呂　潔， 張　瓊， 周　勃， 王　慧

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院， 沈陽(yáng) 110870)

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自然通風(fēng)作用下計(jì)算機(jī)房夏季熱環(huán)境數(shù)值模擬*

呂潔， 張瓊， 周勃， 王慧

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院， 沈陽(yáng) 110870)

為了研究自然通風(fēng)作用下計(jì)算機(jī)房夏季熱環(huán)境能否滿足學(xué)生舒適度的需要，通過對(duì)計(jì)算機(jī)房實(shí)地測(cè)量，利用測(cè)量數(shù)據(jù)建立數(shù)學(xué)模型，并以部分測(cè)量參數(shù)作為模型的邊界條件，利用CFD軟件對(duì)計(jì)算機(jī)房進(jìn)行數(shù)值模擬.將模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，表明計(jì)算機(jī)房?jī)?nèi)溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)的數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果趨于一致.通過分析模擬結(jié)果，找到計(jì)算機(jī)房通風(fēng)不良的位置，并對(duì)該處的設(shè)計(jì)缺陷提出相應(yīng)建議，對(duì)計(jì)算機(jī)房的熱舒適性做出分析，且對(duì)機(jī)房空調(diào)設(shè)計(jì)給出具體建議.結(jié)果表明，自然通風(fēng)作用下計(jì)算機(jī)房夏季熱環(huán)境不能滿足學(xué)生舒適度需要，且計(jì)算機(jī)房應(yīng)當(dāng)安裝空調(diào).

自然通風(fēng)； 計(jì)算機(jī)房； 降低能耗； 熱環(huán)境； 舒適度； 計(jì)算流體力學(xué)； 數(shù)值模擬； 實(shí)地測(cè)量

能源是人類生存和發(fā)展的重要基礎(chǔ)資源，開發(fā)和利用可再生能源對(duì)環(huán)境保護(hù)、減少溫室氣體排放、優(yōu)化我國(guó)能源組織結(jié)構(gòu)等方面具有十分重要作用[1].事實(shí)證明，建筑能耗與環(huán)境密切相關(guān)，找到合理的方式減少對(duì)空調(diào)的依賴是實(shí)現(xiàn)低能耗建筑的有效途徑，盡可能使用自然通風(fēng)，有利于降低建筑能耗[2].計(jì)算機(jī)房放置大量的電腦設(shè)備，當(dāng)多臺(tái)機(jī)器穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的熱量，室內(nèi)通風(fēng)不良將在一定程度上影響學(xué)生上課質(zhì)量.因此，合理地利用自然通風(fēng)取代空調(diào)設(shè)備的使用，不僅能夠降低能耗，還能提高學(xué)生在計(jì)算機(jī)房上課的舒適性[3].

計(jì)算流體力學(xué)CFD方法常被用來(lái)求解氣流及溫度分布[4].CFD數(shù)值模擬方法成本低，可對(duì)建筑自然通風(fēng)情況進(jìn)行預(yù)測(cè)，為建筑設(shè)計(jì)的完善提供依據(jù)[5].本文基于自然通風(fēng)基本原理，通過數(shù)值模擬探討該地區(qū)夏季炎熱條件下自然通風(fēng)是否滿足舒適度需要，為計(jì)算機(jī)房的建筑設(shè)計(jì)和布置提供實(shí)際指導(dǎo).

1　CFD基本原理

CFD是一種由計(jì)算機(jī)模擬流體流動(dòng)、傳熱及相關(guān)傳遞現(xiàn)象的系統(tǒng)分析方法和工具.CFD的基本思想是把原來(lái)在時(shí)間域和空間域上連續(xù)的物理量場(chǎng)用一系列離散點(diǎn)上變化值的集合來(lái)代替，通過一定的原則和方式建立起反映這些離散點(diǎn)上場(chǎng)變量值的集合及場(chǎng)變量之間關(guān)系的代數(shù)方程組，求解代數(shù)方程組獲得場(chǎng)變量的近似解.

