彭軍

（信陽學院土木工程學院，河南 信陽 464000）

1 引言

室內環(huán)境中空氣品質重要性不言而喻，人們對室內環(huán)境中空氣品質的多樣性需求對通風技術提出了新的要求。這表明目前人們對通風空調房間內空氣的各項參數分布的認知十分缺乏。送風是否有效、室內空氣溫度的傳播規(guī)律，以及其他各個因素對空氣溫度的傳播的影響程度，如何提高通風空調系統(tǒng)的工作效率，已成為目前重點研究的系列問題。目前文獻中，對于非均勻的室內空氣溫度分布規(guī)律的研究還不是很多[1]?；诠潭ǖ牧魉賵龅奶厥馇闆r下，室內空氣熱量的傳遞規(guī)律和室內污染物的傳播規(guī)律十分類似。本文通過已有的室內污染物的傳播規(guī)律的研究結果探討室內空氣的溫度分布存在的規(guī)律。

2003年，清華大學的李先庭[2]教授開創(chuàng)性地提出了一系列的新指標，描述了動態(tài)過程中的非穩(wěn)態(tài)的室內污染物傳播的規(guī)律?；谠诠潭鲌龅奶囟ㄇ闆r下，熱量傳遞和污染物傳播具有類似規(guī)律，從房間熱環(huán)境（以空氣溫度為代表）出發(fā)，定性、定量地確定室內各點處的空氣溫度、送風溫度以及室內熱源之間的關系，從而認識來自送風口的熱量以及來自室內熱源的熱量，以及兩者在室內空間傳遞的特點。最終導出室內空氣溫度分布的表達式，建立營造非均勻的室內空氣環(huán)境的理論，目前都已經成為可能研究的內容。

2 室內空氣流動數值計算的物理模型

2.1 物理模型

室內空氣流動的物理模型如下：（1）不可壓縮、低速、通常溫度流體流動；（2）等壓流動并且符合氣體的狀態(tài)方程；（3）符合波洛涅茲假設；（4）紊流流動并且自然對流和受迫對流同時存在。

2.2 控制方程的離散和離散方程的求解

本文采用有限容積法對控制方程進行離散；采用交替方向迭代法（ADI）求解代數方程組；采用SIMPLE算法解決流場與其他變量的耦合求解[3]。

3 溫度可及的描述與分析

在探討以下問題之前，首先界定的前提條件是：（1）固定的流速場，速度場不受空氣密度變化的影響。（2）潛熱不考慮，顯熱考慮。（3）對流換熱考慮，輻射換熱不考慮。初始條件中的溫度分布是均勻的，邊界條件中的所有壁面都是絕熱絕質的。

3.1 送風溫度可及性

現定義一個指標，該指標把送風溫度在室內空間的持續(xù)影響及其特點考慮進去，與時間相關，該指標反映任意時刻送風溫度到達室內各點的能力，稱為送風溫度的可及性（Accessibility of Supplied Air Temperature,ASAT）。

定義送風溫度的可及性的工況如下：（1）無內熱源在室內；（2）初始狀態(tài)時，均勻的溫度場，送風口的送風溫度t0就是室內各點的溫度；（3）初始狀態(tài)開始，把送風口的送風溫度值調整為ts；（4）時刻τ為任意時刻，任意一點處室內的溫度值為t（x，y，z，τ）。

送風的溫度可及度asat,i（x，y，z，τ）定義為公式（1）：

3.2 熱源的可及性

現定義一個指標，該指標考慮到室內熱源在室內的持續(xù)影響及其特點，與時間相關，該指標反映任意時刻室內熱源的熱量到達室內各點的能力，命名該指標為熱源的可及性（Accessibility of Heat Source,AHS）。

熱源可及性是在如下工況時定義的：（1）初始時刻時，場內無內熱源，溫度場是均勻的，室內各點的溫度都等于送風口的送風溫度t0，排風口溫度te；（2）從初始時刻起，設置一個給定的熱源i；（3）任意一個時刻τ，場內任意一點處的溫度為t（x,y,z,τ）。熱源的可及度ahs,i（x,y,z,τ）定義為：

4 非均勻的室內空氣溫度分布規(guī)律

通風空調房間內，常見熱量主要來自兩個方面：（1）送風口送入；（2）維護結構傳熱和室內發(fā)熱量。為簡化問題，本文假定維護結構是絕熱絕質的，著眼于送風口的送風溫度和內熱源的發(fā)熱量對室內任意一點處溫度的影響[4]。

