FabricAirDispersion Systems室内游泳池空气分布系统的设计
发布时间：2013-05-17 09:45:51 点击：
本设计采用了一种用于室内游泳池的高效空气分布系统，该系统设计基于计算流体动力学(CFD)并采用了纤维织物通风空气分布器系统。
计算流体力学业的运用突出了设计这样一种高效空气分布系统的困难性：该系统除了能保证给人们提供舒适的室内环境外，还要求使得暴露在外的墙壁和玻璃远离水 蒸汽的侵蚀。
本设计主要着眼于： ◆保证使用空间的舒适度采用有规划的终端气流速度◆如何清除暴露表面上吸附的水蒸汽
计算流体动力学模拟基于纤维织物空气分布器的空气分布系统，该系统复杂的设计主要着眼于以下方面： ◆喷嘴设计◆纤维织物设计◆空气分布器空气夹带◆可控的空气流 本文提供了以下实际图表用于支持本文的设计： ◆空气流通速度（AV）◆温度的空间梯度变化（TG）◆再流通区域(RC)设计概要： 室内游泳池通常采用了大量的玻璃结构而不是普通的墙壁。在建筑上采用的建筑物外围，尤其是提供景观效果的外围，在室内游泳池的设计中通常是采用广阔的玻璃 幕墙用来加强用户的印象并提供了一种在开放环境中游泳的感受。实际上正是建筑物的外围及其空调系统将室内环境和室外环境隔离开来的。
在严冬时节，尤其在美国北部，这种结构的使用除了要求可靠的空调系统和除湿设备之外，还对空气分布系统提出了更高的要求，空气分布系统必须能够在特定范围 内，以特定的终端气流速度提供特定量的空气，从而防止冬季湿气在表面形成低于露点温度的露珠。
为此我们划分了五个范围独立的区域，每个区域都有自己的特定的气流要求和解决方案，这五个区域分别是：
1、外部窗户区域该区域需要精心考虑，使其确保空气能正确地扫过玻璃表面从而去除冬季可能凝结的水汽。气流垂直地在玻璃区域向下运动，同时也能以特定的速 度通过地板最后到达主游泳池的边界。
2、外部墙壁区域墙壁表面的气流必须能够去除在冬季可能凝结在上面的湿气。
3、内部墙壁区域不应该将此区域视为垂直区域，而应该把它当作地板区域，需要充分考虑到为人们提供舒适环境的重要性。
4、内部墙壁区域该区域由于没有被占用且墙面温度几乎没有变化，因此不需要特别的注意。
5、天花板/天窗区域与区域A相似，这里有大量的玻璃表面需要持续不断的气流扫除湿气。
空气分布 为了迎合以上提到的这样一个变化的并具有特定需求的空气流通要求，我们选择了纤维织物空气分布器空气分布系统。通常这样的一个系统要求使用低渗透性纤维织物，采用大容量，高速、中速的空气分布设备，具备定向喷嘴和线性通风口，安装在管壁中从而确保与CFD计算模拟的设计准则一致。
低渗透性纤维织物的采用主要是为了满足这两条重要的设计要求： （a）低渗透性可以保证整个空气分布系统能够将大部分的空气用于喷嘴和线性通风口的空气流通，而不是将低渗透性用于空气分布器控制的空气泄漏。（b）通过 纤维空气分布器墙壁泄漏的空气可以有效避免水汽冷却时在空气分布器表面上凝结。纤维织物空气分布系统的最佳设计实践是在整个空气分布器内部保持一个恒定的 静态压力。由于纤维织物的泄漏率直接取决于空气分布器内外的气压差，因此恒定的气压，例如采用高压型空气分布器可以保证在纤维织物空气分布器中产生均匀的气流（cfm/ft2）。在那些需要提供大量空气的区域中，还可以使用定向喷嘴和线性通风槽对气流进行加压。目前采用纤维织物空气分布器的游泳池设计将纤 维织物空气分布器组成了一个连续的回路，通常该回路按照空间形状进行延伸以便加强垂直面上的空气流通速度。基本系统需要向分布空气分布器提供总体积为 22500cfm的经过温度和湿度调节的空气（每小时+/-4.0体积单位空气变化）。我们只在一个冬季周期内观测了该空气分布系统，没有附带夏天的模 拟。因为我们相信该系统在寒冷的最需要保证空气流通的冬季经过了最严峻的考验，也一定能应付夏天的情况。
