水平净距对屋面冷却塔气流组织影响分析.pdf

水平净距对屋面冷却塔气流组织影响分析 中铁第四勘察设计院集团有限公司 邹婷 摘 要 采用 Fluent 软件通过数值模拟手段研究了冷却塔在建筑屋面布置时不同水平净距对冷却塔气流组织的影响，建议冷却塔距建筑墙体的水平距离不小于 4m，以减少冷却塔热排风回流风量和返混率，可为相关工程冷却塔设计提供参考。关键词 数值模拟，冷却塔，水平距离，返混率 Analysis of the Influence of Horizontal Clearance on Air Flow Organization of Roof Cooling Tower Zou Ting Abstract This article uses Fluent software to study the effect of different horizontal clear distances on the airflow organization of cooling towers when arranged on building roofs through numerical simulation.It is recommended that the horizontal distance between the cooling tower and the building wall should not be less than 4m to reduce the hot exhaust return air volume and backmixing rate of the cooling tower,which can provide reference for related engineering cooling tower design.Keywords numerical simulation,cooling tower,horizontal distance,backmixing rate 0 引言 冷却塔作为空调水系统散热的核心设备，其气流组织效果的好坏直接影响着空调系统制冷性能。为了提高冷却塔运行效率，必须降低冷却塔周围的湿热空气返混到冷却塔内，冷却塔通常被置于楼顶或地面1。为了降低环境侧风对冷却塔性能的影响，许多学者对冷却塔进风口空气动力场以及不同风速下冷却塔内外空气动力场进行了研究2-3。数值模拟方法是一种研究冷却塔羽流与返混现象的重要手段，Bergstrom 利用二维模型对冷却塔外部流场进行了数值模拟计算4。吕楠等对建筑物楼顶风冷冷却塔群周围气流特性进行数值模拟，研宄了高层建筑障碍物对周围气流分布的影响，模拟结果表明：冷却塔群周围存在热量堆积现象，特别是冷却塔进风口处现象明显，热量回流至冷却塔内5。建筑物的中央空调系统也需要冷却水将建筑物内的热负荷导出 到室外大自然环境中，其冷却塔一般安装在建筑物室外的裙楼平台上面或者大楼的屋顶，但在大楼建设的设计初期，由于建筑专业和暖通专业的设计师沟通不充分，导致大楼建成后的室外平台是否满足冷却塔的散热要求具有不确定性6。冷却塔的合理布局是改善冷却塔运行效果，进而提升冷水机组运行能效的关键。考虑到冷却塔放置在建筑屋面时周边的建筑立面墙体的影响，在设计阶段应对冷却塔位置设计方案效果进行评价，分析冷却塔周边空间条件是否满足散热的需求。本文研究以广东省广州市某项目为例，采用 Fluent 软件对本项目制冷机房的建筑屋面上设计的方形横流式冷却塔的外部气流组织进行了数值模拟，研究水平净距对冷却塔气流组织的影响。1 工程概况 本文所研究的项目选用了 3 台流量为 1100m3/h的横流式冷却塔，位于制冷机房上层的建筑屋面。每台冷却塔有两个风机，全部并排布置，出风方式为顶部出风，前后侧回风。冷却塔组的总尺寸为23m6m5m（长宽高），共 6 个风机，风机出*邹婷，女，1990 年 5 月生，大学本科，工程师410011 湖南省长沙市芙蓉区袁家岭湘域中央 2 栋 32 层 18711182505 E-mail: 收稿日期：2023-05-292023 年 9 月 洁净与空调技术CC&AC 第 3 期第口尺寸为 3300000m3/h。冷却塔在入冷却塔，将塔对水的冷塔总排风量塔的返混率冷风量，很难用温度值代替式中：球）温度，塔进风温度2 冷却塔计2.1 几何模型本文分析屋面的冷却Modeler 工具个工况，冷别设定为 6m响建筑群边界300m802.2 网格划分几何模量的好坏直接过细，会造以及局部网格会造成计算精目采用 Fluen网格划分，第 3 期 3400mm，每。在运行过程将会增加冷却却效果。为中再次回流至。实际过程难出现在饱和替焓值来计算为冷却塔返；tb为冷却，。