室內(nèi)障礙物對嵌入式空調(diào)氣流組織的影響

連之偉，戚大海，劉蔚巍，宋金良

(1. 中原工學(xué)院 能源與環(huán)境學(xué)院，河南 鄭州，450007；2. 上海交通大學(xué) 機(jī)械與動力工程學(xué)院，上海，200240；3. 中南大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙，410075)

嵌入式空調(diào)室內(nèi)機(jī)具有外形美觀、大方、不占用室內(nèi)有效面積等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于寫字樓、商場、別墅等。由于室內(nèi)一般布置有家具、隔板等，往往會改變嵌入式空調(diào)氣流組織分布情況，從而影響空調(diào)的熱舒適性與能耗，因此，有必要研究室內(nèi)障礙物對嵌入式空調(diào)氣流組織的影響。目前，國內(nèi)外對空調(diào)氣流組織方面的研究雖然很多[1-9]，但大都針對集中式空調(diào)系統(tǒng)，對分體式特別是嵌入式空調(diào)器室內(nèi)氣流組織的研究不多[3,6-9]。在對嵌入式空調(diào)器室內(nèi)氣流組織的少數(shù)研究者中，周燕蕊等[7]研究了嵌入式空調(diào)不同送風(fēng)參數(shù)對房間速度場和溫度場的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：送風(fēng)角度對室內(nèi)氣流場及溫度場有較大影響，而送風(fēng)速度的影響并不明顯；存在短路現(xiàn)象，該現(xiàn)象隨送風(fēng)角度的增大而嚴(yán)重，當(dāng)送風(fēng)角度大時，溫度場較均勻，而當(dāng)送風(fēng)角度較小時，速度場較均勻，能量利用率也較高。Noh等[8]研究了嵌入式空調(diào)送風(fēng)速度對通風(fēng)性能的影響，認(rèn)為在評價通風(fēng)性能時，若工作區(qū)有污染源，需要同時考慮平均空氣齡和滯留時間，室內(nèi)風(fēng)速的增加有益于通風(fēng)性能的提高。Noh等[9]采用數(shù)值模擬與實驗的方法研究裝有嵌入式空調(diào)系統(tǒng)的教室氣流組織，考察送風(fēng)角度、送風(fēng)量、通風(fēng)效率與熱舒適性、室內(nèi)空氣品質(zhì)之間的關(guān)系，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：隨著送風(fēng)角度的增加，熱舒適性降低，但室內(nèi)空氣品質(zhì)并沒有顯著降低；送風(fēng)量對熱舒適和室內(nèi)空氣品質(zhì)無明顯影響；隨著通風(fēng)效率的提高，熱舒適性也提高。本文作者設(shè)計4種不同障礙物的布局，結(jié)合實驗與數(shù)值模擬，采用整體及區(qū)域分析法，分析障礙物對嵌入式空調(diào)器氣流組織的影響，并給出相應(yīng)的氣流組織設(shè)計建議。

1 實驗方案

由于室內(nèi)障礙物的存在會改變嵌入式空調(diào)出風(fēng)的主流方向，從而顯著影響室內(nèi)氣流組織分布情況。為此，依據(jù)不同送風(fēng)角度的主流方向，設(shè)計障礙物尺寸及障礙物的4種布局layout(0), layout(1)，layout(2)和layout(3)，研究 4種室內(nèi)障礙物布局對不同空調(diào)送風(fēng)角度下嵌入式空調(diào)氣流組織的影響。圖1所示為氣流實驗室整體布置圖，實驗室為1間矩形房間，長×寬×高為10.00 m×6.00 m×3.05 m，嵌入式空調(diào)室內(nèi)機(jī)位于天花板中央；障礙物長×寬×高為 2.400 m×0.045 m×1.800 m。表1和圖2所示為4種室內(nèi)障礙物的布局。表1中：x表示障礙物距離出風(fēng)口1的距離，layout(1)和 layout(3)中的障礙物與風(fēng)口 1之間的距離均為1 m，而layout(3)中的障礙物與風(fēng)口1之間的距離為 0.5 m，layout(0)中無障礙物；layout(0)，layout(1)和 layout(2)均是水平送風(fēng)模式(送風(fēng)方向與水平方向夾角θ約為30°)；layout(3)為垂直送風(fēng)模式(送風(fēng)方向與水平方向夾角θ大約為60°)。這樣，layout(1)中出風(fēng)主流正好落在障礙物上沿，layout(2)中出風(fēng)主流越過障礙物上沿，而layout(3)中出風(fēng)主流則完全被障礙物擋住。所有工況均為制熱、高風(fēng)速，設(shè)定溫度為30 ℃，風(fēng)量為25.3 m3/min。

