大學(xué)寢室空調(diào)氣流組織數(shù)值模擬研究

王 鋒

(沈陽(yáng)建筑大學(xué)市政與環(huán)境學(xué)院,沈陽(yáng)110168)

1 研究概況

隨著近年來(lái)高校在校人數(shù)越來(lái)越多,各大高校學(xué)生宿舍相對(duì)緊缺,宿舍人員擁擠,直接導(dǎo)致寢室的環(huán)境質(zhì)量的下降。寢室是高校學(xué)生主要的生活場(chǎng)所,每天呆在寢室的時(shí)間至少在8個(gè)小時(shí)。在東北,尤其是冬季,室外氣溫很低,在-20℃左右,幾乎很少開(kāi)窗,如果沒(méi)有合理的氣流組織及新鮮的空氣補(bǔ)給,學(xué)生就會(huì)感覺(jué)頭暈等不適癥狀,因此對(duì)寢室進(jìn)行合理的氣流組織有重要的意義。

本文以沈陽(yáng)市某高校學(xué)生寢室為例,模擬了兩種送風(fēng)形勢(shì)下的冬季室內(nèi)溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)、空氣齡及舒適度的變化。

2 模型介紹

本文研究?jī)煞N氣流組織下的物理模型,模型1為上送上回,如圖1所示。房間尺寸為6m×3m×4m(X,Y,Z),坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)在地板右后角。模型2為下送上回。兩種模型只有送風(fēng)口大小和位置不同,其他條件相同。

模型采用一個(gè)送風(fēng)口,一個(gè)回風(fēng)口,尺寸分別為0.4m×0.15m、0.4m×0.2m;送風(fēng)口溫度為28℃,濕度為50%,X方向風(fēng)速為1.9m/s,Y方向風(fēng)速為-1.1m/s;距離地面2m,東外墻、南外墻、南窗熱流密度分別為-48.3W/m2、-48.2W/m2、-101.2W/m2;燈具散熱量為50W;人員數(shù)為3,由于冬季人員穿著衣服較厚,所以不考慮人員散熱。

模型2為下送風(fēng)上回風(fēng),考慮到送風(fēng)口距離人員較近,所以送風(fēng)口比模型 1的大一些,尺寸為0.5m×0.2m,水平送風(fēng),沿X負(fù)方向,速度為1.33 m/s,溫度28℃,送風(fēng)口距離地面0.2m,如圖2。

3 方案數(shù)值模擬

3.1 室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)及邊界條件

沈陽(yáng)市冬季室外空調(diào)計(jì)算溫度為-20℃,相對(duì)濕度為63%,室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為18℃,相對(duì)濕度50%。模型有兩面外墻,東外墻和南外墻,外墻及窗戶(hù)設(shè)置熱流密度,其他面均為內(nèi)墻,地板屋面為絕熱邊界。回風(fēng)口壓力為環(huán)境壓力。

3.2 模型假設(shè)

(1)因?yàn)榭諝饬魉佥^低,所以室內(nèi)氣體認(rèn)為是不可壓縮氣體,并符合Boussinesq假設(shè),豎直方向加速度為-9.81m/s2。

(2)流動(dòng)為穩(wěn)態(tài)湍流。

(3)不考慮漏風(fēng)影響。

(4)考慮輻射。

3.3 網(wǎng)格劃分

采用六面體網(wǎng)格,X、Y、Z方向最大距離分別為0.07m、0.06m、0.06m,共劃分了344699個(gè)網(wǎng)格。

3.4 基本控制方程和計(jì)算方法

流體的流動(dòng)過(guò)程遵循物理守恒定律,基本的守恒定律包括:質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律。能量守恒定律和組分守恒定律。本文采用湍流模型對(duì)室內(nèi)氣流組織的氣流流動(dòng)情況進(jìn)行三維、定常、不可壓縮的湍流氣流流動(dòng)的數(shù)值模擬。Airpak中含有四種湍流模型。分別是混合長(zhǎng)度零方程模型。室內(nèi)零方程模型、標(biāo)準(zhǔn)的 κ-ε兩方程模型及RNGκ-ε兩方程模型[2]。本文選用室內(nèi)零方程。

采用SIMPLE(求解壓力耦合方程組的半隱式法)算法聯(lián)立求解各離散方程,除壓力采用二階迎風(fēng)格式進(jìn)行離散外,其他如動(dòng)量。紊流脈動(dòng)動(dòng)能和紊流動(dòng)能耗散率均采用一階迎風(fēng)格式進(jìn)行離散。

4 模擬結(jié)果及分析

由圖3至圖6可以看出由于風(fēng)口布置的不同,溫度差別較為明顯。兩模型豎直方向溫度變化很明顯,這說(shuō)明空氣自送風(fēng)口送出后,擴(kuò)散較快。越靠近地面溫度越小,靠近窗戶(hù)和外墻的溫度較低,這與實(shí)際情況相符。模型1在1m以下在15℃左右,小于設(shè)計(jì)溫度18℃。人員有明顯冷感,特別是人的腳部。模型2在靠近送風(fēng)口處溫度最高,離開(kāi)送風(fēng)口后溫度衰減較為明顯,在門(mén)口處溫度最低,在15℃左右,這是因?yàn)榫嚯x送風(fēng)口較遠(yuǎn),由于人員不會(huì)長(zhǎng)時(shí)間停留在門(mén)口,所以不會(huì)有冷感。在距地面1m處,人員活動(dòng)區(qū)溫度 18℃左右,滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。距地面1.7m到2m之間為人員休息區(qū),兩個(gè)模型在這個(gè)區(qū)域溫度分別在18℃至19℃和19℃至21℃之間,都能很好的滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

