基于CFD數(shù)值模擬的溫室展廳室內熱濕環(huán)境研究

莊碧瑤 陳振乾

東南大學能源與環(huán)境學院

0 引言

大型溫室多屬于高大空間建筑，體積大、圍護結構傳熱量大，且需要滿足不同工況需求。因此不僅要研究溫室展廳高大空間的空調方式，更要對展廳溫濕度范圍和均勻性進行研究，既能使溫室環(huán)境滿足作物生長需求，又能滿足觀光人員熱舒適性要求。

本文研究對象為南京某高大空間溫室展廳，主要研究上送下回、側送下回兩種空調方式下的室內溫度、濕度和速度分布狀況，分析不同送風方式下工作區(qū)的氣流組織特點。

1 數(shù)學仿真模型建立

1.1 物理模型及邊界條件

溫室展廳屬于Venlo 型玻璃溫室，屋脊東西走向，立面玻璃幕墻，屋面采光頂。東西南墻均為立面玻璃幕墻，材質為均質6+12A+6 雙鋼化中空玻璃（由于鋁合金窗和玻璃幕墻地彈門所占面積比例較小，墻體按同一材質處理）。屋面采光頂玻璃為均質6+1.52PVB+6 雙鋼化夾膠玻璃，內表面與水平面夾角為23°，上方布置遮陽網。溫室展廳的跨度（Y）為18 m（0≤Y≤18），其長度（X）為32 m（-16≤X≤16），其頂高（Z）為8.2 m（-4.1≤Z≤4.1），屋頂間距為3 m。

文獻[1]提供了部分室內植物的散濕量，取散濕量指標300 g/(m2h)，并假設植物葉片面積為0.5 m2，即一株植物的散濕量為150 g/h。將植株簡化為距地面0.5 m 的、尺寸為1 m×0.7 m×0.7 m 的長方體熱濕源，在溫室內均勻布置128 株植物，處理溫室內植株時，僅考慮其濕負荷，忽略其冷熱負荷。

展廳內夏季最高溫度不超過36 ℃，冬季不低于10 ℃，宜控制在20～30 ℃，相對濕度不低于30%，宜控制在60%～80%之間，室內溫差控制在2 ℃左右。因此本文冬夏季室內空調設計參數(shù)如下：溫度為25 ℃，相對濕度為60%。利用鴻業(yè)負荷計算軟件，結合展廳圍護結構熱工參數(shù)（表1），對溫室展廳進行負荷計算。經計算，展廳室內冷負荷為131.33 kW，熱負荷為92.16 kW，室內濕負荷為5.33 g/s，并采用一次回風系統(tǒng)處理室內空氣。

表1 圍護結構邊界條件設置

本文采用上送下回和側送下回兩種空調方式，上送下回送風方式在6.6 m 高度處均勻布置了15 個旋流送風口。側送下回送風方式在南北兩側3 m 高度處分別布置了6 個旋流送風口，兩者均在底部距地面0.5 m 處，設置4 個單層百葉回風口。分別建立物理模型（圖1）。

圖1 溫室展廳物理模型

1.2 數(shù)學模型

在研究展廳室內流場分布情況時，為簡化數(shù)值模擬計算過程，作以下假設[2-3]：1）溫室外覆蓋的玻璃層溫度分布均勻。2）不考慮溫室各覆蓋材料的蓄熱作用。3）各固體壁面對輻射的吸收率視為常數(shù)。4）參與熱輻射的表面全部作為漫灰表面處理。5）溫室圍護結構的傳熱按照固定的傳熱系數(shù)進行計算。6）室內空氣流動符合Boussinesq 假設。

本模擬中，溫室湍流模型選擇標準k-ε 湍流模型，在處理近壁面氣流流動中發(fā)生的質能傳輸時常采用壁面函數(shù)法。使用了非灰度（即考慮輻射的顏色特征——波長范圍）的DO 模型來計算輻射傳播路徑和過程，用于描述墻壁，屋頂和地面相互耦合的對流熱傳遞和長波輻射能量交換。

1.3 網格獨立性檢驗

運用CFD 分析計算大空間室內熱環(huán)境時，模型網格的數(shù)量、質量對計算結果的影響至關重要[4]。網格數(shù)量增加收斂時間也隨之增加，但網格數(shù)較少時，其計算值與模型試驗對比誤差較大。且當網格數(shù)量增加到一定程度后，再繼續(xù)增加網格時，壓阻力系數(shù)、粘性阻力系數(shù)值趨于一條直線，精度提高甚微，計算時間卻有大幅度增加，造成計算資源的浪費。因此，對于網格獨立性的檢驗尤為重要，從而在保證數(shù)值計算結果準確性的前提下盡可能地提高計算機的運算效率。