CFD計(jì)算主要包括前處理、求解和后處理3個(gè)部分.前處理階段需要進(jìn)行的工作包括定義所求問題的幾何計(jì)算域；將計(jì)算域劃分為多個(gè)互不重疊的子區(qū)域，形成由單元組成的網(wǎng)格；對(duì)所要研究的物理或化學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行抽象，選擇相應(yīng)的控制方程；定義流體的屬性參數(shù)；為計(jì)算域邊界處的單元指定邊界條件；對(duì)于瞬態(tài)問題，指定初始條件.目前各CFD軟件采用的求解方法為采用簡(jiǎn)單函數(shù)近似表示未知的流量變動(dòng)；將近似函數(shù)代入流動(dòng)控制方程和所得到的數(shù)學(xué)式進(jìn)行離散化；求解代數(shù)方程.后處理階段需要進(jìn)行的工作包括，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，CFD軟件提供的數(shù)據(jù)可視化技術(shù)和工具越來(lái)越多，如計(jì)算域和網(wǎng)格顯示、壓力云圖、溫度云圖、速度云圖、速度矢量圖等[6].

2　自然通風(fēng)作用下CFD算法驗(yàn)證及比較

2.1試驗(yàn)測(cè)試

2.1.1目的與方法

本次試驗(yàn)的目的在于精準(zhǔn)測(cè)量計(jì)算機(jī)房室內(nèi)熱環(huán)境，為接下來(lái)數(shù)值模擬提供邊界參數(shù)和試驗(yàn)驗(yàn)證參數(shù)，并為以后采取具體措施改善計(jì)算機(jī)房的熱環(huán)境提供參考.

一天內(nèi)不同時(shí)刻機(jī)房?jī)?nèi)具有不同的熱環(huán)境，為了獲得具有代表性的數(shù)值，選擇在下午兩點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量.

2.1.2測(cè)試及儀器

本次測(cè)量中，考慮到不能影響學(xué)生正常上課，選擇在周末進(jìn)行.測(cè)量過程中有兩位同學(xué)做畢業(yè)設(shè)計(jì)，將其作為測(cè)量對(duì)象考慮在內(nèi).本次測(cè)量的參數(shù)包括室內(nèi)溫度、風(fēng)速、相對(duì)濕度以及電腦和人的表面溫度.

測(cè)試儀器主要采用JT-IAQ室內(nèi)熱環(huán)境舒適度測(cè)試儀和紅外線測(cè)溫儀.其中，JT-IAQ主要用來(lái)監(jiān)測(cè)、記錄、計(jì)算和顯示室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)，并自動(dòng)計(jì)算WBGT、PMV、PPD等重要熱環(huán)境參數(shù)，為暖通空調(diào)及建筑熱環(huán)境等研究和檢測(cè)提供準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)，可同步測(cè)試萬(wàn)向微風(fēng)速、黑球溫度、濕球溫度、空氣溫度和相對(duì)濕度等，多通道同時(shí)采集、自動(dòng)顯示和記錄數(shù)據(jù)，具有測(cè)試精度高，穩(wěn)定性好等特點(diǎn).本次測(cè)量設(shè)置時(shí)間間隔為60 s.測(cè)試儀器的詳細(xì)參數(shù)如下：空氣溫度，測(cè)量范圍和精度為5～60 ℃，±0.5 ℃；空氣濕度，測(cè)量范圍和精度為0～100%RH，±1.5%RH；風(fēng)速，0.05～5 m/s，±(0.03 m/s+2%讀數(shù)).

為了便于模擬，方便觀察，測(cè)點(diǎn)的布置必須滿足要求.由于在熱環(huán)境模擬中，溫度場(chǎng)占有重要地位，因此，測(cè)點(diǎn)的布置主要考慮溫度傳感器的位置.測(cè)點(diǎn)分布平面圖如圖1所示.

