空調(diào)室內(nèi)氣流組織與熱舒適數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)

謝東 劉澤華 熊軍 莫順權(quán)

南華大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院

0 引言

在舒適性空調(diào)房間中，人體的熱舒適度除與室內(nèi)空氣溫濕度有關(guān)外，還受氣流組織、氣流速度等多種因素的影響，其中氣流組織決定了氣流的溫度和速度分布，以及房間內(nèi)污染濃度的分布，因此氣流組織的優(yōu)化設(shè)計(jì)能夠在滿足人體熱舒適度的前提下降低空調(diào)系統(tǒng)的能耗和提高空調(diào)室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量。本文對(duì)夏、冬兩季空調(diào)房間內(nèi)三種不同氣流組織條件下室內(nèi)的人體熱舒適狀況進(jìn)行了數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究，以達(dá)到優(yōu)化氣流組織設(shè)計(jì)、降低空調(diào)系統(tǒng)能耗及提高室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量的目的。

1 CFD建模及計(jì)算方法

1.1 物理模型的建立

二維計(jì)算模型大?。?.0m×3.0m），用來(lái)模擬有人和一些家具的辦公室房間，見(jiàn)圖1，人體以等效長(zhǎng)方體表示（0.8m×0.3m）。模型采用結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格，為了增強(qiáng)數(shù)值解的穩(wěn)定性，在送回風(fēng)口、人體、墻壁和家具邊界細(xì)化網(wǎng)格（圖2）。

1.2 控制方程

本文的計(jì)算中，假定室內(nèi)氣流流動(dòng)為定常、不可壓縮流動(dòng)?？刂品匠谭謩e為質(zhì)量輸運(yùn)的連續(xù)性方程，求解動(dòng)量的Navier-stokes方程、能量方程及湍流k-ε兩方程模型。把上面物理模型簡(jiǎn)化假設(shè)考慮進(jìn)去，針對(duì)本文所建立的數(shù)學(xué)模型，其基本形式與各控制方程具有相同的形式，可以使用如下通用方程表示[4]：

式中：ρ，U分別為密度、速度矢量；φ為通用變量，代表U，V，k，ε 和 1，當(dāng) φ=1時(shí)即為連續(xù)性方程；Γφ 為通用變量φ的有效擴(kuò)散系數(shù)；Sφ為源項(xiàng)。k-ε兩方程模型中的幾個(gè)系數(shù)取值如下：Cμ=0.10；σk=1.00；σε=1.30；

圖1 空調(diào)房間示意圖（cm）

圖2 計(jì)算網(wǎng)格的分布圖

1.3 邊界條件及計(jì)算方法的選取

1）物理描述：由于實(shí)際空氣是黏性流體，雷諾數(shù)為 4.5～7.7×107，確定為湍流流動(dòng)，選擇 k-ε 兩方程湍流模型計(jì)算室內(nèi)流場(chǎng)。流動(dòng)與換熱處于穩(wěn)定狀態(tài)，空氣為不可壓流體，物性為常數(shù)，引入Boussinesq假設(shè)[6]。

2）邊界條件：夏季：速度入口設(shè)置，大小為0.6m/s，送風(fēng)溫度為20℃；墻壁恒溫30℃；地面和家具面溫度26℃。冬季：速度入口設(shè)置，大小為0.85m/s，送風(fēng)溫度27℃，墻壁恒溫10℃，地面和家具面溫度20℃。出口為壓力出口設(shè)置，壓力大小等于環(huán)境大氣壓力，無(wú)滑移壁面條件，采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)[7]；人體散熱量為69.78W/m2。送回風(fēng)口尺寸為0.23m×0.23m，各種算例的參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1。

表1各種算例的參數(shù)設(shè)置

3）離散方法：采用基于壓力的耦合求解方法，動(dòng)量、能量、k和ε均選用二階迎風(fēng)格式。

4）計(jì)算精度：各流動(dòng)項(xiàng)殘差小于10-5，能量項(xiàng)殘差小于10-6。

2 夏季工況及計(jì)算結(jié)果分析

圖3~5中給出了夏季工況上送下回、下送上回及側(cè)送下回三種不同氣流組織下室內(nèi)的PMV舒適度指標(biāo)和PPD預(yù)計(jì)不滿意率的分布狀況，計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同的氣流組織對(duì)人體熱環(huán)境影響較大。在0.6m/s的送風(fēng)條件下，上送下回方式使人有明顯的吹風(fēng)感，人體的上部和前部感覺(jué)偏冷，表現(xiàn)出顯著的不滿意感覺(jué)；下送上回方式人體比較舒適；側(cè)送下回方式對(duì)人體的影響較為明顯，人體前部和上部感覺(jué)偏冷，而背部感覺(jué)偏熱，人體感覺(jué)不舒適。

圖4 Case B

圖5 Case C

3 冬季工況及計(jì)算結(jié)果分析

圖6~8中給出了冬季工況上送下回、下送上回及側(cè)送下回三種不同氣流組織下室內(nèi)的PMV舒適度指標(biāo)和PPD預(yù)計(jì)不滿意率的分布狀況。在0.85m/s的送風(fēng)條件下，上送下回氣流組織方式人體頭部感覺(jué)比較舒適，背部感覺(jué)偏冷；由于熱浮力的影響，下送上回氣流組織方式人體周圍溫度比較均勻，感覺(jué)比較舒服，但腳踝部有吹風(fēng)感；側(cè)送下回方式對(duì)人體頭部有較強(qiáng)的吹風(fēng)感，舒適度較差，腳踝部感覺(jué)舒適。

