CN103900783B - 一种大空间气流组织缩尺模型试验平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大空间气流组织缩尺模型试验平台，包括大空间缩尺模型、空气处理系统、热环境系统、空调冷源系统、数据采集与控制系统，空调冷源系统分别与空气处理系统、热环境系统连接用于向二者提供冷冻水，空气处理系统与大空间缩尺模型连接用于向大空间缩尺模型室内提供气流组织，热环境系统用于提供大空间缩尺模型室外的热环境，数据采集与控制系统安装在空气处理系统、热环境系统上用于采集大空间缩尺模型室内、室外环境的空气参数并进行控制。本发明基于相似性原理建立，可完成多种大空间建筑缩尺模型试验，应用范围广，使用灵活，试验过程直观，试验结果真实，为大空间建筑气流组织优化设计、研究提供试验和验证平台，在该领域为首创。

Description

一种大空间气流组织缩尺模型试验平台

技术领域

本发明涉及一种缩尺模型试验平台，尤其涉及一种大空间气流组织缩尺模型试验平台，属于暖通空调技术领域。

背景技术

气流组织是否合理对于空调房间的舒适性有着直接的影响，合理的气流组织能够避免房间内部局部过冷过热，减少吹风感，同时还能减少运行能耗。对于层高超过5m，体积超过10000m³的大空间建筑来说，由于其内部空间大，气流组织对室内热环境的影响更为明显，气流组织设计不合理，则会造成大空间室内明显的冷热不均，且运行能耗大大增加，因此，大空间气流组织优化设计至关重要，最佳的气流组织形式不仅可提高室内的热环境，而且可大大减少建筑的运行费用。

大空间建筑形式多样，不同形式的大空间建筑有其最佳的气流组织形式，但是，由于可采用的技术手段有限，优化设计大空间气流组织一直是设计人员面临的技术难题。目前，大空间气流组织优化设计最常用的方式就是CFD模拟，通过计算机模拟比较来确定最佳的气流组织形式，但是，计算机模拟结果受诸多因素的影响，比如物理模型搭建、边界条件设置等，常会导致模拟结果与实际效果不符，致使气流组织不尽完善；也有依靠设计人员的设计经验，经过简单计算设计气流组织，这样的设计效果更可能偏离实际效果，从而无法实现气流组织的最佳设计。

发明内容

本发明的目的是提供一种试验结果准确、可优化大空间气流组织设计、适应于不同类型和工况试验的大空间气流组织缩尺模型试验平台，可以为设计人员提供一个大空间气流组织研究和验证的试验平台，从而实现气流组织的最佳设计。

本发明的上述目的可以通过以下措施来实现，一种大空间气流组织缩尺模型试验平台，其特征在于：包括大空间缩尺模型、空气处理系统、热环境系统、空调冷源系统、数据采集与控制系统，所述空调冷源系统分别与所述空气处理系统、热环境系统连接用于向二者提供冷冻水，所述空气处理系统与大空间缩尺模型连接用于向大空间缩尺模型室内提供气流组织，所述热环境系统用于提供大空间缩尺模型室外的热环境，所述数据采集与控制系统安装在空气处理系统、热环境系统上用于采集大空间缩尺模型室内、室外环境的空气参数并进行控制。

本发明空气处理系统和热环境系统可实现对大空间缩尺模型室外环境参数的调节，以及大空间缩尺模型送风参数的调节，从而满足不同大空间建筑缩尺模型的试验要求，因此，本发明可以提供一个大空间气流组织研究和验证的试验平台，相对于CFD模拟技术，更加真实可信，更有利于优化设计大空间气流组织。另外，本发明通过调节可完成各种大空间建筑和工况的大空间建筑缩尺模型的试验，应用范围广泛，使用灵活。