圖1　測(cè)點(diǎn)布置平面圖

2.2物理模型

本文選取典型的自然通風(fēng)計(jì)算機(jī)房，室內(nèi)未設(shè)置空調(diào).計(jì)算機(jī)房長(zhǎng)10.8 m(對(duì)應(yīng)y軸)，寬14.6 m(對(duì)應(yīng)x軸)，高3.7 m(對(duì)應(yīng)z軸).房間內(nèi)有3排桌子，78臺(tái)電腦，2名學(xué)生，前后共16個(gè)窗子.由于每排兩臺(tái)電腦之間距離很小，于是將兩臺(tái)電腦簡(jiǎn)化為一個(gè)長(zhǎng)方體；測(cè)量時(shí)房門一直處于關(guān)閉狀態(tài)，因此，將房門簡(jiǎn)化為墻.機(jī)房的布置和物體的幾何尺寸如圖2和表1所示.

圖2　房間的幾何模型

表1　各個(gè)模型的幾何尺寸

2.3數(shù)學(xué)模型

為了使問題簡(jiǎn)化，本文做出如下假設(shè)：

1) 機(jī)房?jī)?nèi)空氣低速，定常，不可壓縮并且符合Boussinesq假設(shè)[7]；

2) 機(jī)房?jī)?nèi)空氣為穩(wěn)態(tài)湍流；

3) 忽略固體壁面和物體之間熱輻射；

4) 空氣為輻射透明介質(zhì)；

5) 不考慮漏風(fēng)影響，認(rèn)為室內(nèi)密封良好.

機(jī)房?jī)?nèi)氣流流動(dòng)屬于湍流流動(dòng)，采用FLUENT軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，采用k-ε兩方程模型，控制方程有連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程、湍流脈動(dòng)動(dòng)能方程(k方程)和湍流能量耗散率方程(ε方程).

2.4邊界條件和模擬計(jì)算

2.4.1邊界條件

人和電腦為室內(nèi)熱源，其中，人體體表溫度為32 ℃，實(shí)測(cè)電腦表面溫度為40 ℃.南窗設(shè)為VELOCITY-INLET，實(shí)測(cè)入口風(fēng)速為0.74m/s，溫度為29.2 ℃，北窗設(shè)為OUTFLOW，其余邊界設(shè)為WALL.

2.4.2模擬計(jì)算

CFD模擬是從微觀角度，針對(duì)某一區(qū)域或房間，利用質(zhì)量、能量及動(dòng)量守恒等基本方程對(duì)流場(chǎng)模型進(jìn)行求解，分析其空氣流動(dòng)狀況[8].計(jì)算機(jī)房?jī)?nèi)空氣流動(dòng)屬于湍流流動(dòng)，采用標(biāo)準(zhǔn)的兩方程模型(標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型).本文模擬自然通風(fēng)，考慮到浮升力的作用，因此，在設(shè)置流體材料時(shí)選擇Boussinesq假設(shè)進(jìn)行計(jì)算，選中g(shù)ravity選項(xiàng)，在z方向輸入-9.81m[9].速度和壓力耦合采用SIMPLE算法[10].在離散版面中，壓力采用BodyForceWeighted，動(dòng)量、能量和其余兩選項(xiàng)都選擇一階迎風(fēng)格式.方程的收斂條件設(shè)為流動(dòng)方程相對(duì)誤差在10-3，能量方程相對(duì)誤差在10-6.

2.4.3計(jì)算機(jī)房模型模擬結(jié)果

下午2點(diǎn)z=0.9m處的空氣流速和溫度分布如圖3、4所示.

圖3　z=0.9 m的空氣流速分布圖

圖4　z=0.9 m的空氣溫度分布圖

下午2點(diǎn)y方向空氣流速分布如圖5～8所示.

