送風(fēng)速度對冬季空調(diào)房間環(huán)境影響的數(shù)值分析

周 靜，李 異

（1.陜西廣播電視大學(xué)，陜西西安710119；2.陜西工商職業(yè)學(xué)院，陜西西安710119；3.西安航空學(xué)院，陜西西安710077）

送風(fēng)速度對冬季空調(diào)房間環(huán)境影響的數(shù)值分析

周 靜1，2，李 異3

（1.陜西廣播電視大學(xué)，陜西西安710119；2.陜西工商職業(yè)學(xué)院，陜西西安710119；3.西安航空學(xué)院，陜西西安710077）

為了進一步優(yōu)化室內(nèi)環(huán)境，提高熱舒適性，以某一典型的空調(diào)辦公室為研究對象，采用數(shù)值計算軟件FLUENT模擬冬季室內(nèi)氣流組織的分布狀況，經(jīng)過對比分析不同的送風(fēng)速度對室內(nèi)活動區(qū)溫度和速度的影響，得出在相同的送風(fēng)量時，風(fēng)口尺寸越大，送風(fēng)速度就越小，室內(nèi)活動區(qū)的溫度越高，風(fēng)速越小的結(jié)論，為其他相同或類似房間熱泵空調(diào)氣流組織設(shè)計提供參考。

熱舒適性；數(shù)值計算；氣流組織；送風(fēng)速度；熱泵空調(diào)

ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)把熱舒適定義為對熱環(huán)境表示滿意的意識狀態(tài)，它是人們生理和心理上的一種感覺。熱舒適是神經(jīng)系統(tǒng)的一系列的活動，這些活動使人在心理上產(chǎn)生快樂的感覺［1］。影響室內(nèi)熱舒適的因素有：送風(fēng)方式、送風(fēng)溫濕度、送風(fēng)速度以及室內(nèi)的熱濕源等，其中送風(fēng)速度對室內(nèi)熱舒適有著重要的影響。目前國內(nèi)關(guān)于送風(fēng)速度對室內(nèi)熱舒適性的研究主要集中在兩個方面：一方面是研究夏季空調(diào)時送風(fēng)速度對室內(nèi)熱舒適性的影響；另一方面主要集中研究送風(fēng)速度和送風(fēng)方式結(jié)合起來對室內(nèi)熱舒適性的影響。這兩個方面一般都是研究夏季的空調(diào)工況，而對冬季熱泵空調(diào)的研究很少。冬季熱泵空調(diào)和夏季空調(diào)有一個很大的區(qū)別就是熱氣流的浮力會遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于冷氣流，因此研究送風(fēng)速度對冬季熱泵空調(diào)房間室內(nèi)環(huán)境的影響很有必要［2］。應(yīng)用Fluent專業(yè)軟件，建立目標(biāo)房間的物理模型，通過改變該房間的熱風(fēng)送風(fēng)速度，對室內(nèi)的氣流組織進行數(shù)值模擬，得到與熱舒適相關(guān)的溫度場與速度場，對其進行分析，確定了熱泵空調(diào)比較合適的送風(fēng)速度，為其他相同或類似房間熱泵空調(diào)送風(fēng)角度的選擇和氣流組織設(shè)計提供參考。

1 物理模型的建立

選取的模型為一典型的辦公室，房間的長×寬×高為6m×3.6m×3.3m，辦公室的外墻有一個寬×高為1.5m×1.8m的窗戶。根據(jù)我國《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》（GB 50736－2012）中規(guī)定，選擇冬季室內(nèi)空調(diào)設(shè)計溫度為18℃［3］，整個系統(tǒng)計劃采用側(cè)送下回的方式。在北墻上側(cè)中間設(shè)置1個送風(fēng)口，北墻下側(cè)設(shè)立回風(fēng)口，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 辦公室具體結(jié)構(gòu)

2 湍流模型

本文湍流模型選用RNG k－ε模型，在RNG kε模型中，通過在大尺度運動和修正后的粘度項體現(xiàn)小尺度的影響，而使這些小尺度有系統(tǒng)地從控制方程中去除［4］。所有的 k方程和ε方程，與標(biāo)準(zhǔn) k－ε模型非常相似［5］。

