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        空調(diào)室內(nèi)氣流組織與熱舒適數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)

        2013-11-21 03:56:00謝東劉澤華熊軍莫順權(quán)
        關(guān)鍵詞:氣流組織氣流舒適度

        謝東 劉澤華 熊軍 莫順權(quán)

        南華大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院

        0 引言

        在舒適性空調(diào)房間中,人體的熱舒適度除與室內(nèi)空氣溫濕度有關(guān)外,還受氣流組織、氣流速度等多種因素的影響,其中氣流組織決定了氣流的溫度和速度分布,以及房間內(nèi)污染濃度的分布,因此氣流組織的優(yōu)化設(shè)計能夠在滿足人體熱舒適度的前提下降低空調(diào)系統(tǒng)的能耗和提高空調(diào)室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量。本文對夏、冬兩季空調(diào)房間內(nèi)三種不同氣流組織條件下室內(nèi)的人體熱舒適狀況進(jìn)行了數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究,以達(dá)到優(yōu)化氣流組織設(shè)計、降低空調(diào)系統(tǒng)能耗及提高室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量的目的。

        1 CFD建模及計算方法

        1.1 物理模型的建立

        二維計算模型大小(3.0m×3.0m),用來模擬有人和一些家具的辦公室房間,見圖1,人體以等效長方體表示(0.8m×0.3m)。模型采用結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格,為了增強(qiáng)數(shù)值解的穩(wěn)定性,在送回風(fēng)口、人體、墻壁和家具邊界細(xì)化網(wǎng)格(圖2)。

        1.2 控制方程

        本文的計算中,假定室內(nèi)氣流流動為定常、不可壓縮流動??刂品匠谭謩e為質(zhì)量輸運(yùn)的連續(xù)性方程,求解動量的Navier-stokes方程、能量方程及湍流k-ε兩方程模型。把上面物理模型簡化假設(shè)考慮進(jìn)去,針對本文所建立的數(shù)學(xué)模型,其基本形式與各控制方程具有相同的形式,可以使用如下通用方程表示[4]:

        式中:ρ,U分別為密度、速度矢量;φ為通用變量,代表U,V,k,ε 和 1,當(dāng) φ=1時即為連續(xù)性方程;Γφ 為通用變量φ的有效擴(kuò)散系數(shù);Sφ為源項(xiàng)。k-ε兩方程模型中的幾個系數(shù)取值如下:Cμ=0.10;σk=1.00;σε=1.30;

        圖1 空調(diào)房間示意圖(cm)

        圖2 計算網(wǎng)格的分布圖

        1.3 邊界條件及計算方法的選取

        1)物理描述:由于實(shí)際空氣是黏性流體,雷諾數(shù)為 4.5~7.7×107,確定為湍流流動,選擇 k-ε 兩方程湍流模型計算室內(nèi)流場。流動與換熱處于穩(wěn)定狀態(tài),空氣為不可壓流體,物性為常數(shù),引入Boussinesq假設(shè)[6]。

        2)邊界條件:夏季:速度入口設(shè)置,大小為0.6m/s,送風(fēng)溫度為20℃;墻壁恒溫30℃;地面和家具面溫度26℃。冬季:速度入口設(shè)置,大小為0.85m/s,送風(fēng)溫度27℃,墻壁恒溫10℃,地面和家具面溫度20℃。出口為壓力出口設(shè)置,壓力大小等于環(huán)境大氣壓力,無滑移壁面條件,采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)[7];人體散熱量為69.78W/m2。送回風(fēng)口尺寸為0.23m×0.23m,各種算例的參數(shù)設(shè)置見表1。

        表1各種算例的參數(shù)設(shè)置

        3)離散方法:采用基于壓力的耦合求解方法,動量、能量、k和ε均選用二階迎風(fēng)格式。

        4)計算精度:各流動項(xiàng)殘差小于10-5,能量項(xiàng)殘差小于10-6。

        2 夏季工況及計算結(jié)果分析

        圖3~5中給出了夏季工況上送下回、下送上回及側(cè)送下回三種不同氣流組織下室內(nèi)的PMV舒適度指標(biāo)和PPD預(yù)計不滿意率的分布狀況,計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同的氣流組織對人體熱環(huán)境影響較大。在0.6m/s的送風(fēng)條件下,上送下回方式使人有明顯的吹風(fēng)感,人體的上部和前部感覺偏冷,表現(xiàn)出顯著的不滿意感覺;下送上回方式人體比較舒適;側(cè)送下回方式對人體的影響較為明顯,人體前部和上部感覺偏冷,而背部感覺偏熱,人體感覺不舒適。

        圖4 Case B

        圖5 Case C

        3 冬季工況及計算結(jié)果分析

        圖6~8中給出了冬季工況上送下回、下送上回及側(cè)送下回三種不同氣流組織下室內(nèi)的PMV舒適度指標(biāo)和PPD預(yù)計不滿意率的分布狀況。在0.85m/s的送風(fēng)條件下,上送下回氣流組織方式人體頭部感覺比較舒適,背部感覺偏冷;由于熱浮力的影響,下送上回氣流組織方式人體周圍溫度比較均勻,感覺比較舒服,但腳踝部有吹風(fēng)感;側(cè)送下回方式對人體頭部有較強(qiáng)的吹風(fēng)感,舒適度較差,腳踝部感覺舒適。