计算流体设计 我们使用了各种类型的CFD计算程序，将先前的经验知识与现代计算机强大的迭代能力相结合。通过增强的数据图片，计算机为设计者们提供了强大的预测工具。 通常情况下，采用14.0GHZ处理器的计算机模拟一个单独的空气流通区域需要的计算量大约为3,000到30,000次。◆软件：Fluent 6.1 Steady-state◆数值表：Segregated solver◆网格数目：230,000◆网格类型：四元铺砌网格◆湍流模型：标准（k-e）模型CFD预测通常需要定量和定性的实地测量用于比较和证明 计算结果的有效性。然而在此案例中不能提供这样的实地测量数据，因为整个建筑及其设计是虚构的。使用CFD的基本目的是想了解整体的空气分布模式以及在关 键区域的空气流状况，因此本文中没有涉及去除湿气的相关问题，而是竭力展示需要进行空气除湿的区域，从而避免在建筑物外表面可能产生的水蒸汽凝结。
游泳池空间设计数据和设计准则： ◆空间温度和相对湿度：80 o F/60%RH◆游泳池水温：70 o F◆环境温度：25 o F◆无空气流通时外部玻璃窗和墙面的内部期望温度：50 o F◆80F/%60RH情况下的表面露点温度：65 o F◆进行空气流通后的期望表面温度：75 o F◆玻璃区域的气流速度：3-5cfm/ft2◆使用区域（C）的空气速度：25fpm◆外窗结构：双层玻璃◆天窗结构：双层玻璃◆外窗结构：砖头混泥土 结构，内部隔离◆天花板结构：光滑石膏 空气分布器设计数据和设计准则 ◆纤维织物渗透性：1.8cfm/ft2@0.5英寸WG◆空气分布器尺寸：直径38英寸◆总体空气容量： 22500cfm◆1/2循环空气容量：11250cfm◆空气分布器入口速度：1450pfm◆空气分布器静压：0.4英寸WG◆纤维墙壁出口速 度：2.0 fpm@0.4英寸WG◆线性通风槽出口速度：295 fpm@0.4英寸WG◆喷嘴出口速度：2200 fpm@0.4英寸WG◆纤维墙壁空气容量：8800 fpm@0.4英寸WG◆线性通风槽总空气容量：11500 fpm@0.4英寸WG◆喷嘴总空气容量：2200 fpm@0.4英寸WG◆供应的空气温度：900F线性通风槽由高空气扩散率的网状材质构成，其空气流通速度大约为3400cfm/ft2，取决于空气分 布器的静态压力。空气定向喷嘴通过其动力喷喉能够产生长距离的定向气流，并能提供大约7cfm的流量，这取决于空气分布器的静态压力。 区域空气分布装置： 区域A◆单排线性通风槽，150度倾角，长165英尺，宽1.0英寸。3872cfm区域B◆单排线性通风槽，150度倾角，长80英尺，宽1.0英寸。 1877cfm区域C◆单排线行通风槽，150度倾角，长165英尺，宽1.0英寸。3872cfm区域D◆单排线性通风槽，150度倾角，长80英尺， 宽1.0英寸。1877cfm区域E◆300个空气定向喷嘴，簇状分布用于清扫天窗。空气喷扫倾角为300度（上午10点）单独区域设计 Zone(A)一排连续的线性通风槽延伸至纤维织物墙壁，能够提供覆盖整个玻璃窗/建筑外围长度（165ft）的空调风。它们的主要功能是喷扫玻璃窗和墙 的内表面，去除可能在低表面露点温度情况下凝结的水汽。形成的气流如同一条窄窄的空气帘幕，大约18英寸宽，平均核心速度约为60fpm。气流经过的玻璃 窗之后，改变方向穿过游泳池池面并继续从水平方向以更大的散射路径吹向游泳池岸边。线性通风槽以150度倾角（5点位置）安装在管墙上，产生的总流通量为 3872cfm。线性槽的安装角度是经过精心挑选的以产生（a）有效的墙面喷扫效应（柯安达效应），（b）防止气流导入喷嘴产生的出口，（c）防止气流在 墙面上产生散开的空气模式导致无效的空气喷扫。观察CFD产生的空气流通速度和温度梯度模拟图以及再循环区域，我们可以看到以下现 象。