圖5　y=1.2 m的空氣流速分布圖

圖6　y=4.1 m的空氣流速分布圖

圖7　y=7.4 m的空氣流速分布圖

圖8　y=9.4 m的空氣流速分布圖

下午2點(diǎn)y方向空氣溫度分布如圖9～12所示.

圖9　y=1.2 m的空氣溫度分布圖

圖10　y=4.1 m的空氣溫度分布圖

圖11　y=7.4 m的空氣溫度分布圖

圖12　y=9.4 m的空氣溫度分布圖

3　試驗(yàn)驗(yàn)證及分析

3.1模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比分析

為了對(duì)模擬結(jié)果做進(jìn)一步的驗(yàn)證，將現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果與模擬結(jié)果進(jìn)行比較.選擇y=4.1 m，z=0.9 m位置，按照測(cè)量點(diǎn)x=2 m，x=7 m，x=13 m處測(cè)得的空氣流速和溫度與模擬數(shù)值進(jìn)行比較，結(jié)果如表2所示.

表2　實(shí)測(cè)值與模擬值比較

由表2可以看出，大部分模擬值與測(cè)量值吻合較好，相對(duì)誤差在10%以內(nèi)，說(shuō)明建立的物理模型是正確的.相對(duì)誤差較大的原因?yàn)?，就空氣溫度而言，在x=7 m處，從圖9可以看出，人體散熱使附近空氣溫度升高，使得模擬值比實(shí)際測(cè)量值要高；就空氣流速而言，由于采用自然通風(fēng)，機(jī)房?jī)?nèi)的氣流主要受到機(jī)房外氣流影響，并且室外的空氣方向和流速不定，對(duì)機(jī)房?jī)?nèi)的空氣流速影響較大.

3.2模擬結(jié)果分析

3.2.1速度場(chǎng)模擬結(jié)果分析

從空氣速度分布圖可以看出：

1) 在水平方向上，如圖3所示，從3個(gè)方面進(jìn)行分析：

① 空氣流速.機(jī)房的空氣進(jìn)出口兩處空氣流速相對(duì)較大，最高可達(dá)0.22 m/s，通風(fēng)效果較好；在中間區(qū)域能明顯看出空氣流速急劇下降趨近于零，由此可以看出，該區(qū)域的通風(fēng)效果是最不利的.

② 窗間墻.在氣流入口側(cè)，中間的寬窗間墻阻擋作用較大，對(duì)其正對(duì)座位有較大影響，空氣流速接近零.其他窗間墻較窄，在臨窗處有一定阻擋作用，但座位處空氣流速在0.11～0.16 m/s之間，影響不大.

③ 過道.兩邊的過道雖然都沒有阻擋，但過道寬窄差別導(dǎo)致流速有差別，較寬的過道氣流通暢，較窄的則較差.

針對(duì)上述因素提出如下建議：首先，該類型房間適宜采用較窄的窗間墻；其次，過道采用相同寬度，同時(shí)在對(duì)應(yīng)窗戶中間增加小過道；最后，應(yīng)當(dāng)避免電腦桌成排擺放，并且電腦桌之間應(yīng)留出一定間隙.

2) 在豎直方向上，隨著y值的增大，由南向北方向依次如圖5～8所示，其中，圖5～8分別在水平方向距離x軸1.2、4.1、7.4和9.4 m，圖6、7分別位于中間兩個(gè)過道位置.從上述圖中可以看到明顯的條紋分布層，可知空氣流速在豎直方向上分布相當(dāng)不均勻，可從以下兩個(gè)方面進(jìn)行分析：

① 最高風(fēng)速.圖5～8最高風(fēng)速出現(xiàn)位置依次為進(jìn)風(fēng)口、計(jì)算機(jī)上方空間、出風(fēng)口.在經(jīng)過這些位置時(shí)，最高風(fēng)速?gòu)?.32 m/s降為0.096 m/s，這是由于空氣由入口進(jìn)到房間后受到電腦的阻擋，氣流被限制通過，導(dǎo)致流速降低.

