校園公共建筑節(jié)能設(shè)計及室內(nèi)溫度場仿真模擬

周佐喜

摘要：本文以校園教學(xué)樓為節(jié)能改造實(shí)例，使用ANSYS CFX仿真軟件數(shù)值模擬空調(diào)課室溫度場的分布變化情況對其空調(diào)課室課室內(nèi)進(jìn)行能耗分析，從建筑節(jié)能的角度分析其建筑設(shè)計的優(yōu)劣，從空調(diào)智能控制改造兩方面設(shè)計了其節(jié)能改造實(shí)施方案。

關(guān)鍵詞：公共建筑；節(jié)約型校園；ANSYS CFX；空調(diào)節(jié)能；室內(nèi)溫度場；數(shù)值模擬

方案設(shè)計

本文建立與教學(xué)樓空調(diào)課室相一致的三維實(shí)際模型，用ANSYS CFX仿真軟件數(shù)值計算其室內(nèi)溫度場的分布變化情況，通過仿真模擬分析結(jié)果為教學(xué)樓空調(diào)課室的節(jié)能改造提供依據(jù)和參考。

從多個角度出發(fā)仿真課室的溫度場變化并作對比研究，研究各個因素對空調(diào)室內(nèi)溫度場變化分布的影響，分析研究力圖找出影響空調(diào)課室溫度場變化的各個影響因子及其所占比重，為空調(diào)制冷節(jié)能改造提供參考。

運(yùn)用ANSYS12.0應(yīng)用仿真軟件進(jìn)行數(shù)值模擬仿真研究[2][3]，運(yùn)用其子模塊ANSYS ICEM網(wǎng)格劃分工具進(jìn)行網(wǎng)格生成與處理[4]。運(yùn)用ANSYS CFX進(jìn)行數(shù)值運(yùn)算[5]。建立了與校園教學(xué)樓空調(diào)課室相一致的三維實(shí)際模型。

1.1物理模型

模型課室尺寸為14.40m×12.00m×5m，課室中就座54人，選定身高為1.73m，體重為60kg，根據(jù)公式計算可得人體表面積為1.74231m，與物理模型中單個人體表面積1.74 m2基本符合。

1.2數(shù)學(xué)模型

本文采用用ANSYS CFX 數(shù)值模擬課室內(nèi)溫度場變化時采用標(biāo)準(zhǔn)

k-ε模型。

標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的湍動能k和耗散率ε方程為如下形式：

在上述方程中，Gk表示由于平均速度梯度引起的湍動能產(chǎn)生，Gb是用于浮力影響引起的湍動能產(chǎn)生；YM可壓速湍流脈動膨脹對總的耗散率的影響。湍流粘性系數(shù) 。

1.3網(wǎng)格劃分

本文運(yùn)用ANSYS12.0應(yīng)用仿真軟件進(jìn)行數(shù)值模擬仿真研究，運(yùn)用其子模塊ANSYS ICEM網(wǎng)格劃分工具進(jìn)行網(wǎng)格生成與處理。Tetra Meshing四面體網(wǎng)格適合對結(jié)構(gòu)復(fù)雜的幾何模型進(jìn)行快速高效的網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分時，勾選smooth mesh 即對網(wǎng)格進(jìn)行即光順操作。是在氣流入口、氣流出口和窗玻璃面進(jìn)行加密網(wǎng)格劃分。模型網(wǎng)格生成完畢之后統(tǒng)計網(wǎng)格數(shù)量為455495個。

1.4邊界條件的設(shè)定

設(shè)定合適的流體域Fluiddomain、Soliddomain參數(shù)以及合適的磚墻材料、窗戶玻璃材料、入口邊界條件、出口邊界條件、玻璃窗加熱面邊界條件、人體表面散熱邊界、流固交界面的邊界條件。

