中學教室空調氣流組織的數值模擬研究

張春陽,林 豹

(沈陽建筑大學市政與環境工程學院,沈陽110168)

1 研究概況

中學教室作為人員相對比較集中的場所,室內空氣質量的好壞對人員的工作和學習效率都著有很大的影響。例如在人員密集場所,人員呼出大量二氧化碳,當室內存有高水平的二氧化碳時,如果沒有合理的氣流組織以及新鮮空氣補給,就會使人產生瞌睡、頭暈等不適癥狀。因此對教室等人員集中區域進行合理的氣流組織具有積極重要的意義。

本文模擬了真實尺度下教室空間的溫度場和速度場以及室內空氣齡變化,為中學教室通風空調模式的選擇提供參考。

2 模型介紹

本文研究了2種氣流組織下的物理模型,物理模型如圖1所示。坐標原點設在房間地板的右后角,房間的幾何尺寸為8m×5m×3m。在不改變房間送、回風口的尺寸、形式、數量和送風口的送風參數的情況下,僅通過改變送、回風口的位置來改變氣流組織形式,分別計算出房間的速度場、溫度場、PMV、PPD,從而對設計方案進行分析、選擇。

模型采用2個送風口1個回風口,送、回風口尺寸相同。送、回風口及窗戶的尺寸分別為0.32m×0.2m和3.5m×1.5m;送風口和窗戶的溫度分別為20℃和36.3℃;送風口風速為3m/s。熱源的尺寸及散熱量分別為:人體:1.73m×0.3m×0.2m,58.2W/m2;燈具:0.2m×1.2 m×0.15 m,34W。

2種送、回風口的布置方式分別為:送回風口居一側,回風口居一側,以下簡稱模型A;送風口居兩側,回風口居中,以下簡稱模型B。

物理模型見圖1。

圖1 物理模型 (Figure 1 Physical modal)

3 方案數值模擬

3.1 邊界條件

依據當地的氣象資料,夏季空調室外計算溫度為36.3℃。由手冊查得教室空調室內設計溫度為26℃,相對濕度50%。模型設一面外墻,其他三面均為內墻。地板和屋面為絕熱邊界。送風口位于房間右側墻壁,設計空調送風溫度為20℃,風速為3m/s,回風口壓力為環境壓力。

3.2 模型假設

(1)空調室內氣體為不可壓縮且符合Boussinesq假設,即認為流體密度僅對浮生力產生影響。

(2)流動為穩態湍流。

(3)氣流為低速不可壓縮流。

(4)考慮了漏風的影響,由于室內人員出入比較頻繁,假設門開啟一定角度。

根據以上假設其控制方程為:

3.3 網格劃分

采用六面體網格,對送風口等溫度梯度,速度梯度較大的地方,進行網格加密。

3.4 控制方程及計算方法

在工程應用的模擬中,可能用到的模型主要有標準k-ε模型、低雷諾數k-ε模型、整合后的k-ε模型 (RNG)、零方程模型等。本文采用室內零方程模型。零方程模型在模擬空調房間的空氣自然對流和混合對流收到很好的模擬效果,所以,本文采用1998年Chen提出的新的零方程模型。

所謂零方程模型,是指不需要微分方程而是用代數方程式把湍流黏性系數與時均值聯系起來的模型,該模型應用方便,且計算量比k-ε模型小得多。利用有限容積法來解決三維穩態不可壓縮粘性流體的湍流流動。采用SIMPLE(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations,求解壓力耦合方程組的半隱式法)算法聯立求解各離散方程,除壓力采用二階迎風格式進行離散外,其它如動量、紊流脈動動能和紊流脈動動能耗散率均采用一階迎風格式進行離散。

4 模擬結果及討論

由圖2、3可以看出,送、回風口的布置形式對教室內的流場影響較大。送風口布置在教室側墻,采用側送風口,送風氣流從頂棚貼附射流,不斷卷吸周圍空氣,速度逐漸衰減,冷氣流下降,在教室下部的座位處形成流動漩渦,人員處于氣流漩渦中,有利于人員對空氣流動的需求。與模型B比較,模型A由于回風口距一側送風口距離較遠,造成空氣回流不暢,其空氣擾動性比模型B的空氣擾動性差,進而容易形成空氣死角。