② 最低風(fēng)速.從圖中可知，最低風(fēng)速出現(xiàn)的z=0.4 m到z=0.8 m之間，介于電腦桌面和地面中間位置.以電腦為分界線，電腦以上空間空氣速度在0.05 m/s以上，以下位置空氣流速明顯降低，大部分約在0.006 m/s，少部分空氣流速為零.這是由于機(jī)房?jī)?nèi)電腦擺放過密，以至于氣流極少能到達(dá)電腦桌面以下的位置，另外電腦桌上有擋板，不利于氣流通過.

針對(duì)上述因素提出如下建議：首先，將窗臺(tái)降低，增大進(jìn)風(fēng)量；其次，將電腦桌上擋板去掉，電腦桌之間改變排列方式，減少對(duì)下部空氣阻擋，將氣流影響范圍增大.

3.2.2溫度場(chǎng)模擬結(jié)果分析

從空氣溫度分布圖可以看出，在水平方向上，由于機(jī)房?jī)?nèi)計(jì)算機(jī)大部分處于工作狀態(tài)，散發(fā)出一定的熱量，使得機(jī)房?jī)?nèi)溫度比室外溫度高.空氣從室外由窗口進(jìn)入機(jī)房，由于室外溫度比室內(nèi)低，經(jīng)過一定的熱交換使得進(jìn)風(fēng)側(cè)空氣溫度降低，最低溫度為30.2 ℃.中間較寬的窗間墻對(duì)空氣雖然有一定阻擋作用，但該處空氣溫度仍有一定降低，為30.3 ℃，與最低溫度差距0.1 ℃.隨著水平方向的深入，溫度降低程度減少，并逐漸穩(wěn)定在30.4 ℃.

在豎直方向上，隨著y值的增大，在分別距離x軸1.2、4.1、7.4和9.4 m處取計(jì)算機(jī)房的空氣溫度分布圖，如圖9～12所示，其中，圖10、11分別在兩過道位置.從圖中能看到明顯的條紋分布層，由此可見，室內(nèi)溫度分布很不均勻.從最高溫度和最低溫度分布范圍分析可知：

1) 最高溫度.除圖9最高溫度出現(xiàn)在寬窗間墻阻擋的位置外，圖10～12最高溫度主要出現(xiàn)在電腦和電腦桌擺放的區(qū)域，且隨著y值的增大，最高溫度由30.29 ℃增加到30.43 ℃.由此可知，寬窗間墻比窄窗間墻阻擋區(qū)域的溫度高出0.05 ℃，可見寬窗間墻不利于通風(fēng).

由于電腦散熱造成其所在區(qū)域溫度比其余位置高出0.1～0.2 ℃，隨著水平方向深入，高溫范圍逐漸增大，室外空氣已經(jīng)不能有效帶走余熱，降溫效果不明顯.

2) 最低溫度.低溫區(qū)域主要分布在氣流入口處，隨著y值增大，低溫區(qū)域集中于遠(yuǎn)離電腦的位置，且最低溫度從30.24 ℃增加到30.31 ℃，可見室外空氣通過熱交換吸收室內(nèi)部分熱量，但影響不大.

3.3舒適度分析

根據(jù)美國(guó)ASHRAE55-2013標(biāo)準(zhǔn)，建議地面上方0.1～1.8 m之間垂直溫差不超過3 ℃.從圖10可以看出，在0.1 m處溫度在29.5～30.1 ℃之間，在1.8 m處溫度在29.8～30.4 ℃之間，垂直溫差最大為0.9 ℃，符合標(biāo)準(zhǔn)要求.