本发明大空间缩尺模型按照弗劳德准则进行模型设计，根据相似性原理建立，包括几何相似、运动相似、动力相似和热源相似等，而大空间缩尺模型的尺寸则根据具体对象建筑的尺寸按一定比例缩小得到。几何相似是指大空间缩尺模型和大空间实物的流场几何形状相似，结构尺寸成一定比例缩小，确保室内空调送回风口、气流组织形式以及其它主要设备的尺寸和布局遵循几何相似；运动相似是指大空间缩尺模型与大空间实物中对应的运动参数如送风速度、回风速度方向一致大小成一定比例；动力相似是指大空间缩尺模型与大空间实物中对应点上受相同性质力的作用、力的方向相同，且各对应的同名力成一定比例，主要考虑重力和惯性力；热源相似是指大空间缩尺模型内的热源功率与大空间实物内对应的热源功率成一定比例，且热源形状满足几何相似。

作为本发明的一种实施方式，所述热环境系统主要由第一空气处理机组和送风箱、回风箱组成，所述第一空气处理机组与送风箱、回风箱通过风管连接，所述送风箱的其中一侧面是开孔的孔板，为送风孔板，通过该送风孔板正向大空间缩尺模型室外送风，所述回风箱的其中一侧面也是开孔的孔板，为回风孔板，大空间缩尺模型室外的空气通过该回风孔板回风。

本发明所述的第一空气处理机组主要由变频离心风机、表冷器和电加热器朝向送风方向依次排列组成，所述变频离心风机调节第一空气处理机组的送风量，所述电加热器和表冷器共同调节第一空气处理机组的送风温湿度，从而满足热环境系统的环境参数。

作为本发明的一种实施方式，所述空气处理系统主要由第二空气处理机组、送风静压箱、回风静压箱、混合静压箱和风阀组成，所述第二空气处理机组、送风静压箱、回风静压箱和混合静压箱通过风管顺次连接构成一循环回路，其中，所述送风静压箱、回风静压箱分别连通所述大空间缩尺模型，即二者通过大空间缩尺模型实现连接，所述送风静压箱具有与所述第二空气处理机组相连的进风口、与所述大空间缩尺模型连接的出风口，所述回风静压箱具有与所述大空间缩尺模型连接的进风口、用于向外界排风的排风口、与混合静压箱连接的出风口，所述回风静压箱具有用于从外界进风的进风口；所述风阀包括第一风阀、第二风阀、第三风阀及第四风阀，所述第一风阀设于所述送风静压箱的进风口，所述第二风阀设于所述回风静压箱的排风口，所述第三风阀设于所述回风静压箱的出风口，所述第四风阀设于所述混合静压箱的进风口。

本发明所述送风静压箱、回风静压箱和混合静压箱对空气处理系统起到稳压、降噪、增大静压、均匀分流和万能接头的作用，提高风系统的综合性能。

本发明所述的第二空气处理机组主要由表冷器、电加热器和变频离心风机朝向送风方向顺次排列组成，所述变频离心风机调节第二空气处理机组的送风量，所述电加热器和表冷器共同调节第二空气处理机组的送风温湿度，从而满足空气处理系统的送风参数。

作为本发明的一种实施方式，所述数据采集与控制系统包括第一取样装置、第一温湿度控制器、第二取样装置、第三取样装置、第二温湿度控制器、速度传感器、流量传感器、第一电动阀和第二电动阀，所述第一取样装置安装在外界环境中且靠近所述回风箱的回风孔板，所述第二取样装置安装在第二空气处理机组与送风静压箱之间的风管上用于采集送风温湿度参数，所述第三取样装置安装在所述回风静压箱和混合静压箱之间的风管上用于采集回风温湿度参数；所述速度传感器安装在第一空气处理机组和送风箱之间的风管上；所述流量传感器安装在第二空气处理机组和混合静压箱之间的风管上；第一电动阀、第二电动阀分别安装在第一空气处理机组和第二空气处理机组的出水管上；所述第一空气处理机组的变频离心风机根据速度传感器的速度信号调整风机频率，控制送风箱的送风量，所述第二空气处理机组的变频离心风机根据流量传感器的流量信号调整变频离心风机的频率，控制送风静压箱的送风量；所述第一温湿度控制器分别连接第一取样装置、第一空气处理机组的电加热器和第一电动阀以控制送风箱的送风温湿度，所述第二温湿度控制器分别连接第二取样装置、第三取样装置、第二空气处理机组的电加热器和第二电动阀以控制送风静压箱的送风温湿度。