3 邊界條件

空調(diào)室內(nèi)空氣流體的物理性質(zhì)，在進行數(shù)值計算時，可以近似按常溫下空氣的物性參數(shù)選取。計算所需的邊界條件如下。

3.1 入口邊界

送風(fēng)口設(shè)為速度進口，由于不考慮墻壁輻射，冬季室內(nèi)空調(diào)的熱負(fù)荷只包括圍護結(jié)構(gòu)的熱負(fù)荷，在熱負(fù)荷和送風(fēng)溫差一定的情況下，送風(fēng)量就確定了，則送風(fēng)口和送風(fēng)速度的變化成反比，即送風(fēng)口越大，送風(fēng)速度越小，送風(fēng)口越小，送風(fēng)速度越大。筆者選取了5種工況進行模擬，分別為工況1、工況2、工況3、工況4和工況5。具體見表1。

表1 不同的送風(fēng)工況

3.2 出口邊界

在條形格柵回風(fēng)口上各種變量按局部單向化處理，其上的各節(jié)點參數(shù)對前一節(jié)點沒有影響。另外為了保證壓力平衡，回風(fēng)口邊界條件設(shè)為壓力出口［8］。

4 模擬結(jié)果及分析

通過對上述五種工況進行模擬，得出了各自的溫度場和速度場，由于本文研究的是穩(wěn)態(tài)的工況，所以模擬是針對空調(diào)開啟一段時間以后，室內(nèi)外達(dá)到了平衡下的溫度、風(fēng)速分布。

4.1 溫度場

表2是工況1、工況2、工況3、工況4和工況5在xoz平面上y＝1.8活動區(qū)域的平均溫度。圖2是工況1、工況2、工況3、工況4和工況5在 xoz平面上y＝1.8活動區(qū)域?qū)?yīng)x點的線平均溫度直觀圖。

由圖2可見，在同樣的送風(fēng)量的情況下，工況1送風(fēng)口尺寸最大，送風(fēng)速度最小，xoz平面上y＝1.8活動區(qū)域的溫度最高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于室內(nèi)設(shè)計溫度，工況5送風(fēng)口尺寸最小，送風(fēng)速度最大，xoz平面上y＝1.8活動區(qū)域的溫度最低，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于室內(nèi)設(shè)計溫度，這說明在同樣的送風(fēng)量的情況下，送風(fēng)速度越低，熱氣流與室內(nèi)的換熱越充分，人體活動區(qū)的溫度就越高；送風(fēng)速度越高，熱氣流與室內(nèi)來不及換熱就排出室外了，人體活動區(qū)的溫度就越低。

4.2 速度場

表3是工況1、工況2、工況3、工況4和工況5在xoz平面上y＝1.8活動區(qū)域的平均速度。圖3是工況1、工況2、工況3、工況4和工況5在 xoz平面上y＝1.8活動區(qū)域?qū)?yīng)x點的線平均速度直觀圖。

表2 不同工況在xoz平面上y＝1.8活動區(qū)域?qū)?yīng)x點的線平均溫度 單位：℃

圖2 不同工況在xoz平面上y＝1.8活動區(qū)域?qū)?yīng) x點的線平均溫度

表3 不同工況在xoz平面上y＝1.8活動區(qū)域?qū)?yīng)x點的線平均速度 單位：m／s

圖3 不同工況在xoz平面上y＝1.8活動區(qū)域?qū)?yīng) x點的線平均速度

由圖3可見，圖中呈現(xiàn)兩個明顯的特征：首先，速度場在房間進深方向出現(xiàn)中間低，兩邊高的現(xiàn)象，其原因主要是室內(nèi)活動區(qū)處于室內(nèi)氣流的回流區(qū)，在進深的前面處于回流區(qū)的初始階段，速度相對較高，房間進深的后期由于回風(fēng)口抽力的作用導(dǎo)致速度增加。其次，在同樣的送風(fēng)量的情況下，工況1送風(fēng)口尺寸最大，送風(fēng)速度最小，xoz平面上y＝1.8活動區(qū)域的平均速度為0.065m／s，工況5送風(fēng)口尺寸最小，送風(fēng)速度最大，xoz平面上y＝1.8活動區(qū)域的平均速度為0.113m／s，這說明在同樣的送風(fēng)量的情況下，送風(fēng)速度越低，人體活動區(qū)風(fēng)速越低，送風(fēng)速度越高，人體活動區(qū)風(fēng)速越高。