圖1 氣流實驗室氣流組織Fig.1 Air distribution of test room

表1 布局設(shè)計Table 1 Layout design

氣流實驗室中布置200個溫度測點，高度分別為0.5，1.0，1.5，2.0和2.5 m，考察各種不同布局的室內(nèi)溫度場分布狀況。出風(fēng)口溫度采用熱電偶測量，每個出風(fēng)口均勻分布2個測點，每面墻外布置2個溫度測點。

室內(nèi)速度測點1～3在圖1所示水平面上的坐標(biāo)分別為(2.2, 5.0)，(3.0, 3.9)和(3.8, 5.0)，其余測點坐標(biāo)對稱類推，高度方向a，b和c分別代表高度為0.75，1.50和2.25 m。風(fēng)口速度及其角度的測量位置如圖3所示，在每個風(fēng)口均勻布置30個速度測點，當(dāng)空調(diào)工作時，測出30 cm長的輕細(xì)繩末端距天花板距離，即可得風(fēng)口角度θ。

采用美國 NI公司制造的多通道數(shù)據(jù)采集儀實時記錄溫度，采用美國Degree C公司制造的UAS1000系列氣流檢測儀測量速度，其精度符合 ASHRAE 55—1992 標(biāo)準(zhǔn)及 ISO 7726 標(biāo)準(zhǔn)[10-11]。

圖2 隔板障礙物側(cè)面圖Fig.2 Position of partition from side view

圖3 送風(fēng)口速度測點布置及角度測量Fig.3 Distribution of outlet velocity measuring points and velocity angle measuring

2 氣流組織數(shù)值仿真

2.1 數(shù)學(xué)模型

氣流實驗室數(shù)學(xué)模型如圖1所示。空調(diào)房間內(nèi)的氣流作湍流運(yùn)動。湍流是一種高度復(fù)雜的三維非穩(wěn)態(tài)、帶旋轉(zhuǎn)的不規(guī)則流動。在湍流中流體的各種物理參數(shù)如速度、壓力、溫度等都隨時間與空間發(fā)生隨機(jī)變化。這里采用Reynolds平均法來模擬湍流運(yùn)動[12]。以張量形式表示的湍流對流換熱的Reynolds時均方程如下[13]。

連續(xù)方程：

動量方程：

其他變量方程：

其中：ρ為密度；u為速度；t為時間。稱為湍流應(yīng)力。引入 Boussinesq假設(shè)[14]，湍流應(yīng)力可表示為：

對于其他變量方程中的湍流脈動附加項，引入相應(yīng)的湍流擴(kuò)散系數(shù)Γt，則湍流脈動所傳遞的通量可表示為：

湍流黏性系數(shù)tη和湍流擴(kuò)散系數(shù)Γt都不是流體的物性參數(shù)，而取決于湍流的流動。實驗結(jié)果表明，二者的比值可近似地視為1個常數(shù)，因此，計算湍流的關(guān)鍵在于確定tη。這里采用Realizablek-ε兩方程模型來確定tη。該模型中關(guān)于湍流脈動動能k和脈動動能耗散率ε的輸運(yùn)方程如下：

Realizablek-ε兩方程模型是對Standardk-ε兩方程模型的修正，引入了與旋轉(zhuǎn)和曲率有關(guān)的參數(shù)。對于固體壁面附近的流動，采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)來處理。

2.2 計算條件

由于模型結(jié)構(gòu)規(guī)整，采用六面體網(wǎng)格。送風(fēng)口、回風(fēng)口選用密網(wǎng)格，其長×寬分別為0.01 m×0.02 m和0.02 m×0.02 m，其他區(qū)域采用疏網(wǎng)格，其長×寬為0.10 m×0.10 m。