作为本发明的一种改进，所述第二空气处理机组和混合静压箱之间的风管至少为两个，相应地，所述流量传感器至少为两个且最大流量不同，分设在不同的风管上，以适应于不同大小及不同风量要求的大空间缩尺模型。

作为本发明的一种优选实施方式，所述送风静压箱和回风静压箱均为吊顶布置，所述送风静压箱和回风静压箱分别通过多根软风管与所述大空间缩尺模型内连通；所述送风箱和回风箱均为静压箱式，紧贴墙面布置。

本发明所述空调冷源系统的制冷机组采用风冷冷水机组。

作为本发明的一种推荐实施方式，所述大空间缩尺模型中的主要模拟热源是人员、灯具、设备、墙体、门窗和幕墙，人员、灯具、设备均采用电子元件进行模拟，墙体通过大空间缩尺模型与室外环境的传热进行模拟，门窗和幕墙采用电加热丝网进行模拟。

本发明所述第一风阀、第二风阀、第三风阀及第四风阀为电动或手动风阀，通过第一风阀开，第二风阀开、第三风阀关、第四风阀开完成示踪法试验或者通过第一风阀开，第二风阀关、第三风阀开、第四风阀关完成温度场试验；所述大空间缩尺模型采用透明材料制作。使整个试验过程更加直观，更有利于观察和优化设计气流组织。

与现有技术相比，本发明具有如下显著的效果：

⑴本发明可以提供一个大空间气流组织研究和验证的试验平台，相对于CFD模拟技术，更加真实可信，更有利于优化设计大空间气流组织，实现气流组织的最佳设计。

⑵本发明可根据试验需求调节大空间建筑缩尺模型主试验间的内外环境参数和送回风参数，实现大空间缩尺模型在不同室内外环境下的气流组织研究和验证。

⑶本发明大空间缩尺模型采用透明结构，如：有机玻璃，使整个试验过程更加直观，更有利于观察和优化设计气流组织。

⑷本发明通过调节可完成各种大空间建筑和工况的大空间建筑缩尺模型的试验，应用范围广泛，使用灵活。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对发明作进一步的详细说明。

图1是本发明组成系统图；

图2是本发明的布置平面图（显示各组成设备设置的区域）；

图3是沿图2中A-A线剖面图。

具体实施方式

如图1～3所示，是本发明一种大空间气流组织缩尺模型试验平台，包括大空间缩尺模型1、空气处理系统、热环境系统、空调冷源系统7、数据采集与控制系统，大空间缩尺模型1采用有机玻璃制作，大空间缩尺模型中的主要模拟热源是人员、灯具、设备、墙体、门窗和幕墙，人员、灯具、设备均采用电子元件进行模拟，墙体通过大空间缩尺模型与室外环境的传热进行模拟，门窗和幕墙采用电加热丝网进行模拟。空调冷源系统7分别与空气处理系统、热环境系统连接用于向二者提供冷冻水，空调冷源系统7的制冷机组采用风冷冷水机组。空气处理系统与大空间缩尺模型连接用于向大空间缩尺模型室内提供气流组织，热环境系统用于提供大空间缩尺模型室外的热环境，数据采集与控制系统安装在空气处理系统、热环境系统上用于采集大空间缩尺模型室内、室外环境的空气参数并进行控制，且通过调节该空气参数以适应于不同类型和工况的试验。

热环境系统主要由第一空气处理机组5、送风箱22和回风箱33组成，第一空气处理机组5与送风箱22、回风箱33通过风管连接，送风箱22和回风箱33均为静压箱式，紧贴墙面布置。送风箱22的其中一侧面是开孔的孔板，通过该孔板向大空间缩尺模型室外均匀送风，所述回风箱33的其中一侧面也是开孔的孔板，大空间缩尺模型室外的空气通过该孔板均匀回风，从而创造稳定、均匀的室外环境。第一空气处理机组5主要由变频离心风机24、表冷器27和电加热器25朝向送风方向依次排列组成，电加热器25采用可调功率电加热，变频离心风机24调节第一空气处理机组5的送风量，电加热器25和表冷器27共同调节第一空气处理机组5的送风温湿度，从而满足热环境系统的环境参数。

