帶阻擋的空調房間熱舒適的可及性研究

王漢青 張璨

湖南工業大學土木工程學院

帶阻擋的空調房間熱舒適的可及性研究

王漢青 張璨

湖南工業大學土木工程學院

本文通過建立相應的數學物理模型，對帶有阻隔的空調房間室內空氣環境進行了三維數值模擬，得出了室內流場、溫度場的分布圖，同時引用對流傳輸的概念，采用熱線進一步分析了混合對流房間中流體流動與傳遞過程，并對模擬房間進行了實驗測試，驗證了模擬的準確性。

數值模擬 空氣環境 熱線

0 引言

鑒于綜合采用溫度場、速度場以及熱線對室內熱環境進行分析的研究鮮少，特別是當房間中帶有阻擋導致送風不能直接抵達時空調效果能不能保證，即空調熱舒適的可及性如何，是一個非常復雜的氣流組織問題。本文用CFD模擬方法進行分析，且進行實測，得到了室內的流場、溫度場分布，同時利用對流傳輸概念將熱的傳輸過程可視化，更直觀地檢驗室內空氣環境的優劣，為評價室內空氣環境提供了新的途徑。

1 物理模型

空調房間的總尺寸為10.8m×5.4m×3.5m，由隔斷將房間分為兩個部分其中一間房間幾何尺寸為4.8m× 5.4m×3.5m，房間內有一張桌子尺寸為2.5m×1m× 0.8m，另有柜式空調機一臺，空調機送風口的尺寸為0.5m×0.3m，送風口距離地面1.65m，回風口尺寸為0.5m×0.7m，回風口距離地面0.1m。柜式空調機側放置在墻角，與墻壁成45°夾角。另一間房間尺寸為6m× 5.4m×3.5m，房間內熱源為15個人、24盞節能燈。為了簡化計算，人員為坐姿，坐標原點取整個房間的幾何中心，簡化的物理模型如圖1。

圖1 空調房間物理模型

2 數學模型

2.1 假設條件

由于空調房間送、回風過程中空氣流動為湍流流動，為了簡化問題，作如下假設：

1）室內空氣為粘性不可壓縮的流體，滿足Boussinesq假設；

2）空氣在房間內是穩態湍流流動；

3）不考慮透過玻璃的太陽輻射以及內部各傳熱表面的輻射影響；

4）房間各墻壁溫度均勻恒定，且均采用第一類邊界條件（定壁面溫度）；

5）不考慮漏風的影響，認為室內氣密性良好。

2.2 邊界條件

建立模型，并進行網格劃分。求解離散控制方程，模型各邊界條件簡化如下：

1）入口邊界：送風口為速度入口，送風速度為3m/s，送風口溫度為40℃，湍流動能取k=0.04，湍流動能耗散率取ε=0.008。

2）出口邊界：回風口定義為自由出流。

3）壁面邊界：房間內壁設為恒溫邊界，溫度為10℃；

4）其他邊界：人體設為熱源體，熱流量為1.96W/m2，燈為熱源體，熱流量1.7W/m2。

3 熱舒適的可及性分析

在進行三維模擬計算時，本文主要截取了人的腰部即距地面0.6m處，人的頭頂處即距地面1.2m處，以及Z方向上人員在不同位置的兩個平面即距北內墻1.65m、距南內墻1.65m處y-z垂直面來分析熱舒適的可及性。

3.1 空氣溫度分布

由圖2（a）、（b）可以看出，溫度沿水平方向整體分布較為均勻，溫差在2.8℃左右，滿足設計要求。在房間東北、東南角落溫度較高，是因為熱氣流通過隔斷前的缺口進入人員所在區域后，氣流沿圍護結構與冷空氣混合后下沉，熱量不能及時排除，形成溫度死角。在圖2（c）、（d）以及圖3中，沿垂直方向，表現出了明顯的溫度分層現象。垂直溫差較大，溫度分布較不均勻，尤其在內間，從圖中可清晰看到高溫集中在房間中部上空，這正是由于隔斷的原因使溫度無法及時散出造成的。且房間上部區域溫度達到25～28℃，而人員周圍溫度在19～22℃，最大溫差為2.3℃，雖不符合“頭涼腳熱”的規定，但符合國標《室內空調至適溫度》中規定的≤3℃的要求。

圖2 空氣溫度分布云圖

圖3 垂直溫度分布圖

3.2 送風射流的可及性

送風空調處于房間西北角，由圖4（a）、（b）可以看出，從送風口射出的熱氣流由于受到圍護結構及阻隔書架的阻擋不能直接送達人員周圍區域，只能通過隔斷前面的通道進行熱濕交換，氣流主要沿著圍護結構和隔斷流動形成回流，但在浮升力及射流不斷卷吸周圍空氣的作用下，氣流風速較小，滿足ASHRAE55-1992舒適標準冬季空氣流速小于0.15m/s的規定。但定量分析發現個別靠近隔斷區域，流速在0.25～0.38m/s之間，人員可能有明顯吹風感。再從圖4（c）、（d）中分析可得：由于冬季送風口所送的熱風呈上升趨勢，房間上部空氣擾動明顯大于下部，且從送風口射出的熱氣流大部分向上流動通過隔斷前的缺口進入人員所在房間。此后氣流沿天花板及內墻向下流動，當遇到人體熱源被加熱之后在浮升力作用下略有上升。總體看房間人員無明顯吹風感，體感較舒適。