離散方法：壓力P選用PRESTO方法離散，壓力和速度耦合項選用 SIMPLEC方法離散，動量、湍流動能k、湍流耗散率ε及能量項均選用二階迎風(fēng)格式離散。

殘差控制：能量項殘差和連續(xù)性殘差要求小于10-6，其他各項殘差小于10-3。

邊界條件：風(fēng)口采用速度實測值作為邊界條件，即分別對實測的速度、角度進(jìn)行擬合作為速度邊界條件，壁面采用第三類邊界條件。

3 評價指標(biāo)

評價氣流組織的指標(biāo)通常有不均勻系數(shù)(包括溫度不均勻系數(shù)kt和速度不均勻系數(shù)kv)、空氣分布特性指標(biāo)IADPI和能量利用系數(shù)η。由于IADPI反映了風(fēng)速及溫度對人體熱舒適性的綜合影響，IADPI越大，說明感到舒適的人群比例越大，因而本文不考慮不均勻系數(shù)評價指標(biāo)?？諝夥植继匦灾笜?biāo)IADPI和能量利用系數(shù)η的定義式如下[15-17]。

空氣分布特性指標(biāo)IADPI為：

式中：IADPI為空氣分布特性指標(biāo)；η為能量利用系數(shù)；n1為-1.7＜[(ti-tn)-7.66(ui-0.15)]＜1.1 的測點數(shù)；n0為總測點數(shù)；ti和tn分別為工作區(qū)某點的空氣溫度和給定的室內(nèi)溫度；ui為工作區(qū)某點的空氣流速；tp為排風(fēng)溫度；tn為工作區(qū)空氣平均溫度；t0為送風(fēng)溫度。

此外，本文提出一種新的指標(biāo)即溫升速率，表征空調(diào)器調(diào)節(jié)房間溫度的速度。在這些指標(biāo)中，溫升速率是通過實驗計算得出，其余各指標(biāo)均基于數(shù)值模擬結(jié)果計算得出。

式中：為初始時刻室內(nèi)平均溫度；tset為空調(diào)設(shè)定溫度；T為房間內(nèi)平均溫度達(dá)到設(shè)定溫度所需的時間。

4 結(jié)果及分析

4.1 實驗驗證

圖4所示為溫度的實驗值與模擬值的比較結(jié)果。若實驗值與模擬值相同，則圖中的點落在直線1上。直線2和3分別表示實驗值與模擬值相差+1 ℃和-1 ℃。從圖4可以看出：模擬值相對于實驗值的絕對誤差都在1.0 ℃以內(nèi)，平均誤差為0.4 ℃。圖5所示為速度的實驗值和模擬值，相對誤差最小為4%，最大為22%。由于室內(nèi)風(fēng)速通常很低(序號 2a處的風(fēng)速只有 0.06 m/s)，同時，風(fēng)速也在不斷波動，要精確測量很難，因而，在比較速度的模擬值與實驗值時，速度場分布趨勢的一致性更為重要[3]。綜合溫度場、速度場的實驗值與模擬值的比較可知，所建立的數(shù)值模型是正確的。

圖4 layout(3)溫度實驗值與模擬值的比較Fig.4 Comparison of experimental value and simulation value of temperature for layout(3)

圖5 layout(3)風(fēng)速實驗值與模擬值的比較Fig.5 Comparison of experimental value and simulation value of velocity for layout(3)

4.2 障礙物對整體氣流組織的影響

表2所示為采用整體氣流組織評價法所得出的整個房間的氣流組織評價指標(biāo)。從表2可以看出：室內(nèi)無障礙物的layout(0)各項指標(biāo)最高，當(dāng)房間中增加了障礙物后，IADPI顯著下降，這是因為不同布局中的障礙物在不同程度上改變了出風(fēng)主流方向，從而顯著地影響了房間整體的氣流組織狀況；而對于layout(3)，其各項指標(biāo)都是最低的，尤其是溫升速率最低。這是因為在該布局方式中，障礙物完全阻擋了出風(fēng)口1的出風(fēng)主流，由于出風(fēng)口離回風(fēng)口較近，使氣流短路現(xiàn)象更加嚴(yán)重，回風(fēng)口的溫度更容易達(dá)到設(shè)定值，也就是說，當(dāng)房間內(nèi)的溫度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到設(shè)定值時，壓縮機(jī)就停止工作了，因而，需要花更長的時間才能使房間平均溫度升值至設(shè)定值，導(dǎo)致溫升速率很低。

