中学教室空调气流组织的数值模拟研究

张春阳,林 豹

(沈阳建筑大学市政与环境工程学院,沈阳110168)

1 研究概况

中学教室作为人员相对比较集中的场所,室内空气质量的好坏对人员的工作和学习效率都着有很大的影响。例如在人员密集场所,人员呼出大量二氧化碳,当室内存有高水平的二氧化碳时,如果没有合理的气流组织以及新鲜空气补给,就会使人产生瞌睡、头晕等不适症状。因此对教室等人员集中区域进行合理的气流组织具有积极重要的意义。

本文模拟了真实尺度下教室空间的温度场和速度场以及室内空气龄变化,为中学教室通风空调模式的选择提供参考。

2 模型介绍

本文研究了2种气流组织下的物理模型,物理模型如图1所示。坐标原点设在房间地板的右后角,房间的几何尺寸为8m×5m×3m。在不改变房间送、回风口的尺寸、形式、数量和送风口的送风参数的情况下,仅通过改变送、回风口的位置来改变气流组织形式,分别计算出房间的速度场、温度场、PMV、PPD,从而对设计方案进行分析、选择。

模型采用2个送风口1个回风口,送、回风口尺寸相同。送、回风口及窗户的尺寸分别为0.32m×0.2m和3.5m×1.5m;送风口和窗户的温度分别为20℃和36.3℃;送风口风速为3m/s。热源的尺寸及散热量分别为:人体:1.73m×0.3m×0.2m,58.2W/m2;灯具:0.2m×1.2 m×0.15 m,34W。

2种送、回风口的布置方式分别为:送回风口居一侧,回风口居一侧,以下简称模型A;送风口居两侧,回风口居中,以下简称模型B。

物理模型见图1。

图1 物理模型 (Figure 1 Physical modal)

3 方案数值模拟

3.1 边界条件

依据当地的气象资料,夏季空调室外计算温度为36.3℃。由手册查得教室空调室内设计温度为26℃,相对湿度50%。模型设一面外墙,其他三面均为内墙。地板和屋面为绝热边界。送风口位于房间右侧墙壁,设计空调送风温度为20℃,风速为3m/s,回风口压力为环境压力。

3.2 模型假设

(1)空调室内气体为不可压缩且符合Boussinesq假设,即认为流体密度仅对浮生力产生影响。

(2)流动为稳态湍流。

(3)气流为低速不可压缩流。

(4)考虑了漏风的影响,由于室内人员出入比较频繁,假设门开启一定角度。

根据以上假设其控制方程为:

3.3 网格划分

采用六面体网格,对送风口等温度梯度,速度梯度较大的地方,进行网格加密。

3.4 控制方程及计算方法

在工程应用的模拟中,可能用到的模型主要有标准k-ε模型、低雷诺数k-ε模型、整合后的k-ε模型 (RNG)、零方程模型等。本文采用室内零方程模型。零方程模型在模拟空调房间的空气自然对流和混合对流收到很好的模拟效果,所以,本文采用1998年Chen提出的新的零方程模型。

所谓零方程模型,是指不需要微分方程而是用代数方程式把湍流黏性系数与时均值联系起来的模型,该模型应用方便,且计算量比k-ε模型小得多。利用有限容积法来解决三维稳态不可压缩粘性流体的湍流流动。采用SIMPLE(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations,求解压力耦合方程组的半隐式法)算法联立求解各离散方程,除压力采用二阶迎风格式进行离散外,其它如动量、紊流脉动动能和紊流脉动动能耗散率均采用一阶迎风格式进行离散。

4 模拟结果及讨论

由图2、3可以看出,送、回风口的布置形式对教室内的流场影响较大。送风口布置在教室侧墙,采用侧送风口,送风气流从顶棚贴附射流,不断卷吸周围空气,速度逐渐衰减,冷气流下降,在教室下部的座位处形成流动漩涡,人员处于气流漩涡中,有利于人员对空气流动的需求。与模型B比较,模型A由于回风口距一侧送风口距离较远,造成空气回流不畅,其空气扰动性比模型B的空气扰动性差,进而容易形成空气死角。

由图4～7温度分布可以看出,在人员活动高度区域温度分布比较均匀,基本达到设计温度要求。位于回风口位置前端温度偏离设计值较高,主要是受回风口位置的影响。送风射流到达墙壁后受到阻挡,在回风口前端形成涡流区。设备、人体散热及外墙传热对教室内温度场的影响较大。在靠近外墙区域温度比中心区域温度略高,主要是考虑了夏季外墙传热的结果。由于风口布置位置的原因,模型A距送风气流中心位置较远区域的上部温度偏高,垂直温度分布差别较大。但在人员活动的下部区域,随着送风气流的卷吸下沉以及涡旋扰动的作用,两种模型在人员活动的大部分区域温度基本达到设计要求,满足人员舒适性的要求。

空气龄是指空气进入房间的时间,作为衡量空气新鲜程度与换气能力的重要指标。房间中某一点的空气龄是指该点所有微团空气龄的平均值。空气年龄越小,空气质量越好,反之,空气品质越差。由图8、9截面Z=2.5m处的空气龄分布图可以看出,位于送风口正前方送风区域的空气龄较小,空气相对比较新鲜。回风口前方下部区域空气龄值较大,特别是模型A,受回风口位置的影响,在教室后部区域产生很大的回旋气流,因回旋气流内的污浊空气较难快速排出,空气品质相对较差,容易形成空气流动死角。相比之下,模型B的空气平均年龄较小,空气相对比较新鲜,没有出现空气死角,气流组织较为合理。

图9 z=2.5m截面模型B的空气龄分布 (Figure 9 z=2.5m mean age of air chart of model B)

图10 Y=1m处模型A的PPD图(Figure10 y=1 m PPD chart of Model A)

预测不满意百分比PPD(Predicted percent dissatisfied)指标表示人群对热环境不满意的百分数。该指标是通过概率分析确定某环境条件下人群不满意的百分数。由图10、11的PPD分布可以看出,模型A在教室前端区域PPD值在10%以下,但在人员较为集中的中后部区域PPD值在20%以上。模型B的大部分区域的PPD值在10%左右,在回风口前端靠近外墙处PPD值较高,究其原因,主要是因为夏季外部热空气通过外墙传热以及该处的空气紊动性较差的结果。

图11 Y=1m处模型B的PPD图(Figure11 y=1 m PPD chart of Model B)

5 结论

(1)教室空调系统采用侧送风口、上送上回的送风方式,基本满足送风射程要求,使人员处于气流漩涡和回流区中,有利于人员对空气流动性的需求。

(2)在相同的设计条件下,采用不同的送风方式,可营造出不同的空调效果。对于温度场和速度场来说,采用两侧送风中间回风的模型B的空气扰动性以及温度分布的均匀性要明显优于模型A;对于人员舒适性来说,模型B整个空间的空气扰动性要强于模型A,对于人员相对比较集中的教室空调系统,满足了人员对空气流动性需求,更容易满足人员的舒适要求;就室内空气品质而言,模型A在教室的后部区域出现了空气死角,模型B空气品质明显高于模型A。

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