由圖7和圖8可以看出,模型1在人員活動(dòng)區(qū)速度分布很均勻,風(fēng)速在0.1m/s左右,人員沒(méi)有吹風(fēng)感,感覺(jué)較為舒適;模型2在人員活動(dòng)區(qū)的速度梯度比模型1的明顯要大,風(fēng)速最大在0.4m/s,這是由于模型2送風(fēng)口的下置的原因,靠近風(fēng)口風(fēng)速較大,由圖9可以看出空氣明顯的卷席作用,由于最大速度小于0.5m/s,所以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

圖10 模型2 Z=2處空氣齡分布

圖9和圖10是兩模型在Z=2處的空氣齡的分布,所謂空氣齡是指房間內(nèi)某點(diǎn)處空氣在房間內(nèi)已經(jīng)滯留的時(shí)間,空氣齡越小,空氣質(zhì)量越好,反之,空氣質(zhì)量越差,反映了室內(nèi)空氣的新鮮程度,它可以綜合衡量房間的通風(fēng)換氣效果,是評(píng)價(jià)室內(nèi)空氣品質(zhì)的重要指標(biāo)[1]。由以上兩圖可以清晰看出送風(fēng)口的位置對(duì)空氣齡分布的影響,模型1在人員活動(dòng)區(qū)的空氣齡在700s左右,在送風(fēng)口下方空氣齡偏差,這是由于受送風(fēng)口和回風(fēng)口位置的影響,在送風(fēng)口下部處產(chǎn)生很大的回流氣流,回風(fēng)本應(yīng)該流向回風(fēng)口,但由于送風(fēng)口處氣流的卷吸作用,使得空氣再次被吹向工作區(qū),所以回旋氣流內(nèi)的污濁空氣較難快速排出,在距地面1.7m處為床鋪所在高度,夜晚人員活動(dòng)很少,加之人員排出大量污濁氣體,這會(huì)使得這一區(qū)域空氣品質(zhì)更差。相比模型1,模型2空氣齡明顯小很多,人員活動(dòng)區(qū)空氣齡在300s左右,靠近送風(fēng)口處空氣齡最小,在回風(fēng)口處下方空氣齡達(dá)到最大,為500s左右,污濁空氣能夠及時(shí)排出,人員感覺(jué)較為舒適。

圖11和圖12是兩模型在Y=2處的PPD的分布情況,PPD(Predicted percent dissatisfied)是指表示人群中對(duì)熱環(huán)境不滿(mǎn)意的百分?jǐn)?shù),該指標(biāo)是通過(guò)概率分析確定某環(huán)境下人群不滿(mǎn)意的百分?jǐn)?shù)。由圖11和圖12可以看出,模型1人員活動(dòng)區(qū)大部分在15%左右,在回風(fēng)口附近甚至達(dá)到20%,模型2人員活動(dòng)區(qū)域的PPD在10%以下,只有在靠近外墻和窗戶(hù)附近PPD較高,這是由于外墻及窗戶(hù)由于直接和外界接觸,溫度較低而導(dǎo)致的,模型2整體上滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求,人員舒適度明顯優(yōu)于模型1。

圖11 模型1 Y=1m處PPD分布圖

圖12 模型2 Y=1m處PPD分布圖

5 結(jié)論

(1)寢室空調(diào)采用模型1上送上回的送回風(fēng)方式在溫度上略低于設(shè)計(jì)溫度,人員活動(dòng)區(qū)的風(fēng)速較小,能很好滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

(2)下送上回的送回風(fēng)方式在溫度上能夠很好地滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求,這樣在滿(mǎn)足同樣的溫度需求時(shí),模型2耗能就小于模型1[3]。因?yàn)樗惋L(fēng)口在下部,靠近人員,所以人員活動(dòng)區(qū)風(fēng)速相比于模型1較大,但能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求,在空氣齡及PPD方面明顯優(yōu)于模型1,究其原因是由于置換通風(fēng)在換氣效率上優(yōu)于傳統(tǒng)的混合式通風(fēng)[4]。

(3)現(xiàn)在大部分寢室還是采用模型1,這是由于模型1風(fēng)管布置較為方便,因?yàn)椴捎玫蹴斕幚?所以能很好的和室內(nèi)裝飾相配合,顯得美觀大方。模型2在實(shí)際施工中風(fēng)管布置較為麻煩,占用室內(nèi)空間。

[1]L.巴斯德(匈牙利)著,傅忠誠(chéng)等譯.房間的微熱氣候[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1987

[2]AirPak軟件資料.http://www.fluent.com/

[3]王子介.低溫輻射供暖與輻射供冷[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004

[4]李錚偉,劉艷華,周敏.某報(bào)告廳空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及其能耗分析[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào),2004,23(2):44-46