1.5仿真計算

使用ANSYS仿真軟件對模型進(jìn)行仿真計算。

主要研究結(jié)論如下：

1）研究結(jié)果表明，在北緯25度的廣州地區(qū)高校教學(xué)樓課室，對于窗墻比數(shù)值較大的建筑物，當(dāng)夏季太陽輻射強(qiáng)烈，室外溫度達(dá)到30℃以上時，由于中午12：00后為中午休息空調(diào)停機(jī)。在下午第一節(jié)課上課（13：30）之前必須提前15分鐘開啟空調(diào)冷氣給課室預(yù)冷才能保證課室大部分空間溫度保持在28℃以下。分析課室內(nèi)溫度場、氣流場結(jié)果表明，提前開啟空調(diào)機(jī)組有利于冷風(fēng)迅速均勻地布滿整個課室。

2）廣州地區(qū)校園建筑窗戶大部分為南北朝向，只有極少數(shù)房間為東西朝向，太陽輻射強(qiáng)烈室外溫度達(dá)30℃以上時，窗戶東西朝向的建筑比窗戶南北朝向的建筑冷負(fù)荷要大的多，特別是大窗墻比的建筑，在中午13：30-14：15這段時間，提前15分鐘開啟空調(diào)窗戶東西朝向的房間現(xiàn)有的常規(guī)的制冷設(shè)備也無法負(fù)擔(dān)室內(nèi)人員正常教學(xué)和工作，若增加冷氣設(shè)備，設(shè)備及冷氣費(fèi)用投資都不低；窗戶東西朝向的房間通過裝貼玻璃隔熱貼膜可以有效地阻擋太陽輻射，降低室內(nèi)溫度，在中午13：30-14：15時間段可容納54人的貼膜課室上課前15分鐘提前開啟空調(diào)使用原有常規(guī)的冷氣設(shè)施可以提供20-30人正常教學(xué)；

3）對于空調(diào)房間而言，設(shè)計時回風(fēng)口位置不宜與送風(fēng)口處于同一水平面上，這樣大量浪費(fèi)冷氣流量，由于冷空氣易下沉，如若進(jìn)風(fēng)口設(shè)置在高處，回風(fēng)口位置也不宜設(shè)置靠近地板過低的水平面上；

4）研究結(jié)果表明，對于人員密集聚會的公共建筑，當(dāng)夏季室內(nèi)原始溫度過高時，為保證聚會開始時便有一個較舒適的溫度環(huán)境，工作人員往往把空調(diào)的初始制冷溫度設(shè)置得很低甚至是最低溫度下限，而室內(nèi)人員的密集座位空間設(shè)計（特別是劇院、會場與教室），由于密集的人員分布使得制冷空氣無法均勻分布于室內(nèi)各個方位，隨著時間的推移，離制冷設(shè)備距離近得空間和較空曠空間的溫度比密集空間的溫度低得多。而密集空間才是真正需要制冷空氣的空間，密集空間的溫度一直難于降下來這就使得空調(diào)的制冷溫度設(shè)置一直保持很低卻沒有很好的制冷效果。這也使距離制冷設(shè)備的近空間和室內(nèi)空曠空間的溫度很低，這與國家節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的所有公共建筑夏季空調(diào)溫度設(shè)置不低于26℃的條文相背離。出于此，劇院、會場與教室等公共建筑的座位設(shè)計與空調(diào)送風(fēng)口、回風(fēng)口的布置對于空調(diào)節(jié)能的作用便顯得尤為重要。

參考文獻(xiàn)：

[1]王樂鵬，盧紫丁，陸青.我國公共建筑能耗調(diào)查研究綜述[J].能源與環(huán)境，2013（1）：15-17

[2] 李鵬飛，徐敏義，王飛飛.精通CFD工程仿真與案例實(shí)戰(zhàn)[M].北京：人民郵電出版社，2011.

[3] 周俊杰，徐國權(quán)，張俊華.Fluent工程技術(shù)與實(shí)例分析[M]北京：中國水利水電出版社，2010.

[4] 紀(jì)兵兵，陳金瓶.ANSYS ICEM CFD 網(wǎng)格劃分技術(shù)實(shí)例詳解[M].北京：中國水利水電出版社，2012.

[5] 孫紀(jì)寧.ANSYS CFX 對流傳熱數(shù)值模擬基礎(chǔ)應(yīng)用教程[M].北京：國防工業(yè)出版社，2010.