5 結(jié) 論

在熱負(fù)荷、送風(fēng)溫差和送風(fēng)量相同的情況下，通過以上5種工況的綜合分析，可得出如下結(jié)論：

（1）送風(fēng)口尺寸越大，送風(fēng)速度越小，室內(nèi)活動區(qū)的溫度越高；反之室內(nèi)活動區(qū)的溫度越低。

（2）送風(fēng)口尺寸越大，送風(fēng)速度越小，室內(nèi)活動區(qū)的風(fēng)速越??；反之室內(nèi)活動區(qū)的風(fēng)速越大。

（3）送風(fēng)口尺寸增大，會導(dǎo)致空調(diào)系統(tǒng)初投資就越大，所以在滿足人體舒適性要求的前提下，送風(fēng)速度和送風(fēng)口的大小要比例恰當(dāng)，才能使綜合效益最大化。對于本文，工況1和工況2送風(fēng)口尺寸大，造價高，且室內(nèi)溫度高于設(shè)計溫度，工況4和工況5室內(nèi)溫度低于設(shè)計溫度，且人體活動區(qū)風(fēng)速過大。工況3送風(fēng)口尺寸為0.4 m×0.2 m，送風(fēng)速度為2 m／s時，在xoz平面上y＝1.8活動區(qū)域的平均溫度也為18℃，平均速度為0.85 m／s，均符合設(shè)計規(guī)范的要求。

［1］ Lorsch H G，Abdo u OA.The impactof the building indoor environment on occupant productivity Part 2：effects of temperature［J］.ASHRAE Transactions，1994，100（2）：895-901.

［2］ 朱穎心，彥啟森.建筑環(huán)境學(xué)［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005.

［3］ 陸耀慶.實用供熱空調(diào)設(shè)計手冊［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005.

［4］ 朱士江，楊正權(quán)，馬永勝.基于線性插值的二維流場數(shù)值模擬可視化［J］.水利與建筑工程學(xué)報，2007，5（4）：108-110.

［5］ 帕坦卡SV.傳熱與流體流動的數(shù)值計算［M］.張政譯.北京：科學(xué)出版社，1984.

［6］ 王福軍.計算流體動力學(xué)分析［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2004.

［7］ 張鳴遠(yuǎn)，景思睿，李國君.高等工程流體力學(xué)［M］.西安：西安交通大學(xué)出版社，2007.

［8］ 韓占忠.FLUENT流體工程仿真計算實例與應(yīng)用［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2004.

Numerical Analysis for Influence of Air-supply Velocity on Indoor Environment of Air-conditioned Room in W inter

ZHOU Jing1，2，LIYi3
（1.ShaanxiRadio＆TVUniversity，Xi’an，Shaanxi 710119，China；2.Shaanxi Vocational College of Industry and Commerce，Xi’an，Shaanxi 710119，China；3.Xi’an Aeronautical College，Xi’an，Shaanxi 710077，China）

In order to further improve the indoor environment and thermal comfort，the numerical calculation software FLUENT is applied to simulate the indoor air-flow distribution in winter.The simulation results show that the temperature and velocity in the indoor activity zone will be changed under different air-supply velocities.With same air supply volume，the bigger the outlet size，the smaller is the air-supply velocity，and the higher the temperature in the indoor，the smaller is the air velocity.The study could offer some references for the design of the air-flow organization in similar heat pump air-conditioned rooms.

thermal com fort；numerical calculation；air-flow organization；air-supply velocity；heat pump air conditioner

TU831

A

1672—1144（2014）01—0157—03

10.3969／j.issn.1672－1144.2014.01.032

2013-07-18

2013-08-19

周 靜（1982—），女，陜西山陽人，講師，主要從事暖通空調(diào)工程的教學(xué)和研究。