计算模型设型 析模型中包括却塔。采用具建立几何模却塔与周围建m、4m、2m界气流流动为0m（长宽图 1 冷却塔分 型的网格划分接影响模拟结成计算速度降格畸变严重等精度下降，局nt 软件自带并采用了非结 组冷却塔的设中，如果热排却塔的进风，了评估该项指至冷却塔的风中，冷却塔热和区域。为了简算返混率，公 返混率，；却塔出风温度设置 括本项目中的Fluent 软件模型，如图 1建筑立面墙体。模型外场尺为准，外场计高）。塔三维模拟模型 分是非常重要结果的精度，降低、增加时等问题，如果局部无法识别的 Meshing 工结构化网格类abactttt 设计通风风量排风再次回流，从而影响冷指标，定义冷风量比例为冷热回风量远小简化计算公式公式(1)：；ta为通风度，；tc为冷的制冷机房及件自带的 De所示。模拟了体的水平净距尺寸主要以不计算尺寸为 要的环节，其，如果网格划时间和资源成果网格划分过别等问题。本工具对模型进类型，对研究（1）洁净与量为流进冷却冷却冷却小于式，（干冷却及其esign 了三距分不影35m其质划分成本过大，本项进行究所关心虑模进行小网2.3东南象参31.8东南置为的足置为热固置为速度设置大气方程湍流实现周长密度净与空调技术C心的区域，网模拟工作站的行网格划分，网格尺寸为 0 边界条件设广州属于亚南风，平均风参数：湿球温8，大气压南方向面，入为 1.7m/s，温足够远，故采为无滑移边界建筑及冷却固壁，采用无为第一类边界度为 4.667m/置固定风量。在冷却塔稳气运动为不可程，并采用 k-流条件的设定现的。水力直式中：D 为长。湍流度采用其中：式中：l 为度；为流体CC&AC 网格进行了局的性能和模拟最终网格数0.15m，网格图 2 冷却塔模设置 亚热带季风气风速为 1.7m/温度为 27.8压力为 100.4k入口边界采用温度设置为 3采用自由流边界条件。却塔单元其他无滑移边界条界条件，根据/s，温度为 3 稳定运行条件可压缩定常流-e 双方程湍流定是通过设定直径计算公式为水力直径；用了经验值，为当量直径；体动力黏度。局部加密。本拟精度需求等数量约为 91 万格效果如图 2模拟模型网格划分气候区，夏季/s。夏季空调，通风（干kPa。外流场用速度入口条31.8。由于边界条件，其他各固体壁面条件。冷却塔据设计参数计37。冷却塔件下，可以认流动，符合雷流模型对方程定湍流速度和式(2)：S 为截面面积采用公式（u 为流体速 本项目综合考等方面的因素万个，其中最所示。分 季主导风向为调期间室外气干球）温度为场迎风面取为条件，速度设于出口处选取其他各面均设面均设置为绝塔风机出口设计算得到出流塔侧面进风口认为其周围的雷诺平均 N-S程进行封闭。和水力直径来积；L 为湿周（3）计算：度；p为流体（3）（2）.67考素最为气为为设取设绝设流口的S来周体7.3 模拟结果分析 本文采用模拟的方法研究和验证了冷却塔屋顶布置位置对其周围气流组织的影响情况，具体地模拟了周围建筑立面墙体的水平净距分别为6m、4m、2m 三个不同的工况。通过截取不同工况下模拟计算结果中的各平面温度云图，以及计算冷却塔返混率，对冷却塔周围气流组织效果进行了分析和评估，结果可为工程设计提供理论参考。3.1 温度云图 冷却塔的填料回风区由于受到冷却塔内风机的卷吸作用而呈负压状态，使得周围空气受到压差作用进入回风区，从而影响冷却塔的散热能力。图3图 5 分别为周围建筑立面墙体与冷却塔的水平净距分别为 6m、4m、2m 三种不同工况下的温度分布云图。从图中可以看出，当冷却塔离墙的水平距离从 6m 到 2m 之间由大到小变化时，其外侧回风口附近温度几乎等于环境温度，热排风回流均不明显，而其内测与建筑墙体的空间部分区域温度高于环境温度，且高温区域面积逐渐变大，说明热排风回流情况逐渐变得明显。特别是当冷却塔离墙的距离为2m 时，出现了较大的热排风回流现象。以上结果说明，当冷却塔离墙距离越远，越有利于冷却塔的散热，且本项目冷却塔内侧距离建筑墙体的距离必须大于 2m。图 3 模型在截面 X=147.5m 处温度云图（离墙距离 6m）图 4 模型在截面 X=147.5m 处温度云图（离墙距离 4m）图 5 模型在截面 X=147.5m 处温度云图（离墙距离 2m）3.2 速度云图 从图中可以看出，建筑来流方向，在室外环境风以及建筑的遮挡作用下，制冷机房前后均出现了低风速的空气滞留区，而冷却塔由于其送回风口风机的吸排作用，周围的风速均要高于建筑周边环境风速。从图 6图 8 中可以看出为周围建筑立面墙体与冷却塔的水平净距分别为 6m、4m、2m 三种不同工况下的速度分布云图。当冷却塔离墙的水平距离从 6m 到 2m 之间由大到小变化时，其外侧回风口速度基本均匀且相等，且与热排风之间有一定的隔离，说明其热排风回流不明显。