圖6 Case D

圖7 CaseE

圖8 CaseD

4 標(biāo)準(zhǔn)氣流實(shí)驗(yàn)室熱環(huán)境測(cè)試

標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境測(cè)試室[8]由可控的環(huán)境艙體、環(huán)境模擬系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)組成。可控的環(huán)境艙體位于密閉的通風(fēng)房間內(nèi)，環(huán)境艙體尺寸大小為3.0m×3.0m×2.6m。環(huán)境艙體有5個(gè)不同的進(jìn)、出口開(kāi)關(guān)裝置，可以實(shí)現(xiàn)如上送側(cè)下回式、側(cè)下送上回式、側(cè)上送下回式等7種不同的氣流組織方式。本文使用瑞典產(chǎn)的SWEMA 3000儀測(cè)試了夏季工況上送下回、下送上回、側(cè)送下回三種氣流組織方式下的標(biāo)準(zhǔn)氣流室內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)氣流室實(shí)驗(yàn)條件參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 實(shí)驗(yàn)條件設(shè)置

夏季工況下三種氣流組織下室內(nèi)熱舒適環(huán)境計(jì)算值與標(biāo)準(zhǔn)氣流室實(shí)驗(yàn)測(cè)試值對(duì)比如圖9所示，H=0.3 m和H=1.2 m分別代表人體頭部和腳踝部的高度。圖9（a）所示的氣流組織方式為上送側(cè)下回式，從圖中可以看到在人體頭部所在區(qū)域（H=1.2m，X=0.9~1.3m）數(shù)值計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較一致，人體背部有吹風(fēng)感，而面部感覺(jué)舒適；但在靠近氣流出口區(qū)域，即腳踝部（H=0.3m），計(jì)算值出現(xiàn)了較強(qiáng)的冷感，這與風(fēng)速在出口處增加有關(guān)。圖9（b）所示的氣流組織方式為側(cè)下送上回式，人體所在區(qū)域（H=0.3m和1.2m，X=0.8~1.5m）人體感覺(jué)較舒適，計(jì)算結(jié)果與數(shù)值結(jié)果一致，但在靠近風(fēng)速入口的腳部（H=0.3m）有一定的吹風(fēng)感。圖9（c）所示的氣流組織方式為側(cè)上送下回式，從圖中可以發(fā)現(xiàn)在人體區(qū)域（H=1.2m，X=1.0~1.3m）背部較舒適，但面部有吹風(fēng)感，腳踝部有冷感。

圖9 PMV計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)測(cè)試值對(duì)比圖

5 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)夏、冬兩季空調(diào)室內(nèi)三種不同氣流組織下人體熱舒適進(jìn)行數(shù)值模擬研究，研究結(jié)果表明，側(cè)下送上回的氣流組織方式人體的熱舒適PMV和PPD指標(biāo)較好，熱舒適感覺(jué)好。在夏季，上送下回氣流組織方式對(duì)人體頭部有吹風(fēng)感，而在冬季，這種氣流組織方式人體熱感覺(jué)較好，滿足我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境滿意要求[9]。側(cè)上送下回方式對(duì)人體頭部有較強(qiáng)的吹風(fēng)感，熱舒適度較差。通過(guò)對(duì)夏季工況標(biāo)準(zhǔn)氣流室內(nèi)人體熱環(huán)境參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)在側(cè)下送上回的氣流組織方式下人體所在區(qū)域熱感覺(jué)較好，但在靠近送風(fēng)口和回風(fēng)口區(qū)域，有較強(qiáng)的冷感。

[1]Fanger PO.Thermal comfort:Analysisand Application in Environmental Engineering[M].New York:McCraw-Hill Company,1970

[2] 中等熱環(huán)境 PMV和 PPD指數(shù)測(cè)定及熱舒適(GB18049-2000)[S].

[3] 謝東,王漢青.不同氣流組織下夏季空調(diào)室內(nèi)熱舒適環(huán)境模擬[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào),2008,27(3):66-69

[4]Xie D, Wang H, Deng Q, et al. Investigation on different ventilationpatterns in an office room[J]. Journal of Central South University ofTechnology, 2007, 14(S3): 66-70

[5]Wang J S, Chan T L , Cheung C S, et al. Three-dimensional polluta-nt concentration dispersion of a vehicular exhaust plume in the realatmosphere[J]. Atmospheric Environment, 2006, 40(3): 484-497

[6]Baskaya S, Eken E. Investigation of room air flow regarding effectsof occupants, inlet/outlet locations, inlet velocity, and winter/summerconditions[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer,2003,46(7): 1147-1156

[7]Melikov A, Pitchurov G, Naydenov G, et al. Field study on occupantcomfort and the office thermal environment in rooms with displacem-ent ventilation[J]. Indoor air, 2005, 15(3): 205-214

[8] 王漢青,湯廣發(fā),寇廣孝,等.空調(diào)建筑上送風(fēng)氣流組織型式下熱分層現(xiàn)象的規(guī)律研究[J].南華大學(xué)學(xué)報(bào)(理工版),2002,16(1):1-6

[9] 采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50019-2003)[S].