PMV-PPD是評(píng)價(jià)熱環(huán)境的重要指標(biāo)，ISO7730對(duì)PPD的推薦值為0.1，對(duì)PMV的推薦值為-0.5～+0.5.由儀器JT-IAQ室內(nèi)熱環(huán)境舒適度測(cè)試儀測(cè)量可得，計(jì)算機(jī)房?jī)?nèi)PMV的測(cè)量值在1.3～1.7之間，PPD的測(cè)量值在40.3～61.8之間.經(jīng)過與ISO7730推薦值對(duì)比可知，PPD、PMV均大于推薦值，由此可知，計(jì)算機(jī)房的熱環(huán)境不能滿足學(xué)生舒適度要求.

4　結(jié)　論

本文利用FLUENT軟件對(duì)計(jì)算機(jī)房進(jìn)行數(shù)值模擬，得到了室內(nèi)空氣的速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)，并與實(shí)際測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較，分析得出模擬溫度場(chǎng)與實(shí)際測(cè)量結(jié)果擬合較好，模擬速度場(chǎng)和實(shí)際測(cè)量結(jié)果相對(duì)誤差較大，并對(duì)誤差大的原因做出了如下分析：

1) 計(jì)算機(jī)房存在建筑設(shè)計(jì)缺陷，建議將空氣入口處中間較寬的窗間墻變窄，同時(shí)降低窗臺(tái)；

2) 電腦桌的擺放存在問題，應(yīng)該加大桌子間距，使氣流順利通過；

3) 自然通風(fēng)的降溫作用有限，應(yīng)減少機(jī)器臺(tái)數(shù)或設(shè)置空調(diào)，否則不能滿足計(jì)算機(jī)房學(xué)生舒適度要求.

另外，建議計(jì)算機(jī)房安裝空調(diào)，且應(yīng)采用工位送風(fēng)或下送上回形式，同時(shí)應(yīng)設(shè)置機(jī)械排風(fēng)系統(tǒng)，排風(fēng)口應(yīng)同時(shí)布置在電腦區(qū)域和頂部.由于本文重點(diǎn)研究自然通風(fēng)對(duì)計(jì)算機(jī)房熱環(huán)境影響，因此，關(guān)于計(jì)算機(jī)房空調(diào)設(shè)計(jì)未作過多贅述和模擬分析.

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(DONG Zhi-chao，LOU Jun.Study on thermal environment of office with CFD simulation [J].Refrigeration and Air Conditioning，2011，25(1)：102-106.)

(責(zé)任編輯：鐘媛英文審校：尹淑英)

Numerical simulation of summer thermal environment in computer room under action of natural ventilation

Lü Jie, ZHANG Qiong, ZHOU Bo, WANG Hui

(School of Architectural and Civil Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China)

In order to study whether the summer thermal environment in computer room under the action of natural ventilation can meet the need in the comfort degree of students, a mathematical model was established with the measured data in the computer room. The partial measurement parameters were used as the boundary conditions of the model, and the numerical simulation for the computer room was carried out with CFD software. Through comparing the simulation results with the measured data, it is noted that the simulated results of temperature field and velocity field in the computer room tend to be consistent with the measured results. Through analyzing the simulated results, the location with poor ventilation in the computer room could be found, and the corresponding suggestions for the design flaws were given. In addition, the thermal comfort of computer room was analyzed, and the specific suggestions for air conditioning design of computer room were given. The results show that the summer thermal environment in computer room under the action of natural ventilation can not meet the need in the comfort degree of students, and an air conditioning should be installed in the computer room.

natural ventilation; computer room; energy consumption reducing; thermal environment; comfort degree; computational fluid dynamics(CFD); numerical simulation; field measurement

2015-08-27.

中國(guó)博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2014M560220).

呂潔(1967-)，女，遼寧朝陽(yáng)人，副教授，主要從事暖通空調(diào)應(yīng)用等方面的研究.

10.7688/j.issn.1000-1646.2016.01.20

TU 111.1

A

1000-1646(2016)01-0115-06

*本文已于2015-12-07 16∶16在中國(guó)知網(wǎng)優(yōu)先數(shù)字出版. 網(wǎng)絡(luò)出版地址： http：∥www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20151207.1616.006.html