4.1 非均勻的室內空氣溫度分布表達式

對于室內空氣流動，穩(wěn)態(tài)時的室內任意一點的空氣溫度t（x,y,z）可以通過式（3）表示：

式中，asat,i為送風溫度的可及度；ts,i為送風口溫度；t0為初始溫度；ahs,j為熱源的可及度；qhs,j為熱源的強度；Vhs,j為熱源的體積；cp為空氣比熱容；G為送風總量。

送風溫度對全場的溫度分布影響明顯。送風溫度可及性是氣流組織的反映，而熱源可及性需要氣流組織和熱源本身特征共同確定。

4.2 對溫度表達式的數值驗證

通過改變送風口溫度，熱源強度等多種極端工況的數值實驗結果表明：通過溫度表達式算得的溫度值完全能滿足工程計算的精度要求。

5 非均勻的室內空氣溫度分布規(guī)律的應用

確定起始條件和壁面條件（如送風溫度），然后得到目標（如工作區(qū)處的空氣溫度）滿足需求的程度，這在通風和空氣調節(jié)方案的對比過程中是典型的正問題。類似的情況，目標是獲得最優(yōu)化的配置資源，實現室內環(huán)境的最恰當的控制，研究目的不是僅滿足多個方案之間的比較，這一問題跟上述的正向問題比較而言，壁面邊界條件（如送風溫度）成為需要求解的變量，上述正向問題中的目標在這里成為務必滿足的條件，這就形成一類反問題。提出不均勻的室內空氣溫度關聯(lián)式，就在不同的通風和空氣調節(jié)的壁面條件與多種特定的需求之間建立直接的關聯(lián)，從而使上述反問題的快速求解成為可能。

5.1 問題描述

現在討論本節(jié)提出的這類反問題，繼續(xù)采用對溫度表達式的數值驗證的算例。

通過改變送風口的送風溫度，從而實現關注點P處的溫度需求，確保關注點P處的溫度值為24℃。

5.2 問題求解

式（4）為關注點P處的溫度tp計算公式：

增加一個約束條件，要求送風口送入的總冷量為最小，表示為式（5）：

式中，cp為空 氣 比熱容；G1和G2為送風量；ts1′和ts2′為送風溫度；tp為關注點處的溫度。

送風口的送風量均是固定不變的。計算結果見表1。

表1 模擬工況（改動送風溫度為不同的值）

5.3 結果對比和討論

如果送風口的溫度同時調整到同一個值，即第一種調節(jié)模式，在這種情況下，溫度關聯(lián)表達式中的未知量只有一個，已知量是關注點處的溫度值，代入溫度公式就可以求出送風口的送風溫度應該調整到的溫度值，就可以算出對應每個送風口送入的冷量值。表2為計算結果。

表2 工況模擬（改變送風口的送風溫度為同一個確定值）

在保證關注點溫度值的前提下，模式二比模式一明顯節(jié)能，節(jié)約冷量為（649.53-410.51）×100%/410.51=58.23%。對上述問題的解釋是：對關注點P的送風溫度的貢獻，送風口1明顯大于送風口2。因此可見，要保證局部區(qū)域處溫度值為一特定值，相比較營造均勻混合的室內空氣環(huán)境，營造不均勻的室內空氣環(huán)境具有更大的節(jié)能潛力。

6 結語

送風溫度的可及性，送風溫度的可及度，室內熱源的可及性，室內熱源的可及度的概念在本文被提出。這些概念從空間以及時間兩個方面定量描述了在室內空氣環(huán)境的狀況中送風溫度以及室內熱源的貢獻，有效指導了送風溫度的調節(jié)以及室內余熱排出。本文給出了任意時段內，固定的流速場條件下，室內空間任意點處的溫度與初始狀態(tài)的溫度、送風口的溫度以及室內熱源之間的關聯(lián)式。通過CFD數值計算分析，對溫度關聯(lián)式在工程計算上的可靠度進行了驗證。借助溫度的表達式，可以迅速通過手算得出溫度的分布場，同時脫離CFD計算工具試算大量工況也成為可能的現實。通過數值計算案例表明，要保證局部區(qū)域處溫度值為一特定值，相比較營造均勻混合的室內空氣環(huán)境，營造不均勻的室內空氣環(huán)境具有更大的節(jié)能潛力。