區一次風、小區熱環境等問題日益受到人們的關注[7]。采用CFD可以方便地對建筑外環境進行模擬分析，從而設計出合理的建筑風環境。而且通過模擬建筑外環境的風流動情況，還可進一步指導建筑內的自然通風設計等。
　　1.2.通風空調空間氣流組織設計
　　通風空調空間的氣流組織直接影響到其通風空調效果，借助CFD可以預測仿真其中的空氣分布詳細情況，從而指導設計。通風空調空間通常又可分為：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的特殊空間。
　　1.3.建筑設備性能的研究改進
　　暖通空調工的許多設備，如風機、蓄冰槽、空調器等，都是通過流體工質的流動而工作的，流動情況對設備性能有著重要的影響。通過CFD模擬計算設備內部的流體流動情況，可以研究設備性能，從而改進其更好地工作，降低建筑能耗，節省運行費用。
　　2建筑外環境分析設計
　　建筑外環境與室內環境一樣，對人體健康有著重要的影響。隨著計算機軟件、硬件技術的不斷提高，利用CFD技術準確模擬單體建筑、小區內建筑甚至城市體建筑的室外風環境成為了可能。對于建筑方案設計階段的暖通空調設計所能做出的貢獻如下：
　　首先，充分考慮建筑所在地區的夏季主導風向，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。這樣我們就可以充分利用各個季節特別是過渡季節的自然通風，營造出一個最為舒適、節能的室內外環境。例如，在一個住宅小區的室外風環境模擬中，利用建好的CFD模型，我們可以直接調出不同高度的氣流速度場的后處理結果，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死角、是否存在人員活動區風速過高的區域，如果存在，則調整模擬中相關建筑的方位、朝向、層高等參數，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、經驗計算公式等）具有無可比擬的優勢。
　　其次，我們同樣可以利用計算機后處理的結果，根據室外的壓力分布圖，清晰直觀的看出各個建筑的迎風面、背風面、空氣動力陰影區等，從而指導暖通設計師合理布置建筑物的進、排風口，避免污染物倒灌入室內。
　　3通風空調空間氣流組織設計
　　目前在暖通空調CFD技術中，通風空調空間氣流組織模擬的應用最為廣泛。隨著人們對室內舒適性的要求越來越高，不少業主都要求設計師在設計階段能夠提供室內氣流組織模擬結果，尤其是高大空間的暖通空調設計中，CFD模擬甚至成了必不可少的一個環節。高大空間的各種熱擾存在著不穩定性、送回風氣流組織流向相對復雜，這就給暖通設計師帶來了很大的設計的不確定性，而CFD技術正好彌補了這一不足。它可以精確模擬室內各個區域的溫度場、速度場、濃度場，給出不同坐標平面、空間的云圖或矢量圖，從而有助于設計師檢驗設計的合理與否，以達到完善暖通空調設計的目的。
　　某些CFD軟件如AIRPAK等甚至可以給出各點的ADPI指標，故而可以定量比較不同暖通設計方案的優劣，為設計師設計出更加優秀的作品提供了強有力的后盾[3]。
　　4建筑設備性能的研究改進
　　在建筑物運行管理階段，CFD技術也能發揮其獨特的優勢。如果采用先進的監測及管理方法，使各種設備能夠安全、高效、穩定地運行，能快速排除出現的故障甚至準確預測可能的故障，則可以節約能量；如果管理方法比較過時，出現故障不能及時排除，則會大大耗費原本不必消耗的能量。在傳統的設備管理模式中，往往是在有明顯跡象表明設備性能變化差別很大時，才去確定這臺設備是否應該檢修，或根據規程已經到了大修期限，才著手組織大修。這樣就存在以下問題：一是其運轉情況無法準確統計；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，導致設備維修費用升高。傳統的維修思路是：當設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。這樣做的結果，首先是設備停止運行，影響了正常服務，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；三是故障只在設備運行時才表現出來，當設備停止運行后，有些故障特征就不再表現，各種故障數據也再無法采集，這就給故障排除帶來很大困難[4]。
　　CFD技術可以在設備故障尚未出現時就對整個系統進行模擬、監控、診斷，為預先消除設備故障、避免過大經濟損失提供了可能。雖然HVAC系統非常復雜，但也是由不同層次的子系統組成。譬如：冷卻水循環系統、冷凍水循環系統、制冷劑循環系統、自動控制系統等等。所以，故障發生時，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的變化與之相對應。利用故障的這一特性，我們可以提出診斷模型，并對原因參數和結果參數進行分類，從而實現對故障的正確診斷。針對不同的研究對象，應該選擇不同的特征參數。
　　因為空調系統的內在參數是直接反映系統性能的參數，所以很多研究者在選擇特征參數時都選擇了像蒸發溫度，冷凝溫度等內在參數作為故障特征參數。但不同的故障能使內在參數產生相同的變化，以致有時直接用內在參數的變化不容易分辨不同的故障。因此，可以利用內在參數求出諸如機組或其部件的效率、換熱量等間接特征參數，再通過實驗及理論分析確定出各故障對應的間接特征參數的變化范圍。下面即采用了間接特征參數來判斷一冷水機組的故障。
　　4.1蒸發器的換熱量；
　　4.2蒸發器中冷凍水進出口溫差；
　　4.3蒸發器中冷凍水與制冷劑間的最小溫差；
　　4.4蒸發器的傳熱系數（蒸發器傳熱面積×單位面積傳熱系數）；
　　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（冷凝器傳熱面積×單位面積傳熱系數）；
　　4.9電機效率；
　　除了利用內在參數進行故障檢測及診斷外，還可以采用外在參數進行故障檢測的研究。可以通過監測水泵、風機等電機的用電負荷進行HVAC系統故障檢測，通過分析諸如空氣流量、電機轉速等外在參數與電功率消耗之間的關系去檢測、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，從而得出空調系統的故障。
　　通過以上分析，我們就找到了針對不同的空調系統各種特征參數，有了這些特征參數后，就需要將之匯總起來，建立數據庫，以便使通過數據采集系統采集來的數據與之相對照，從而判斷出系統的運行狀況。
　　在設備管理中，傳統的設備管理模式早已經不適應智能建筑的要求，HVAC系統故障檢測及診斷技術是建筑設備領域的一個新課題，其中涉及多個學科的知識，既需要有空調、制冷方面的專業知識，又需要計算機、自動控制方面的知識，還需要運用數學知識。
　　5結語
　　CFD技術以其高效、節能、省時、便捷等多種優點，在暖通空調中發揮了越來越重要的作用。這一技術的應用設計了空調、制冷、流體力學、計算機、自控等多個學科的專業知識，因而還存在一些問題有待進一步的研究和探討。
　　參考文獻
　　[1]趙彬,林波榮,李先庭等.室內空氣分布的預測方法及比較.暖通空調,2001,31(4):18-24
　　[2]董玉平,由世俊,葉天震等.高大空間建筑分層空調系統CFD模擬研究.流體機械,2004,
　　[3]龔光彩.CFD技術在暖通空調制冷工程中的應用[J].暖通空調，1999，29（6）：25-27.
　　[4]鄭潔.周玉禮.李興友.暖通空調系統故障診斷技術及應用.《機電一體化》.2003年第3期.