輻射換熱對置換通風負荷及通風效率影響的數值分析

摘要：利用CFD商用軟件，采用Realizable"k-ε雙方程湍流模型，在人員區采用多孔介質模型，輻射換熱采用離散坐標（DO）模型計算，對一置換通風房間在夏季空調室外逐時綜合溫度和室內熱源共同作用下的情況，分別考慮輻射換熱和不考慮輻射換熱進行了非穩態數值模擬計算，獲得了兩種算法下，該房間的置換通風負荷和通風效率并進行了對比分析。結果表明，置換通風房間上區向工作區轉移的熱量在最大負荷時刻占工作區總負荷的30%左右;計算輻射時的通風效率比不計算輻射的通風效率小約16%。

關鍵詞：輻射換熱，置換通風負荷，通風效率，非穩態數值模擬

1"模擬對象概述

本文以西安某大學的一多媒體會議室（如圖1所示）為研究對象。該房間有一面西外墻，3面內墻，一扇內門，一面西外窗，頂棚直接與室外空氣接觸，地板與內墻均假定為絕熱。送風口位于南內墻底部;排風口尺位于北內

圖1""模擬對象示意圖

墻上部;室內人員（坐姿）

聚集區尺寸為""""""""""""""""""""1-air"inlet，2-air"outlet，3-window，4-occupant"zone

長×寬×高=7.2"m×4.4"m×1.1"m，頂棚燈光設備假定為均勻分布。外窗尺寸為長×高=5.4"m×1.5""m，窗戶下緣距地高度為1.0"m，位于西墻中間。上述"“長”均指y方向，“寬”均指x方向，“高”為z方向。

2數學模型

2.1"湍流模型

在模擬室內氣流的混合流動與換熱時，本文選用了Realizable"k-ε模型。在近壁區，采用標準壁面函數法處理。

2.2"輻射模型

本文采用離散坐標模型進行輻射換熱計算。

2.3"流固耦合

流固耦合問題的數值解法本文選用整場離散，整場求解來進行計算。

2.4"浮升力處理

自然對流的浮升力作用采用Boussinesq假設處理[6]。

2.5"多孔介質模型

為了簡化模型，節省計算機內存和計算時間，室內人員區按多孔介質處理。人員區人體的發熱量和由窗戶透過照在人員區的太陽輻射熱量合起來作為多孔介質的內熱源。

2.6"邊界條件等設置

本文取送風口風速0.23"m/s，送風溫度為20"℃;排風口邊界條件設置為壓力出口。外墻和頂棚外表面設置為對流換熱邊界條件，表面傳熱系數用復合換熱表面傳熱系數。窗玻璃設置為零厚度壁面，其熱邊界條件也設置為對流換熱，窗戶透過的日射負荷按設計手冊給定并假設均勻分布到人員聚集區。內墻、地板和門內表面均設為絕熱表面。照明燈貼近頂棚內表面安裝，其散熱采用在貼近它的空氣網格內附加源項的方法處理。

3"數值模擬方法

采用結構化非均勻網格，由于人員區采用多孔介質模型，因此網格布置較稀。外墻及頂棚內的網格空間步長為5"cm，室內網格最小步長為8"cm，最大為15"cm，網格總數為47"017個。

進行非穩態數值計算時，取時間步長為6"s，各控制方程的離散采用有限容積法。壓力插值格式采用Body""Force""Weighted格式。采用CFD軟件進行計算時，同時在k方程和ε方程中計及浮升力的影響。壓力-速度耦合采用SIMPLE算法，動量、能量及k和ε方程均采用二階迎風離散格式。

計算收斂與否通過觀察殘差的變化趨勢和能否達到殘差控制指標，結合分析計算結果的合理性綜合加以判斷。本文能量及輻射方程的殘差指標為10-6，其他方程為10-3。

本文的模擬對象是非穩態過程，而溫度場是周期性變化的主要參數，也是我們關心的重點內容，因此，我們以溫度變化的大小為判斷標準，當兩個相鄰周期各個時刻的工作區平均溫度差小于0.01℃時，即認為模擬對象已經進入了周期狀態，可以輸出模擬結果。

4輻射換熱對置換通風負荷及通風效率的影響分析

為了校核本文置換通風系統設計的合理性，首先將計算出的室內參數與ISO7730置換通風設計標準進行對照。送風速度和送風溫度已如前述符合規定。室內工作區平均溫度均為26"℃左右，風速均小于0.3m/s，也滿足要求。z=0.1m和z=1.7m的最大溫差為2.9℃，也滿足小于3℃的規定。可見氣流組織是合理的。下面對考慮輻射和不考慮輻射兩種算法所得負荷和通風效率進行分析：

根據數值模擬所得的溫度分布可以求出全室負荷、工作區負荷即置換通風負荷以及通風效率

式中：V為系統送風量（）;為送風溫度;為排風溫度;為工作區平均溫度。

美國置換通風設計指導提出了置換通風通風效率的計算公式：

—換氣率，次/小時;

Qoe—工作區人員及設備產生的負荷，W;

Q1—頂部燈光產生的負荷，W;

Qex—外墻外窗傳熱及太陽輻射得熱，W;

Qt—全室負荷，W;

上式使用范圍：

〈1〉"2.43m≤H≤5.5m""（H為房間高度）"""""""""""""〈2〉"2≤n≤15

〈3〉"21W/m2≤≤120"W/m2（A為房間地板面積）"〈4〉"0.08≤≤0.68

〈5〉"0≤≤0.43""""""""""""""""""""""""""""""〈6〉"0≤≤0.92

根據本文模擬所得到的數據，采用式（3）即可求出通風效率。為了便于比較我們將本文計算的通風效率記為η1，式（4）計算值記為η2，用△η=（η1-η2）/η2表示兩者相對偏差，公式（4）是由穩態模型得出的，因此本文選擇空調負荷最大時刻19：00為計算時刻，兩種算法的相對偏差。η1=1.7，η2=1.88，△η=（η1-η2）/η2=9.57%

兩種工況采用上述公式進行計算所得結果如下圖：

由上圖可以看出，在任何時刻不計算輻射所得的負荷都比計算輻射所得負荷要小，并且兩者的偏差還比較大;兩者的相對偏差隨時間的變化而變化，大約在最大負荷時刻兩者相對偏差最小，但此時兩者的偏差仍在30%以上，由此可見，置換通風房間上區向下區轉移的輻射熱對工作區負荷有相當大的影響。不計算輻射換熱時的通風效率比計算輻射時要高出一些，兩者相對偏差約為16%，在工程上可以接受。不計算輻射換熱時，上區向下區的輻射熱被忽略，這樣會使工作區負荷偏小，而通風效率的能量表達式為全室負荷與工作區負荷之比，即，在全室負荷不變的情況下，工作區負荷偏小，則通風效率會偏高。

5結論

（1）輻射換熱對置換通風等具有熱力分層式空調系統的冷負荷具有重要影響。上區向工作區轉移的熱量在最大負荷時刻占工作區總負荷的30%左右。

（2）輻射換熱對置換通風通風效率有一定的影響。計算輻射時，通風效率比不計算輻射小約16%。

（3）數值模擬時，用多孔介質模型處理人員區是可行的，既簡化了模型，節省了計算機內存和計算時間，又能獲得較合理的結果。