空气处理系统主要由第二空气处理机组6、送风静压箱2、回风静压箱3、混合静压箱4和风阀组成，第二空气处理机组6、送风静压箱2、回风静压箱3和混合静压箱4通过风管顺次连接构成一循环回路，其中，送风静压箱2、回风静压箱3分别连通大空间缩尺模型1，即二者通过大空间缩尺模型1实现连接，在本实施例中，送风静压箱2和回风静压箱3均为吊顶布置，送风静压箱2和回风静压箱3分别通过多根软风管与大空间缩尺模型内连通，软风管尺寸和规格多样，可根据不同的缩尺模型的需求选择，实现不同的气流组织，满足多工况试验的需要，为设计最佳气流组织创造条件。送风静压箱2具有与第二空气处理机组6相连的进风口、与大空间缩尺模型1连接的出风口，回风静压箱3具有与大空间缩尺模型1连接的进风口、用于向外界排风的排风口、与混合静压箱4连接的出风口，混合静压箱4具有用于从外界进风的进风口；风阀包括第一风阀12、第二风阀13、第三风阀14及第四风阀15，且为电动或手动风阀。第一风阀12设于送风静压箱2的进风口，第二风阀13设于回风静压箱3的排风口，第三风阀14设于回风静压箱3的回风口，通过调节第二风阀13、第三风阀14可以调节回风静压箱的回风量和排风量，第四风阀15设于混合静压箱4的进风口，通过调节第四风阀15，可以调节混合静压箱4的新风量。送风静压箱、回风静压箱和混合静压箱对空气处理系统起到稳压、降噪、增大静压、均匀分流和万能接头的作用，提高风系统的综合性能。

第二空气处理机组6主要由表冷器28、电加热器26和变频离心风机23朝向送风方向顺次排列组成，变频离心风机23调节第二空气处理机组6的送风量，电加热器26和表冷器28共同调节第二空气处理机组6的送风温湿度，从而满足空气处理系统的送风参数。

数据采集与控制系统包括第一取样装置8、第一温湿度控制器19、第二取样装置9、第三取样装置10、第二温湿度控制器18、速度传感器11、流量传感器、第一电动阀20和第二电动阀21，流量传感器为两个，分别为第一流量传感器16、第二流量传感器17，第一流量传感器16的最大流量为500m³/h，第二流量传感器17的最大流量是50m³/h，可根据大空间缩尺模型1的大小及不同风量要求情况进行选用。第二空气处理机组6和混合静压箱4之间的风管为两个，第一流量传感器16、第二流量传感器17分别安装在两个风管上用于采集该风管的空气流速。第一取样装置8安装在外界环境中且靠近回风箱33的回风孔板，第二取样装置9安装在第二空气处理机组6与送风静压箱2之间的风管上，第三取样装置10安装在回风静压箱3和混合静压箱4之间的风管上。速度传感器11安装在第一空气处理机组5和送风箱22之间的风管上用于采集该风管的空气流速；第一电动阀20、第二电动阀21分别安装在第一空气处理机组5和第二空气处理机组6的出水管上，用于调节向第一空气处理机组5和第二空气处理机组6的冷冻水供水流量；第一空气处理机组5的变频离心风机24根据速度传感器11的速度信号调整风机频率，控制送风箱22的送风量，第二空气处理机组6的变频离心风机23根据第一流量传感器20或第二流量传感器21的流量信号调整变频离心风机23的频率，控制送风静压箱的送风量。第一温湿度控制器19分别连接第一取样装置8、第一空气处理机组5的电加热器25和第一电动阀20，第一取样装置8采集大空间缩尺模型1室外环境空气的温湿度参数，然后传输给温湿度控制器19，以控制第一空气处理机组5的电加热器25的功率和第一电动阀20开度，进而控制送风箱22的送风温湿度，最终保证大空间缩尺模型1室外环境。第二温湿度控制器分别连接第二取样装置9、第三取样装置10、第二空气处理机组6的电加热器26和第一电动阀21，第二取样装置9和第三取样装置10分别采集送、回风温湿度参数，然后传输给温湿度控制器18，以控制第二空气处理机组6的电加热器26的功率和第二电动阀21开度，进而控制送风静压箱2的送风温湿度，最终保证大空间缩尺模型1室内环境。