        圖6 Case D

        圖7 CaseE

        圖8 CaseD

        4 標(biāo)準(zhǔn)氣流實(shí)驗(yàn)室熱環(huán)境測試

        標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境測試室[8]由可控的環(huán)境艙體、環(huán)境模擬系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)組成??煽氐沫h(huán)境艙體位于密閉的通風(fēng)房間內(nèi),環(huán)境艙體尺寸大小為3.0m×3.0m×2.6m。環(huán)境艙體有5個不同的進(jìn)、出口開關(guān)裝置,可以實(shí)現(xiàn)如上送側(cè)下回式、側(cè)下送上回式、側(cè)上送下回式等7種不同的氣流組織方式。本文使用瑞典產(chǎn)的SWEMA 3000儀測試了夏季工況上送下回、下送上回、側(cè)送下回三種氣流組織方式下的標(biāo)準(zhǔn)氣流室內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)氣流室實(shí)驗(yàn)條件參數(shù)見表2。

        表2 實(shí)驗(yàn)條件設(shè)置

        夏季工況下三種氣流組織下室內(nèi)熱舒適環(huán)境計算值與標(biāo)準(zhǔn)氣流室實(shí)驗(yàn)測試值對比如圖9所示,H=0.3 m和H=1.2 m分別代表人體頭部和腳踝部的高度。圖9(a)所示的氣流組織方式為上送側(cè)下回式,從圖中可以看到在人體頭部所在區(qū)域(H=1.2m,X=0.9~1.3m)數(shù)值計算值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較一致,人體背部有吹風(fēng)感,而面部感覺舒適;但在靠近氣流出口區(qū)域,即腳踝部(H=0.3m),計算值出現(xiàn)了較強(qiáng)的冷感,這與風(fēng)速在出口處增加有關(guān)。圖9(b)所示的氣流組織方式為側(cè)下送上回式,人體所在區(qū)域(H=0.3m和1.2m,X=0.8~1.5m)人體感覺較舒適,計算結(jié)果與數(shù)值結(jié)果一致,但在靠近風(fēng)速入口的腳部(H=0.3m)有一定的吹風(fēng)感。圖9(c)所示的氣流組織方式為側(cè)上送下回式,從圖中可以發(fā)現(xiàn)在人體區(qū)域(H=1.2m,X=1.0~1.3m)背部較舒適,但面部有吹風(fēng)感,腳踝部有冷感。

        圖9 PMV計算值與實(shí)驗(yàn)測試值對比圖

        5 結(jié)論

        本文通過對夏、冬兩季空調(diào)室內(nèi)三種不同氣流組織下人體熱舒適進(jìn)行數(shù)值模擬研究,研究結(jié)果表明,側(cè)下送上回的氣流組織方式人體的熱舒適PMV和PPD指標(biāo)較好,熱舒適感覺好。在夏季,上送下回氣流組織方式對人體頭部有吹風(fēng)感,而在冬季,這種氣流組織方式人體熱感覺較好,滿足我國標(biāo)準(zhǔn)對室內(nèi)熱環(huán)境滿意要求[9]。側(cè)上送下回方式對人體頭部有較強(qiáng)的吹風(fēng)感,熱舒適度較差。通過對夏季工況標(biāo)準(zhǔn)氣流室內(nèi)人體熱環(huán)境參數(shù)進(jìn)行測試,發(fā)現(xiàn)在側(cè)下送上回的氣流組織方式下人體所在區(qū)域熱感覺較好,但在靠近送風(fēng)口和回風(fēng)口區(qū)域,有較強(qiáng)的冷感。

        [1]Fanger PO.Thermal comfort:Analysisand Application in Environmental Engineering[M].New York:McCraw-Hill Company,1970

        [2] 中等熱環(huán)境 PMV和 PPD指數(shù)測定及熱舒適(GB18049-2000)[S].

        [3] 謝東,王漢青.不同氣流組織下夏季空調(diào)室內(nèi)熱舒適環(huán)境模擬[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào),2008,27(3):66-69

        [4]Xie D, Wang H, Deng Q, et al. Investigation on different ventilationpatterns in an office room[J]. Journal of Central South University ofTechnology, 2007, 14(S3): 66-70

        [5]Wang J S, Chan T L , Cheung C S, et al. Three-dimensional polluta-nt concentration dispersion of a vehicular exhaust plume in the realatmosphere[J]. Atmospheric Environment, 2006, 40(3): 484-497

        [6]Baskaya S, Eken E. Investigation of room air flow regarding effectsof occupants, inlet/outlet locations, inlet velocity, and winter/summerconditions[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer,2003,46(7): 1147-1156

        [7]Melikov A, Pitchurov G, Naydenov G, et al. Field study on occupantcomfort and the office thermal environment in rooms with displacem-ent ventilation[J]. Indoor air, 2005, 15(3): 205-214

        [8] 王漢青,湯廣發(fā),寇廣孝,等.空調(diào)建筑上送風(fēng)氣流組織型式下熱分層現(xiàn)象的規(guī)律研究[J].南華大學(xué)學(xué)報(理工版),2002,16(1):1-6

        [9] 采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范(GB50019-2003)[S].

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