圖4 空氣速度矢量圖

3.3 流線與熱線分布

如圖5、6所示的流線與熱線圖可更清楚地看出流體、熱的輸運路徑線，結合之前的溫度場、速度場等綜合分析可以看出，熱氣流在運動過程中受到障礙物及冷氣流的影響，射流方向發生一定偏轉，在房間內形成多處渦流區以及回流區，從而使人在空調房間內的舒適性受到影響。

熱量的傳遞方式主要為傳導、對流與輻射。本文中熱量傳遞方式主要是機械通風引起的強迫對流，通過內部熱源浮升力驅動的自然對流作用傳遞的熱量所占比例較小，正因如此，造成熱線分布與流線分布十分相似。此時如果設定K=0為基準溫度，則熱量傳遞過程均是相對于基準溫度而言的得熱與失熱過程。

圖5 室內空氣環境流線圖

圖6 室內空氣環境熱線圖

從熱線的垂直分布圖6（a）中可以看到，冬季送風口送出的大部分熱量上升后通過隔斷前面的缺口處進入人員所在區域發生熱量傳遞，隨后熱量通過浮力流驅動，在阻隔缺口處下方流回到空調機回風口。如圖6（b）所示夏季冷風流在向下運動的過程中不斷吸收熱量，溫度慢慢地上升，靠近地面流動進入人員所在區域進行熱量交換，隨后由于受到墻面的阻礙和熱空氣上升運動的影響，氣流沿著壁面向上爬升，最后通過阻隔缺口流向回風口。

綜合分析可見，雖然機械通風沒有直接送達人員所在區域，但室內人員大部分并沒有較多不舒適感，這是因為室內空氣環境中空氣流動與熱的傳輸結構是由外部機械通風引起的強迫對流與內部熱源浮升力驅動的自然對流的相互作用決定的。在有隔斷的情況下，較小的風速也能實現較舒適的熱環境，所以，即使有阻擋，該空調房間亦有較好的熱舒適可及性。

4 實驗測試及驗證分析

為了把實驗測試結果與模擬結果進行比較，對實際房間進行了測試。測點布置位置為距離地面0.1m、0.35m、0.6m、0.85m、1.2m的水平面上，布置16個測點，分布在桌子旁人體兩側位置。

圖7 空氣溫度模擬值與實測值比較

測試儀器有：德普多功能測量儀、紅外測溫儀及水銀溫度計，測溫儀器在測試之前都經過標準溫度計的標定和校正，測試結果的準確度可信。

測試數據為冬季房間空氣穩定后多次測試結果的平均值，為了便于分析這里只對比人體所在位置即0.6m，1.2m兩個平面。由圖7可知，試驗結果與模擬結果基本趨勢一致，這說明模擬值與實測值吻合得較好，模擬方法是可行的。

空氣流速的實測結果與空氣溫度的測試結果正好相反，實測值都要比模擬結果小，這是因為風速過小導致測量誤差過大造成的。

5 結論

本文對有阻擋空調房間流場分布進行了CFD分析，得出如下結論：

1）研究表明，帶有阻擋的空調房間雖然機械通風沒有直接送達內間人員區域，但由于外部機械通風引起的強迫對流與內部熱源浮升力驅動的自然對流相互協同作用，使阻隔區熱環境可滿足人體舒適要求。

2）本文提出了熱舒適可及性的概念，并證明采用CFD的方法分析帶阻隔的空調房間熱舒適可及性是可行的，通過數值模擬，得到的三維熱線可以很好地證明熱的傳遞機理。

3）實測結果與模擬值吻合較好，說明CFD仿真方法具有較高精度，是分析復雜氣流組織的有效方法。

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The Num e ric a l Sim ula tion Study of Air Indoor Expe rim e nt in Air-Conditioning Room w ith Ba rrie r

WANG Han-qing,ZHANG Can
School of Civil Engineering,Hunan University of Technology

Through establishing an appropriate mathematical and physical model,it is simulated in this paper a 3D air flow environment of an air-conditioned room with an obstruction and obtained the distribution of the interior flow field and the contours of temperature.Furthermore,it is analyzed the fluid flow and transfer process of mixed convection with heat-line according to the concept of flux transport.The simulation has been proved its accuracy by the measurements of the room.

numerical simulation,air environment,heat-line

1003-0344（2015）03-009-4

2014-3-18

王漢青（1963～），男，博士，教授；湖南省株洲市湖南工業大學土木工程學院（412007）；E-mail:zc334458@126.com

國家“十二五”科技支撐項目（2011BAJ03B07）