某房間空調冬季工況模擬研究

羅霄　王英

摘 要：應用CFD技術，以k-ε方程為基礎，對某房間氣流在冬季工況條件下進行三維模擬計算，再對結果進行分析，依據通風及空氣調節在冬季工況下的標準，對室內氣流速度進行評判。

關鍵詞：速度矢量；流體動力學；數值模擬

計算流體動力學簡稱CFD，是指運用流體動力學的基本原理，通過建立數學物理模型，根據提供的合理的邊界條件和參數，對空調區域內氣流的速度場、溫度場、壓力場等進行模擬計算。而室內空氣的速度場、溫度場又是研究空調房間室內氣流組織設計及空調房間室內舒適環境評價的基礎。目前國內，研究人員對室內氣流研究主要集中在夏季對房間內空調制冷進行數值模擬，現本文以某房間冬季空調為模型，在考慮宿舍外界氣溫以及圍護結構及其熱工性能、空調系統的制冷、室內人員的散熱量等條件的基礎上，對室內的氣流進行了數值模擬。

1 數值模擬的物理模型（右圖）

2 數學模型

為了簡化問題，作如下假設：（1）室內空氣低速流動，可視為不可壓縮流體；（2）流動為穩態流動；（3）不考慮門和窗的影響（即門在關閉的狀態下，該房間沒有窗）；（4）不考慮漏風影響，認為房間氣密性良好。

在上述假設下，速度和溫度變量的控制方程如下：

邊界條件如下：（1）入口邊界：速度出口邊界條件：溫度為 23℃，速度為 1.37m/s。（2）出口邊界：使用outflow邊界條件。（3）壁面邊界：室內壁面邊界條件設為對流換熱邊界，外流體溫度為8 ℃，換熱系數0.89W/m2℃；屋頂邊界條件設為對流換熱邊界，外流體溫度為8℃，換熱系數0.9W/m2℃；地面邊界條件設為絕熱面；電視機設為常熱流邊界，經換算后熱流密度分別為 111.11W/m2；燈設為常熱流邊界條件，經換算后熱流密度為166.67W/m2。人體簡化為柱形，設為常熱流邊界條件，熱流密度為25.97W/m2；壁面均選用無滑移壁面邊界條件。

3 計算模型和算法

（1）使用紊流模型，選用κ-εstandard兩方程模型。（2）網格劃分：模型網格劃分數目為338524。（3）差分格式選用混合格式：求解方法為 SIMPLE算法；迭代次數為360步。（4）收斂判據：殘差足夠小，達到收斂判定條件。

4 室內氣流組織與溫度狀況分析

進風口的設定 T =23 ℃，V =1.37 m/s ；工況送風溫度T =23 ℃，送風速度 V =1.37 m/s 時，典型面上溫度、速度分布如圖1～8所示。從圖中可以看出熱空氣從空調送風口送入，在浮升力作用下上升，卷吸室內氣，被冷卻逐漸下沉。

底部氣流單向流動，在上部送風口附近送風的溫度達到了室內溫度的最大值 23 ℃，上部為主要的回流部分。距地板 0.8 m 的平面上，距風口越遠風速越小。

在靠近左右墻壁以及室內物體壁面處附近風速比中部大，整個工作區內風速均小于0.105m/s，室內工作區基本不會產生由吹風感，引起不適。能夠滿足房間舒適區的要求。

通過各斷面的溫度云圖可以發現：從圖2可以看出，電視機邊界背風面溫度高，在38.1℃到38.6℃，其他邊界面在27.8℃到到30.8℃之間；人體邊界空氣溫度在22℃到22.6℃之間；燈具邊界溫度在34.5℃到35℃之間，周圍空氣溫度在23.5℃到24℃之間；除此之外，房間內其他處的溫度分布大部分較為均勻，在21.4℃到22℃之間，空調器工作良好。

墻體邊界面的溫度分布，電視機和桌子遮擋空調熱風吹送，靠近電視機和桌子的墻體邊界面溫度最低，在15.1℃到15.6℃之間，其他墻體邊界面則在20.3℃到20.8℃之間。由于電視機和桌子的遮擋，y=0墻體和桌子、電視機之間溫度較低，在19.3℃到19.8℃之間燈和電視機的熱流密度較大，溫升影響的范圍也要大，相比較而言，人體的熱流密度小，他影響溫升的范圍相比較而言也要小。

5 結論

針對空調房間，利用κ-εstandard湍流模型對房間的室內溫度場和速度場進行了模擬。通過對模擬結果的分析，可得出以下結論：（1）當空調器出風速度為1.37m/s時，整個工作區內風速均小于0.105m/s，室內工作區基本不會產生由吹風感，引起不適。能夠滿足房間舒適區的要求。（2）房間工作區間溫度分布大部分較為均勻，在21.4℃到22℃之間，空調器工作良好。（3）物體背風側由于空調風不能直接送達，溫度較低。（4）這種空調器下側水平出風、上部風口回風的送風方式可以得到比較理想的溫度場、速度場，并且在人員活動區域人體感覺比較舒適。

參考文獻

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