由圖4～7溫度分布可以看出,在人員活動高度區域溫度分布比較均勻,基本達到設計溫度要求。位于回風口位置前端溫度偏離設計值較高,主要是受回風口位置的影響。送風射流到達墻壁后受到阻擋,在回風口前端形成渦流區。設備、人體散熱及外墻傳熱對教室內溫度場的影響較大。在靠近外墻區域溫度比中心區域溫度略高,主要是考慮了夏季外墻傳熱的結果。由于風口布置位置的原因,模型A距送風氣流中心位置較遠區域的上部溫度偏高,垂直溫度分布差別較大。但在人員活動的下部區域,隨著送風氣流的卷吸下沉以及渦旋擾動的作用,兩種模型在人員活動的大部分區域溫度基本達到設計要求,滿足人員舒適性的要求。

空氣齡是指空氣進入房間的時間,作為衡量空氣新鮮程度與換氣能力的重要指標。房間中某一點的空氣齡是指該點所有微團空氣齡的平均值。空氣年齡越小,空氣質量越好,反之,空氣品質越差。由圖8、9截面Z=2.5m處的空氣齡分布圖可以看出,位于送風口正前方送風區域的空氣齡較小,空氣相對比較新鮮。回風口前方下部區域空氣齡值較大,特別是模型A,受回風口位置的影響,在教室后部區域產生很大的回旋氣流,因回旋氣流內的污濁空氣較難快速排出,空氣品質相對較差,容易形成空氣流動死角。相比之下,模型B的空氣平均年齡較小,空氣相對比較新鮮,沒有出現空氣死角,氣流組織較為合理。

圖9 z=2.5m截面模型B的空氣齡分布 (Figure 9 z=2.5m mean age of air chart of model B)

圖10 Y=1m處模型A的PPD圖(Figure10 y=1 m PPD chart of Model A)

預測不滿意百分比PPD(Predicted percent dissatisfied)指標表示人群對熱環境不滿意的百分數。該指標是通過概率分析確定某環境條件下人群不滿意的百分數。由圖10、11的PPD分布可以看出,模型A在教室前端區域PPD值在10%以下,但在人員較為集中的中后部區域PPD值在20%以上。模型B的大部分區域的PPD值在10%左右,在回風口前端靠近外墻處PPD值較高,究其原因,主要是因為夏季外部熱空氣通過外墻傳熱以及該處的空氣紊動性較差的結果。

圖11 Y=1m處模型B的PPD圖(Figure11 y=1 m PPD chart of Model B)

5 結論

(1)教室空調系統采用側送風口、上送上回的送風方式,基本滿足送風射程要求,使人員處于氣流漩渦和回流區中,有利于人員對空氣流動性的需求。

(2)在相同的設計條件下,采用不同的送風方式,可營造出不同的空調效果。對于溫度場和速度場來說,采用兩側送風中間回風的模型B的空氣擾動性以及溫度分布的均勻性要明顯優于模型A;對于人員舒適性來說,模型B整個空間的空氣擾動性要強于模型A,對于人員相對比較集中的教室空調系統,滿足了人員對空氣流動性需求,更容易滿足人員的舒適要求;就室內空氣品質而言,模型A在教室的后部區域出現了空氣死角,模型B空氣品質明顯高于模型A。

[1]趙彬,李先庭,彥啟森.置換通風的數值模擬.應用力學學報,2002,19(4):75-79

[2]AirPak軟件資料.http://www.fluent.com/

[3]陶文銓.數值傳熱學(2版)[M].西安:西安交通大學出版社,2001:78-85

[4]陸耀慶.實用供熱空調設計手冊[M].北京:中國建筑工業出版社,1993

[5]趙榮義.空氣調節 [M].北京:中國建筑工業出版社,1994

[6]王福軍.計算流體動力學分析 [M].北京:清華大學出版社,2004