空气流通速度（AV）空气流通速度的最低值为10fpm，流通范围不超过离墙面3ft，空气在墙面/窗户表面上的流通速度为50fpm。使用区域（OZ） （FFL之上6ft）中的空气流通速度在50到5fpm之间。空气流通速度总体上在靠近地板的地方较使用区域的靠上部分（OZ）要快，约在5到40fpm 之间。线性槽产生的气流以40fpm的速度靠近泳池区（地面速度），在游泳池中心将至5fpm，穿过泳池表面后又加速到49fpm。
温度梯度（TG）玻璃窗的高度范围内（15ft）具有较温暖的85 oF带状温度区。使用区域的温度在83和84oF之间，靠近泳池边的地方有少量具有82oF的区域。 再流通域两个不同的再流通域是由空气分布系统产生，在约10ft处。FFL的上面有一个中心域，均匀分布在整个池子空间上。呈现的是所有空间都有气流。我 们结合对空气速度，温度梯度和再流通域的模拟，说明了空气域方向转向于接近池边缘，而在这个边缘清楚显示出了低温和低速区域。 B域在这个区域，为了保证足够的空气流向外部墙壁，一个连续的线性通风槽被安置在180度处（上午6点），虽然实际上这个槽孔并不瞄准那个墙壁，但由于科 安达效应，一般气流紧贴着墙壁，在这里，我们再次看到，正是这股相当窄的气流将其将自身的相对高速限制在一个有限的气流束宽度内。通过CFD产生的空气速 度，温度梯度和再循环域的模拟。 空气速度（AV）：气流以45rpm的速率流向墙壁时，占用了中速区一个较窄的带宽，然而在离墙壁只有3英尺的地方，气体以5ftm的低速移动。越过地面 时，气体从B区域以40-20fpm的层流速度流向挡风格窗（挡风窗在墙高的中部），其实际速度取决于高出FFL的量。在挡风窗的作用下，速度直接降到 5fpm。
温度梯度（TG）：外部墙全部处在86oF的热空气中，通常，在墙壁上部附近有90oF的更高温度出现。在82oF的区域里，当一般的温度在OZ线的时 候，有一个相对冷的区域。在77oF的挡风格窗的直接作用下，舌形空气在85oF的时候到达那个地板。
再循环域（RZ）：在有返回空气格子窗的直接作用下，少量空气运动的区域能够被看见，这和低温和前面说明的空气速度是一致的。大部分区域的少数空气运动一 般出现在这个空间里，在FFL位于10ft到15ft，这再次很好地验证了出现在空气速度模拟中的这种低速情况。
C域这个位于主建筑之间的内墙区域，保持着普通室内温度和水池空间的情况，那里要求当空气沉降达最小量时没有气流掠过。出于这个考虑，我们视之为一个水平 区域，在那里，OZ中的空气流通速度，使在这里休息的人们觉到舒服。我们再看线性通风槽的一条简单的连续的线在顶上的输送管的，它充分维护了输送管下面的 大约20英尺的范围。这个通风槽经由这个区域的全长，它位于180度处（上午6点），提供3872cfm。
空气速度（AV）这个通风槽在180度处（上午6点），并且展示出典型的墙壁紧贴的特征。在OZ上方，较小斑点高速（75fpm）终止在墙壁上约4ft 处。 温度梯度平均83F的温度在这个区域出现。
再循环域在这个区域，空气流通好，也有很好的低而大的不可预测的空气出现在墙壁和地板之间的角落里。 D域（不测试） E域因为天窗离纤维织物空气分布器（40ft）相当远，就决定了在线性通风槽的地方使用空气控制器的喷嘴，因为喷嘴可以产生比通风槽更长 些、更强烈的气流。这些通风槽被安置在纤维织物墙上300度（上午10点）的位置，而且成群扎在纤维织物管外，向天窗（均匀分布在游泳池的四周）的每一个 单独部分产生明确的气流，这些气流，在离开喷嘴时以2200的速度在纤维织物管墙壁附近设置了一个被限制的低压区域，导致所有的空气从纤维中渗出，但也会 导致试图让空气从放在低于150度（上午5点）的线性槽中离开。喷嘴中的空气流粘在高喷嘴出口大约2ft的光滑的顶部，持续的以一种固定的模式沿着顶部流 动，因为可以以70pfm的速度从那里进入天窗的较低的部位。利用CFD模拟产生的空气速度和温度梯度以及再流通域。
