摘要：本文對CFD技術(shù)在暖通空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)行了細(xì)致的闡述，探討了在建筑物全壽命周期的各個(gè)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(xiàn)。
　　關(guān)鍵詞：CFD技術(shù)，數(shù)值模擬，運(yùn)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(jì)師從建筑方案設(shè)計(jì)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(jì)出最為高效、舒適、節(jié)能的空調(diào)系統(tǒng)。為達(dá)到空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行高效且節(jié)能，暖通設(shè)備運(yùn)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(jì)運(yùn)行管理的結(jié)合發(fā)揮出越來越大的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。
　　1CFD技術(shù)在暖通空調(diào)中的應(yīng)用概況
　　隨著計(jì)算機(jī)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(dòng)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(jì)
　　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(jìn)行模擬分析，從而設(shè)計(jì)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(dòng)情況，還可進(jìn)一步指導(dǎo)建筑內(nèi)的自然通風(fēng)設(shè)計(jì)等。
　　1.2.通風(fēng)空調(diào)空間氣流組織設(shè)計(jì)
　　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(xì)情況，從而指導(dǎo)設(shè)計(jì)。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(jìn)
　　暖通空調(diào)工的許多設(shè)備，如風(fēng)機(jī)、蓄冰槽、空調(diào)器等，都是通過流體工質(zhì)的流動(dòng)而工作的，流動(dòng)情況對設(shè)備性能有著重要的影響。通過CFD模擬計(jì)算設(shè)備內(nèi)部的流體流動(dòng)情況，可以研究設(shè)備性能，從而改進(jìn)其更好地工作，降低建筑能耗，節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用。
　　2建筑外環(huán)境分析設(shè)計(jì)
　　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(jì)算機(jī)軟件、硬件技術(shù)的不斷提高，利用CFD技術(shù)準(zhǔn)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(jì)階段的暖通空調(diào)設(shè)計(jì)所能做出的貢獻(xiàn)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(gè)季節(jié)特別是過渡季節(jié)的自然通風(fēng)，營造出一個(gè)最為舒適、節(jié)能的室內(nèi)外環(huán)境。例如，在一個(gè)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(jì)算機(jī)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(dòng)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(yàn)、經(jīng)驗(yàn)計(jì)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(jì)算機(jī)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(gè)建筑的迎風(fēng)面、背風(fēng)面、空氣動(dòng)力陰影區(qū)等，從而指導(dǎo)暖通設(shè)計(jì)師合理布置建筑物的進(jìn)、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(jì)
　　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(jì)師在設(shè)計(jì)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(jì)中，CFD模擬甚至成了必不可少的一個(gè)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(jì)師帶來了很大的設(shè)計(jì)的不確定性，而CFD技術(shù)正好彌補(bǔ)了這一不足。它可以精確模擬室內(nèi)各個(gè)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(jì)師檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的合理與否，以達(dá)到完善暖通空調(diào)設(shè)計(jì)的目的。
　　某些CFD軟件如AIRPAK等甚至可以給出各點(diǎn)的ADPI指標(biāo)，故而可以定量比較不同暖通設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣，為設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)出更加優(yōu)秀的作品提供了強(qiáng)有力的后盾[3]。
　　4建筑設(shè)備性能的研究改進(jìn)
　　在建筑物運(yùn)行管理階段，CFD技術(shù)也能發(fā)揮其獨(dú)特的優(yōu)勢。如果采用先進(jìn)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(yùn)行，能快速排除出現(xiàn)的故障甚至準(zhǔn)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(shí)，出現(xiàn)故障不能及時(shí)排除，則會(huì)大大耗費(fèi)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(shí)，才去確定這臺(tái)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(yùn)轉(zhuǎn)情況無法準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)；二是本可不必大修解決的問題因故障累積而達(dá)到了必須大修的程度，導(dǎo)致設(shè)備維修費(fèi)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(yùn)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(yùn)行時(shí)才表現(xiàn)出來，當(dāng)設(shè)備停止運(yùn)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(shí)就對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)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(jì)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(dòng)控制系統(tǒng)等等。所以，故障發(fā)生時(shí)，它總是隸屬于某一層次，在這一層次中，總有一個(gè)或幾個(gè)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(jìn)行分類，從而實(shí)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?yàn)榭照{(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(shí)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(shí)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(jī)組或其部件的效率、換熱量等間接特征參數(shù)，再通過實(shí)驗(yàn)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(jī)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(jìn)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(jìn)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(jī)效率；
　　除了利用內(nèi)在參數(shù)進(jìn)行故障檢測及診斷外，還可以采用外在參數(shù)進(jìn)行故障檢測的研究。可以通過監(jiān)測水泵、風(fēng)機(jī)等電機(jī)的用電負(fù)荷進(jìn)行HVAC系統(tǒng)故障檢測，通過分析諸如空氣流量、電機(jī)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(jī)剛啟動(dòng)后，分析電機(jī)的機(jī)械動(dòng)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(yùn)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(gè)新課題，其中涉及多個(gè)學(xué)科的知識(shí)，既需要有空調(diào)、制冷方面的專業(yè)知識(shí)，又需要計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制方面的知識(shí)，還需要運(yùn)用數(shù)學(xué)知識(shí)。
　　5結(jié)語
　　CFD技術(shù)以其高效、節(jié)能、省時(shí)、便捷等多種優(yōu)點(diǎn)，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(jì)了空調(diào)、制冷、流體力學(xué)、計(jì)算機(jī)、自控等多個(gè)學(xué)科的專業(yè)知識(shí)，因而還存在一些問題有待進(jìn)一步的研究和探討。
　　參考文獻(xiàn)
　　[1]趙彬,林波榮,李先庭等.室內(nèi)空氣分布的預(yù)測方法及比較.暖通空調(diào),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(diào)系統(tǒng)CFD模擬研究.流體機(jī)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(jī)電一體化》.2003年第3期.