然而，冷却塔内测与建筑墙体之间区域的速度随着离墙距离的减少逐渐增加，且该区域的空气与热排风之间无明确的分界线，具有热排风回流的风险。同样，以上结果说明，当冷却塔离墙距离越远，越有利于冷却塔的散热。图 6 模型在截面 X=147.5m 处速度云图（离墙距离 6m）图 7 模型在截面 X=147.5m 处速度云图（离墙距离 4m）图 8 模型在截面 X=147.5m 处速度云图（离墙距离 2m）3.3 返混率分析 通过模拟结果得出冷却塔靠墙侧和远离墙侧回风口的平均温度，并通过返混率公式计算得出周围建筑立面墙体的水平净距分别为 6m、4m、2m，不同工况下屋面冷却塔的返混率，结果如表 1 所示。.68.洁净与空调技术CC&AC 第 3 期表 1 冷却塔不同工况下返混率 冷却塔离墙距离（m）靠墙侧回风口平均温度（K）返混率（%）远离墙侧回风口平均温度（K）返混率（%）6 305.3 7.1 305.13 3.5 4 305.5 10.4 305.14 3.7 2 306.3 26.4 305.34 7.4 屋面冷却塔的布置对其气流组织及热排风回流具有较大影响。一般，冷却塔设计时要求返混率不得高于 20%。从本文冷却塔返混率计算结果可以得出，随着冷却塔离墙的水平距离从大到小变化时，冷却塔的热排风回流量逐渐增加，说明其气流组织逐渐变差。冷却塔靠墙侧回风口的返混率均大于远离墙侧回风口的返混率，说明冷却塔外侧的气流组织好于内测。当冷却塔离墙的水平距离分别为 6m、4m 时，各回风口返混率最大值为 10.4%，热排风能顺利扩散出去，有利于降低冷却塔回风口温升和返混率，均能满足设计的需求。而当冷却塔离墙的水平距离为 2m 时，冷却塔靠墙侧回风口混流率为 (上接至第 96 页)另外关于洁净室地面变形缝的另一种做法，可以参考图集（12J304楼地面建筑构造178 页）5。以下图 31 是图集第 178 页截图。图 31 地面变形缝做法图 关于楼地面建筑变形缝的做法也可以根据不同厂商所提供的产品及详细解决方案来决定其最终做法。再有需要特别注意的是，当隔墙设置在变形缝边沿时，注意隔墙距变形缝的距离至少大于 100mm，需要给洁净地面圆弧上墙踢脚预留足够的空间，详见图 32。图 32 隔墙在变形缝边沿时预留空间 26.4%，冷却塔热排风回风严重，超出设计要求。4 结论 本文通过数值模拟手段研究了冷却塔在建筑屋 面布置时不同水平净距对冷却塔气流组织的影响，建议冷却塔距建筑墙体的水平距离按不小于 4m 进行设计，以减少冷却塔热排风回流风量和返混率，可为相关工程冷却塔设计提供参考。参考文献 1 李昌,伍学智,罗世闻,姜昌伟.半闭式空间内冷却塔群周围气流组织模拟分析J.建筑热能通风空调,2017,36(5).2 周兰欣,金童,尹建兴等.火电机组湿式冷却塔加装导流板的数值研究J.汽轮机技术,2010,52(1).3 徐士倩,王一伟,闫大强.水冷塔空气涡流导引装置的数值模拟J.北京大学学报(自然科学版),2011,47(1).4 DJ Bergstrom,D Derksen,K S Rezkallah.Numerical study of wind flow over a cooling towerJ.Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics,1993 5 吕楠，王超，祝贺等.冷却塔周围气流特性的 CFD 模拟和优化分析J.建筑热能通风空调，2014，33(1)6 傅烈虎，路源.建筑物与冷却塔散热相互影响的仿真研究J.制冷，2017，36(140)7、结语 关于室内金属夹芯板结构变形缝的做法，本文根据近年的一些项目实际情况，利用目前市场现有的一些材料及一些实用新型专利，做了总结及提炼，部分做法设计可能还有更多的优化空间。希望本论文研究总结出的室内金属夹芯板结构变形缝的做法，能够为同行们在以后的项目建设中作参考。参考文献 1、GB50010-2010（2015 版）混凝土结构设计规范S，中国建筑工业出版社。2、GB50457-2019 医药工业洁净厂房设计标准S，中国计划出版社。3、08J907-洁净厂房建筑构造S，中华人民共和国住房和城乡建设部批准。4、14J936-变形缝建筑构造S，中中华人民共和国住房和城乡建设部批准。5、12J304-楼地面建筑构造S，中华人民共和国住房和城乡建设部批准。6、中国电子系统工程第四建设有限公司夹芯彩钢板吊顶 用边龙骨及夹芯彩钢板吊顶系统P中国实用新型专 利，ZL 2022 2 0720442.3.2022-07-26。第 3 期 洁净与空调技术CC&AC .69.