空气速度（AV）：空气以75fpm的速度进入天窗较低的部位然后在向上部前进时，速度慢慢减小至45fpm，最后，以5fpm的最后速度通过C区的纤维 织物管，气流最后在3ft处消失。
温度梯度（TG）：天窗下气流的一般温度是82F。 再循环域（RZ）：气流等高线靠近并且有规律，显示出这个区域上方的气流的集中和有规律性。因为（A）区和（C）区的这两种空气分布装置相近，所以他们共 用一根空气分布器，这展示了一个有趣的问题，因此，在利用CFD模拟时，特别地突出了它在数值上，喷管的出口速度是线形通风槽的出口速度的7.5倍左右， 其高达295至2200。如果通风槽处在180度（上午6点），周向到喷嘴的距离仅仅是39英寸。这导致所有通风槽空气被推进喷嘴，在A区，在除掉湿气的 总损失下，留下没有气流掠过的光滑区域。结合喷嘴的高诱导率，另外，这个喷嘴有一个低泄露率（1.8cfm/ft2@0.5lnchWG），低的纤维出口 速度（2fpm）有可能形成通风槽的短路。 有两种方法来解决这个问题：（a）通过把线形通风槽的位置从180度调到150度，这样整个被限制在纤维织物空气分布器的空气装配系统乇底地改变了。这两个出口区域，周向49英寸分开；在这个距离里，25%的增量已经有效得分开气流，他们扮演两种明显不同的流动部分。（b）通过把纤维织物空气分 布器墙壁的泄露率从1.8cfm/ft2到54cfm/ft2，这将使纤维出口速度从2fpm增加到60fpm，效率提高了3000%。在这空气分布器周 围的这个局部区域，拓展成为一个圆周样式群。从纤维织物空气分布器墙壁到外部有12的缓冲区域，通过在纤维织物空气分布器墙壁以高达60fpm的速度发 射，并且同时在喷嘴气流和通风槽气流起作用，而不是给予喷嘴足够的气流并且以2.0fpm的速率来阻止了通风槽气流，另外，在空气分布器最高处和外表壁面 的拐角处，空气分布器壁面的过量的空气，由纤维织物空气分布器本身捕获，当气流沿着光滑的区域速度竖直下降和水平流向天花板时，其获得一个高速度。这两个 高速度的气流，在喷嘴和通风槽中主要空气共同发生作用。空气的短路表现在线性微通道位置180度（6:00），将导致区域A中空气速度的显著的不同，如同 区域B中随即同时发生的一样。在光滑区域中，实际上，空气速度不会降到5fpm，这样的速度有效地排除任何掠过行为。同时也注意到相对核心高速 （50fpm左右）的空气流向区域B，导致了在游泳池地板上大面积的AV交叉，相应的结果TG表明了一个宽阔的温度区域，大约6英寸宽，温度为75oF， 这里先前的气流核心温度为86oF。 结论当观察了各种空气速度和温度梯度的情况后，把温暖的干燥的空气放在那些最需要用他们的地方，事实上，没有留下热的空气层的形成在屋顶下。热空气 （90oF）的局部循环区域清晰显示被限制在管附近的空气以一个稳定的速率被消除，当通过纤维网的时候。然而，这种热空气很少有成层的机会因为高速度的、 来自通风槽和喷嘴处的气流带走所有的空气，然后，运动到指定的区域。游泳池空间内主要部分和次要部分的气流的温度在82oF和85oF之间变化，留下仅仅 少量的冷微通道，大多数没有也不需要占用风冷。对于一般的水池空间建筑，空间结构以及玻璃窗的位置，环形上的位置，以及纤维织物空气分布器空气扩散装置的 选择，这些并不能随意的决定。各种模拟清楚的显示，良好的区分，确定通风槽的位置，必须按照要求成功地通过空气分布系统，将不能任意的运输所要求的空气。 脱离实际领域测量的任何CFD计算，仅仅能够表现一种意图和预测。精确的空气流量，速度，气流模式，以及本文提及的其他一些因素，也只是一些近似的特征。 CFD和纤维织物空气分布系统是相对较新的现象，并且本文的目的是把理论和实践结合起来。一定量的实际经验则是本文的基础部分。