本发明还包括操作间31，用于实现对试验平台的操作控制，还设有辅助设备间32。第一、第二、第三、第四风阀12、13、14、15采用电动或手动调节开度，并可以通过调节风阀的开关完成示踪法试验和温度场试验。如图1所示，示踪法试验（研究速度场）时，第一风阀12开，第二风阀13开、第三风阀14关、第四风阀15开，此试验过程中均为全新风运行，没有回风；温度场试验（研究温度场）时，第一风阀12开，第二风阀13关、第三风阀14开、第四风阀15关，此试验过程中没有新风，内循环运行。

本实施例中，依据相似原理，建立与原型相似的缩小了尺度的模型进行试验研究，并根据试验结果换算到原型，以预测原型将会发生的现象，其中模型律的选择和模型设计至关重要。

首先，针对具体大空间建筑，明确对流动起主导的作用力为重力和惯性力，从而按弗劳德准则进行模型设计（即正确选择模型律），然后根据几何相似原理，合理地选择几何比尺，建立大空间建筑缩尺模型的基本模型，得出模型的几何边界，再根据选择的模型律，确定其他相关的模型比尺，如：流速比尺和作用力比尺（即运动相似和动力相似），最后根据热源相似原理，创建大空间建筑缩尺模型内部相应的冷热源，而大空间建筑缩尺模型创建时最主要是内部热源的模拟，将大空间建筑内部热源主要归类为人员、灯具、设备、墙体和屋顶、门窗和幕墙等几部分，大空间建筑缩尺模型内部热源的模拟方法如下所述：

人员：发热量按100～200W计算，对应模拟发热量根据缩尺比例确定，由电子元件模拟。

灯具：每组按100～1000W计算，对应模拟发热量根据缩尺比例确定，由电子元件模拟。

设备：功率≥100W且较多的设备，由电子元件模拟，10KW以上特大功率设备，由电子元件或加热电阻丝模拟。

墙体、屋顶：通过缩尺模型与环境的传热进行模拟，单位面积传热量与实际传热量一致。

门窗、幕墙：采用电加热丝网模拟，原型功率约为100～1000W/m²，对应模拟功率0.01～0.1W/cm²。

本发明的实施方式不限于此，根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，本发明大空间缩尺模型也可以采用其它透明材料制作；第二空气处理机组和混合静压箱之间的风管至少为两个，相应地，流量传感器至少为两个且最大流量不同，分设在不同的风管上，以适应于不同大小及不同风量要求的大空间缩尺模型。因此，本发明还可以做出其它多种形式的修改、替换或变更，均落在本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.一种大空间气流组织缩尺模型试验平台，其特征在于：包括大空间缩尺模型、空气处理系统、热环境系统、空调冷源系统、数据采集与控制系统，所述空调冷源系统分别与所述空气处理系统、热环境系统连接用于向二者提供冷冻水，所述空气处理系统与大空间缩尺模型连接用于向大空间缩尺模型室内提供气流组织，所述热环境系统用于提供大空间缩尺模型室外的热环境，所述数据采集与控制系统安装在空气处理系统、热环境系统上用于采集大空间缩尺模型室内、室外环境的空气参数并进行控制。

2.根据权利要求1所述的大空间气流组织缩尺模型试验平台，其特征在于：所述热环境系统主要由第一空气处理机组和送风箱、回风箱组成，所述第一空气处理机组与送风箱、回风箱通过风管连接，所述送风箱的其中一侧面是开孔的孔板，为送风孔板，通过该送风孔板向大空间缩尺模型室外送风，所述回风箱的其中一侧面也是开孔的孔板，为回风孔板，大空间缩尺模型室外的空气通过该回风孔板回风。

3.根据权利要求2所述的大空间气流组织缩尺模型试验平台，其特征在于：所述第一空气处理机组主要由变频离心风机、表冷器和电加热器朝向送风方向依次排列组成，所述变频离心风机调节第一空气处理机组的送风量，所述电加热器和表冷器共同调节第一空气处理机组的送风温湿度。