表2 各種布局的指標(biāo)Table 2 Indexes for each layout

根據(jù)以上分析可以看出：室內(nèi)障礙物會顯著降低空調(diào)氣流組織的熱舒適性。因此，應(yīng)盡量在室內(nèi)少布置障礙物；對于室內(nèi)的障礙物，要避免將其設(shè)置于擋住送風(fēng)并將送風(fēng)反射到回風(fēng)口之處。

4.3 障礙物對局部氣流組織的影響

由于整體氣流組織評價法只能反映出障礙物對房間整體氣流組織的影響，不能體現(xiàn)障礙物對各區(qū)域氣流的影響，因此，需要運(yùn)用分區(qū)域氣流組織評價法考察局部氣流分布狀況。如圖6所示，基于障礙物的具體位置及對稱的原則將房間工作區(qū)劃分成9個區(qū)域并編號，計算反映熱舒適性的重要指標(biāo)IADPI，結(jié)果如圖7所示。

圖6 房間區(qū)域劃分Fig.6 Room division

圖7 各布局的IADPIFig.7 IADPI for each layout

由圖7可知，從局部局域氣流組織來看，layout(0)的IADPI幾乎均大于其他各布局的IADPI，尤其是在靠近出風(fēng)主流的區(qū)域 4～6。這是因為障礙物正是通過改變主流方向從而影響室內(nèi)氣流組織，而靠近出風(fēng)主流的區(qū)域所受到的影響更大。

相關(guān)研究表明，在一般情況下，應(yīng)使IADPI≥80%[16-18]。由前面的分析結(jié)果可知：對于大多數(shù)布局(除layout(3))，遠(yuǎn)離出風(fēng)口的區(qū)域1，3，7和9的IADPI均大于80%；而靠近出風(fēng)口的區(qū)域4～6其IADPI則很低，為非舒適區(qū)域。這是因為嵌入式空調(diào)有4個出風(fēng)口，能使房間形成較為均勻的溫度場。造成不舒適感的主要原因是風(fēng)速過高而導(dǎo)致的吹風(fēng)感，遠(yuǎn)離出風(fēng)口的區(qū)域風(fēng)速較低，因而IADPI較高，即熱舒適感較高；而離風(fēng)口較近的區(qū)域，風(fēng)速較高，因而IADPI較低，即熱舒適感較低。

對于layout(3)，在9個區(qū)域中，有6個區(qū)域的IADPI最低(如圖 7所示)，因而，導(dǎo)致該種布局的整體熱舒適感最差。僅在區(qū)域2中，IADPI較高(為83.16%)。這是因為區(qū)域8離風(fēng)口較遠(yuǎn)，區(qū)域2因障礙物作用，在該區(qū)域中風(fēng)速都較小，吹風(fēng)感較小。所以，在布置障礙物時要避免類似layout(3)這樣的布局，將出風(fēng)主流完全擋住。

5 結(jié)論

(1) 所建仿真模型及對邊界條件的測量方法合理，采用氣流組織整體評價法和局部評價法所得評價結(jié)果是可信的。

(2) 室內(nèi)障礙物會顯著降低嵌入式空調(diào)房間的整體舒適性及局部區(qū)域的熱舒適性，所以，室內(nèi)應(yīng)盡量少布置障礙物。

(3) 當(dāng)障礙物放置在完全擋住出風(fēng)主流的位置時，氣流組織短路現(xiàn)象十分嚴(yán)重，且其各局部氣流組織評價指標(biāo)都很低，因而要盡量避免這種現(xiàn)象發(fā)生。

(4) 離出風(fēng)口主流越遠(yuǎn)，熱舒適性越高，反之，熱舒適性則越低。所以，在設(shè)計時，辦公地點應(yīng)盡量設(shè)在離出風(fēng)主流較遠(yuǎn)之處；而離出風(fēng)主流較近之處特別是回風(fēng)口附近，可作為過道等人員暫時停留的地點。

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