复杂建筑环境中冷却塔

1、复杂建筑环境中冷却塔风环境的数值模拟彭小勇(南华大学) 范晓樯（国防科技大学）摘要 采用CFD模拟技术，分析了复杂建筑环境中布置的冷却塔的气流分布和气流温度分布，比较了不同工况下冷却塔的热工特性，提出了改善冷却塔有效运行的技术措施。算例结果表明，CFD模拟是解决此类问题的有效手段。关键词 冷却塔 风环境 CFDNumerical Simulation of Wind Environment of Cooling Tower in the Complex Environment of BuildingsPENG Xiao-yong1, FANG Xiao-qiang2（1. Nanhua Uni

2、versity; 2. National University of Defence Technology）Abstract: The CFD (computational fluid dynamics) technology is used to simulate the distribution of flow field and airflow temperature of cooling tower which is set in the complex environment of buildings. By comparing the thermal characteristics

3、 of cooling tower under different working conditions, the technical measures that can make the cooling tower working effectively is given in this paper. The numerical results show that the CFD technology is an effective method for such problems.Keywords: cooling tower; wind environment; CFD1 引言冷却塔作为

4、空调系统的主要组成部分，如果它不能有效地发挥作用，将直接影响到整个空调系统的制冷效果和能耗。影响冷却塔有效工作的因素很多，其中冷却塔的布置是影响其热工特性的主要因素之一。文献1就冷却塔的布置对其热工特性的影响，包括冷却塔和周边建筑、冷却塔和冷却塔、成组冷却塔等的布置的相互影响做了系统地分析和实验研究。此外，冷却塔的布置不当，其热羽流不能有效地抬升、输运和扩散，不仅会组成湿热气流返混，同时也会影响周边环境的空气质量。文献2对冷却塔水温与军团病的滋生、繁殖做了分析，指出军团病菌主要是由冷却塔热羽流来传播，冷却塔湿热气流可散布在几百米的范围。事实上，冷却塔的布置必须考虑其所在的场所的气流环境，尤其是

5、广大的民用建筑空调系统，冷却塔工作的风环境是难以用简单的工程经验方法来分析的，因为它融入到了建筑或建筑群中，必须将冷却塔的热羽流和进风气流与建筑（群）的绕流一起考虑。而上述气流流态是复杂的、非线性的。目前，研究它们的方法主要有风洞实验和CFD（Computational Fluid Dynamics）模拟二种方法，前者由于实验周期长和费用高等因素的影响，应用面受到限制，大多是对一些重要工程的风环境做方案可行性的论证性实验；后者由其快捷、经济、可模拟复杂边界和多工况分析等特点，已广泛地被人们所应用。有关建筑风环境对冷却塔热工特性的影响，以及冷却塔热羽流对周边环境影响的研究还较为鲜见。本文采用CF

6、D模拟技术，对复杂建筑环境中布置的冷却塔的空气环境做了数值模拟。彭小勇，男，1961年12月生，副教授，地址：湖南省衡阳市南华大学建筑工程与资源环境学院邮编：421001，电话：（0734）8142669 ，E-mail：pengxiaoyong2 复杂建筑环境中布置的冷却塔风环境的CFD模拟2.1 工程概况和气象参数采用CFD技术模拟冷却塔气流特性的建筑物地处南方某沿海城市，该建筑物空调工程选用三台500RT的横流式冷却塔，冷却塔布置在屋顶的东南边缘区域，四周均有建筑围护结构，围护结构中下方开有进风百叶，建筑外观要求冷却塔不得高出周边围护结构。该城市夏季空调期间室外气象参数：湿球温度为28；

7、通风（干球）温度为305；大气压力为100550。 CFD方法和冷却塔运行工况（1）CFD方法数值模拟采用商业软件Fluent完成。数值模拟方法应用定常不可压缩Reynolds平均的Navier-Stokes方程和标准-湍流模型，物面边界条件为无滑移条件，冷却塔出风口给定气流速度和温度，回风口按出流条件设置；数值方法为有限体积法，对流项采用一阶迎风差分格式。（2）设计工况（见图1）由于受到建筑平面布局和建筑立面要求的限制，冷却塔不能按照技术规范的要求进行安装，冷却塔布置在凹槽中，进风口与墙间距过小，建筑墙面所开百叶窗面积不够，进风风量和进风均匀性均得不到保证，其热工特性受到外部环境的影响较大。