網格獨立性檢驗即檢測數(shù)值計算結果與網格密度無關，通常的方法是以某一比例讓網格數(shù)量增加到一定數(shù)值后，再增加網格數(shù)量，使計算結果變化將越來越小甚至不再變化。故此網格獨立性檢驗在一定程度上彌補了無試驗數(shù)據支撐的缺陷[5]。

本文對溫室展廳共采用了4 種網格密度進行計算，網格數(shù)分別為:322033，476108，557988，708944，結果顯示網格數(shù)控制在47 萬左右即可滿足本文室內熱濕環(huán)境的計算要求。

1.4 工況設置

采用一次回風系統(tǒng)處理展廳室內空氣，夏季送風溫差為8 ℃，展廳送風量為13.98 kg/s。冬季送風溫差為9 ℃，展廳送風量為10.2 kg/s，上送旋流風口尺寸為Φ630 mm，側送旋流風口尺寸為Φ500 mm。表2 為旋流風口模擬工況設置。

表2 旋流風口模擬工況設置

2 模擬結果與分析

2.1 上送下回空調方案模擬

人員活動區(qū)域一般在2 m 以下，展廳景觀層高度一般在1.5 m 左右，故截取溫室展廳1.5 m 高度處的水平溫度剖面圖，上送下回空調方式夏季和冬季溫度分布分別如圖2（a）、圖2（b）所示。

圖2 距地面1.5 m 處的溫度分布圖

夏季空調工況下，溫室展廳距離地面1.5 m 高度處的溫度值在23 ℃～25 ℃之間，滿足夏季溫室室內設計溫度要求，達到了較好的氣流組織效果。但是由于上部送風的旋流風口送風速度較大，且冷空氣沉降導致速度衰減過慢，在風口正下方出現(xiàn)局部過冷現(xiàn)象，使得風口垂直方向與風口周圍區(qū)域之間有比較明顯的溫度分層，甚至部分區(qū)域溫度高于25 ℃。

冬季空調工況下，1.5 m 高度處的水平面溫差接近1 ℃，溫度場基本在23 ℃左右，基本滿足了冬季溫室室內設計溫度要求。由于熱空氣上浮，工作區(qū)溫度低于設計溫度2 ℃左右，是很正常的現(xiàn)象。

PMV（Predicted Mean Vote）指標代表了對同一環(huán)境下大多數(shù)人的冷熱感覺。該指標綜合考慮了人體活動程度，衣服熱阻（衣著情況），空氣溫度，平均輻射溫度，空氣流動速度和空氣濕度等六個因素。因此可用PMV 指標（表3）預測熱環(huán)境下人體的熱反應。ISO 提出-0.5＜PMV＜0.5 時滿足人體熱舒適要求。

表3 PMV 熱感覺標尺

截取溫室展廳1.5 m 高度處的PMV 剖面圖，上送下回空調方式夏季和冬季PMV 分布分別如圖3（a）、圖3（b）所示。

圖3 距地面1.5 m 處的PMV 分布圖

夏季空調工況下，溫室展廳距離地面1.5 m 高度處大部分區(qū)域-1＜PMV＜1，介于微暖與微涼之間，處于人體能接受的熱舒適度范圍內。但是風口正下方出現(xiàn)局部過冷現(xiàn)象，這是由于上部送風的旋流風口送風速度較大，且冷空氣沉降導致速度衰減過慢，使得風口垂直方向與風口周圍區(qū)域之間有比較明顯的溫度分層。冬季空調工況下，1.5 m 高度處大部分區(qū)域-0.5＜PMV＜0.5，滿足了冬季展廳內熱舒適要求。

2.2 側送下回空調方案模擬

同樣截取溫室展廳1.5 m 高度處的水平溫度剖面圖，側送下回空調方式夏季和冬季溫度分布分別如圖4（a）、圖4（b）所示。

圖4 距地面1.5 m 處的PMV 分布圖

冬夏季室內1.5m 高度處的溫差均控制在1 ℃左右（近壁面除外），夏季空調工況的溫度場在23 ℃左右，冬季空調工況的溫度場在24.5 ℃左右，均滿足溫室室內設計溫度要求，達到了較好的氣流組織效果。