4.根据权利要求3所述的大空间气流组织缩尺模型试验平台，其特征在于：所述空气处理系统主要由第二空气处理机组、送风静压箱、回风静压箱、混合静压箱和风阀组成，所述第二空气处理机组、送风静压箱、回风静压箱和混合静压箱通过风管顺次连接构成一循环回路，其中，所述送风静压箱、回风静压箱分别连通所述大空间缩尺模型，即二者通过大空间缩尺模型实现连接，所述送风静压箱具有与所述第二空气处理机组相连的进风口、与所述大空间缩尺模型连接的出风口，所述回风静压箱具有与所述大空间缩尺模型连接的进风口、用于向外界排风的排风口、与混合静压箱连接的出风口，所述混合静压箱具有用于从外界进风的进风口；所述风阀包括第一风阀、第二风阀、第三风阀及第四风阀，所述第一风阀设于所述送风静压箱的进风口，所述第二风阀设于所述回风静压箱的排风口，所述第三风阀设于所述回风静压箱的出风口，所述第四风阀设于所述混合静压箱的进风口。

5.根据权利要求4所述的大空间气流组织缩尺模型试验平台，其特征在于：所述第二空气处理机组主要由表冷器、电加热器和变频离心风机朝向送风方向顺次排列组成，所述变频离心风机调节第二空气处理机组的送风量，所述电加热器和表冷器共同调节第二空气处理机组的送风温湿度。

6.根据权利要求5所述的大空间气流组织缩尺模型试验平台，其特征在于：所述数据采集与控制系统包括第一取样装置、第一温湿度控制器、第二取样装置、第三取样装置、第二温湿度控制器、速度传感器、流量传感器、第一电动阀和第二电动阀，所述第一取样装置安装在外界环境中且靠近所述回风箱的回风孔板，所述第二取样装置安装在第二空气处理机组与送风静压箱之间的风管上用于采集送风温湿度参数，所述第三取样装置安装在所述回风静压箱和混合静压箱之间的风管上用于采集回风温湿度参数；所述速度传感器安装在第一空气处理机组和送风箱之间的风管上；所述流量传感器安装在第二空气处理机组和混合静压箱之间的风管上；第一电动阀、第二电动阀分别安装在第一空气处理机组和第二空气处理机组的出水管上；所述第一空气处理机组的变频离心风机根据速度传感器的速度信号调整风机频率，控制送风箱的送风量，所述第二空气处理机组的变频离心风机根据流量传感器的流量信号调整变频离心风机的频率，控制送风静压箱的送风量；所述第一温湿度控制器分别连接第一取样装置、第一空气处理机组的电加热器和第一电动阀以控制送风箱的送风温湿度，所述第二温湿度控制器分别连接第二取样装置、第三取样装置、第二空气处理机组的电加热器和第二电动阀以控制送风静压箱的送风温湿度。

7.根据权利要求6所述的大空间气流组织缩尺模型试验平台，其特征在于：所述送风静压箱和回风静压箱均为吊顶布置，所述送风静压箱和回风静压箱分别通过多根软风管与所述大空间缩尺模型内连通；所述送风箱和回风箱均为静压箱式，紧贴墙面布置。

8.根据权利要求7所述的大空间气流组织缩尺模型试验平台，其特征在于：所述第二空气处理机组和混合静压箱之间的风管至少为两个，相应地，所述流量传感器至少为两个且最大流量不同，分设在不同的风管上，以适应于不同大小及不同风量要求的大空间缩尺模型；所述空调冷源系统的制冷机组采用风冷冷水机组。

9.根据权利要求1～8任一项所述的大空间气流组织缩尺模型试验平台，其特征在于：所述大空间缩尺模型中的模拟热源主要是人员、设备、墙体、门窗和幕墙，人员和设备均采用电子元件进行模拟，墙体通过大空间缩尺模型与室外环境的传热进行模拟，门窗和幕墙采用电加热丝网进行模拟。

10.根据权利要求8所述的大空间气流组织缩尺模型试验平台，其特征在于：所述第一风阀、第二风阀、第三风阀及第四风阀为电动或手动风阀，通过第一风阀开，第二风阀开、第三风阀关、第四风阀开完成示踪法试验，或者通过第一风阀开，第二风阀关、第三风阀开、第四风阀关完成温度场试验；所述大空间缩尺模型采用透明材料制作。