8、（3）改进工况（见图2）建议甲方和设计单位加大百叶窗面积。一是将百叶窗长度延长至整个墙面长，使各方格塔的进风均匀；其次是将百叶窗的高度加大，其高度大于冷却塔进风口的高度加上进风口距墙面的距离，且二者的中心线在同一标高，加大百叶窗叶片间的距离，以减小百叶窗的进风阻力和噪声，确保冷却塔进风量。为减少风向和风速变化对冷却塔运行的影响，在冷却塔出风筒上加装扩散筒（高出冷却塔周边墙顶一定距离），以利于冷却塔出风筒排出的湿热气流的扩散，抑制冷却塔风机的噪声对周边环境的影响。 冷却塔风环境CFD模拟结果和分析对设计工况和改进工况冷却塔风环境做了CFD模拟，模拟结果见图16。图中温度单位为开（）；图中流线及等

9、值线红色为高温，蓝色为低温。由图16可见，CFD技术能很好地模拟出复杂建筑环境中布置冷却塔的流线分布和温度分布，给出了涡流区的分布和气流流向规律，以及冷却塔的热羽流和冷却塔之间的复杂的气流流态。由图1、2可见，改进工况冷却塔热羽流的抬升较设计工况的要好；由图3、4可见，冷却塔的湿热气流在回旋气流区中循环，而且有一个较大的影响区；由图5、6可见，由于设计工况冷却塔的出风口低于周边围护结构，围护结构引起的分离流对出风口处的气流干扰较大，热气流的返混较大； 图1 设计工况热羽流流线图2 改进工况热羽流流线 图3 设计工况流线分布图图4 改进工况流线分布图图5 设计工况速度矢量图图6 改进工况速度矢量

10、图3 冷却塔热工特性分析（1）冷却塔气流温度CFD模拟结果和分析由图7、8给出了CFD模拟出的冷却塔周边气流的温度分布。可见，改进工况热气流抬升较设计工况要好，设计工况冷却塔进风口的温度大于改进工况，即其热气流的返混率较大。图7 设计工况温度等值线图图8 改进工况温度等值线图（2）冷却塔热工特性分析冷却塔进风口温度和湿度是影响其热工特性的主要因素，湿热气流的返混率也是衡量冷却塔运行质量的标准之一。由于实际湿热气流的返混率的计算过于复杂，本文采用以下近似公式计算。 （1）其中：返混率，；：通风（干球）温度，取305；：冷却塔出风温度，取310；：冷却塔进风温度，。对冷却塔按图1所示从左到右编为：

11、1#冷却塔、2#冷却塔和3#冷却塔。各个冷却塔的进风温度的数值计算结果和返混率的计算结果见表1。由表1可见，对于设计工况1#、2#冷却塔的进风温度和返混率明显大于3#冷却塔，这是由于1#、2#冷却塔处于涡流区中间区域，热羽流较易卷入涡流区所至；此外，改进工况的返混率明显小于设计工况，这说明改进工况所采用的技术措施是正确有效的。表1 冷却塔热工特性分析1#冷却塔2#冷却塔3#冷却塔进风口温度（）出风口温度（）返混率()进风口温度（）出风口温度（）返混率()进风口温度（）出风口温度（）返混率()设计工况31016306310203102改进工况3108310231024 结束语由于建筑（群）的绕流流态非常复杂，设置在建筑（群）中的冷却塔工作的风环境是难以用简单的工程经验方法来分析的，因为它融入到了建筑或建筑群中，必须将冷却塔的热羽流和进风气流与建筑（群）的绕流一起考虑。冷却塔的布置遵循建筑（群）绕流的气流规律，是可以避免或减轻建筑风环境对其热工特性的影响。 CFD技术是用来模拟复杂建筑环境中布置的冷却塔空气