截取溫室展廳1.5 m 高度處的PMV 剖面圖，側送下回空調方式夏季和冬季PMV 分布分別如圖5（a）、圖5（b）所示。

圖5 距地面1.5 m 處的PMV 分布圖

夏季室內1.5 m 高度處大部分區(qū)域-0.5＜PMV＜0.5（近壁面除外），冬室內1.5 m 高度處0＜PMV＜1，均可滿足溫室內人體熱舒適要求，達到了較好的氣流組織效果。

2.3 模擬結果比較分析

為比較上送下回與側送下回空調方式的氣流組織特點，取y=3 m、y=9 m 和y=12 m 三個截面距地面1.5 m 高度處的溫度、相對濕度、速度的平均值，分別作出不同工況下展廳1.5 m 處平均溫度，平均相對濕度和平均速度沿X 軸方向的變化曲線。

圖6 不同工況下展廳1.5 m 處平均溫度沿X 軸方向的變化曲線

1）從圖6 中可以看出不同工況下溫度沿X 軸方向的變化情況，側送下回空調方式的溫度場比較均勻，冬季溫差甚至在0.5 ℃以內，基本達到25 ℃室內設計參數(shù)，而夏天更是低于設計溫度2 ℃左右。冬季側送工況無論是從溫度還是均勻性角度，均優(yōu)于冬季上送工況，這是因為冬季熱氣流上浮現(xiàn)象，導致氣流下送困難，甚至送風氣流在下送過程中被冷空氣中和。夏季上送工況擾動較大，尤其是風口正下方，與周圍區(qū)域相比，溫差甚至大于1 ℃。送風高度越高、送風速度越大，氣流場受到的擾動越大、越不容易得到控制。

側送下回空調方式，也就是分層空調[6]，實際上承擔的負荷并不是全室空調的負荷，而為了與上送下回方式對比，設計時是按照全室空調負荷進行計算。因此，采用分層空調可以提高送風溫度、減少送風風量，從而降低空調能耗。

2）從相對濕度變化曲線（圖7）來看，除了夏季上送工況中由于風口往下直吹射程衰減太慢（送風相對濕度為94%），導致送風口正下方相對濕度偏大，其他工況均保持較好均勻性，且相對濕度均控制在60%-70%之間，滿足室內濕度設計要求。

圖7 不同工況下展廳1.5 m 處平均相對濕度沿X 軸方向的變化曲線

3）為滿足冬季上送室內溫濕度設計要求，上送旋流風口為Φ630mm，而這一尺寸對于夏季送風偏小，導致夏季送風速度偏大，使得風口正下方風速接近1 m/s，可以通過調節(jié)旋流風口送風角度以解決夏季送風局部過冷的問題。

在溫室內，氣流流速保持在0.5 m/s 左右時，可以促進植物的呼吸作用和蒸騰作用，氣流效果最佳，超過5.0 m/s 的風速則會給植物造成物理障礙[7]。從圖8中速度變化曲線可以看到，除夏季上送工況風口正下方區(qū)域，各工況速度分布均保持較好的穩(wěn)定性與均勻性。而側送下回與上送下回空調方式相比，冬季側送工況風速在0.15 m/s 左右，夏季側送工況風速也穩(wěn)定在0.3 m/s 左右，無論是從風速還是穩(wěn)定性角度，均優(yōu)于上送下回方式。

圖8 不同工況下展廳1.5 m 處平均速度度沿X 軸方向的變化曲線

4）側送下回空調方式冬季PMV 值大于0，介于適中與微暖之間，表明冬季側送工況有較大的優(yōu)化空間。且夏季側送工況不存在明顯的局部過冷現(xiàn)象，因此綜合考慮側送方式效果更好。

3 結論

本文以高大空間溫室展廳為研究對象，模擬了上送下回、側送下回兩種空調方式下的室內氣流組織，通過分析冬夏季不同送風方式下工作區(qū)的氣流組織特點，綜合考慮冬夏季室內溫度、相對濕度和速度分布狀況及人體熱舒適，得出結論：溫室展廳更適宜采用側送下回空調方式。因此，可以利用Airpak 軟件，通過調整分層空調的送風高度、送風角度、送風速度等參數(shù)，進一步對空調區(qū)的氣流組織形式進行優(yōu)化，對空調的設計和改進具有一定借鑒意義。