带阻挡的空调房间热舒适的可及性研究

王汉青 张璨

湖南工业大学土木工程学院

带阻挡的空调房间热舒适的可及性研究

王汉青 张璨

湖南工业大学土木工程学院

本文通过建立相应的数学物理模型，对带有阻隔的空调房间室内空气环境进行了三维数值模拟，得出了室内流场、温度场的分布图，同时引用对流传输的概念，采用热线进一步分析了混合对流房间中流体流动与传递过程，并对模拟房间进行了实验测试，验证了模拟的准确性。

数值模拟 空气环境 热线

0 引言

鉴于综合采用温度场、速度场以及热线对室内热环境进行分析的研究鲜少，特别是当房间中带有阻挡导致送风不能直接抵达时空调效果能不能保证，即空调热舒适的可及性如何，是一个非常复杂的气流组织问题。本文用CFD模拟方法进行分析，且进行实测，得到了室内的流场、温度场分布，同时利用对流传输概念将热的传输过程可视化，更直观地检验室内空气环境的优劣，为评价室内空气环境提供了新的途径。

1 物理模型

空调房间的总尺寸为10.8m×5.4m×3.5m，由隔断将房间分为两个部分其中一间房间几何尺寸为4.8m× 5.4m×3.5m，房间内有一张桌子尺寸为2.5m×1m× 0.8m，另有柜式空调机一台，空调机送风口的尺寸为0.5m×0.3m，送风口距离地面1.65m，回风口尺寸为0.5m×0.7m，回风口距离地面0.1m。柜式空调机侧放置在墙角，与墙壁成45°夹角。另一间房间尺寸为6m× 5.4m×3.5m，房间内热源为15个人、24盏节能灯。为了简化计算，人员为坐姿，坐标原点取整个房间的几何中心，简化的物理模型如图1。

图1 空调房间物理模型

2 数学模型

2.1 假设条件

由于空调房间送、回风过程中空气流动为湍流流动，为了简化问题，作如下假设：

1）室内空气为粘性不可压缩的流体，满足Boussinesq假设；

2）空气在房间内是稳态湍流流动；

3）不考虑透过玻璃的太阳辐射以及内部各传热表面的辐射影响；

4）房间各墙壁温度均匀恒定，且均采用第一类边界条件（定壁面温度）；

5）不考虑漏风的影响，认为室内气密性良好。

2.2 边界条件

建立模型，并进行网格划分。求解离散控制方程，模型各边界条件简化如下：

1）入口边界：送风口为速度入口，送风速度为3m/s，送风口温度为40℃，湍流动能取k=0.04，湍流动能耗散率取ε=0.008。

2）出口边界：回风口定义为自由出流。

3）壁面边界：房间内壁设为恒温边界，温度为10℃；

4）其他边界：人体设为热源体，热流量为1.96W/m2，灯为热源体，热流量1.7W/m2。

3 热舒适的可及性分析

在进行三维模拟计算时，本文主要截取了人的腰部即距地面0.6m处，人的头顶处即距地面1.2m处，以及Z方向上人员在不同位置的两个平面即距北内墙1.65m、距南内墙1.65m处y-z垂直面来分析热舒适的可及性。

3.1 空气温度分布

由图2（a）、（b）可以看出，温度沿水平方向整体分布较为均匀，温差在2.8℃左右，满足设计要求。在房间东北、东南角落温度较高，是因为热气流通过隔断前的缺口进入人员所在区域后，气流沿围护结构与冷空气混合后下沉，热量不能及时排除，形成温度死角。在图2（c）、（d）以及图3中，沿垂直方向，表现出了明显的温度分层现象。垂直温差较大，温度分布较不均匀，尤其在内间，从图中可清晰看到高温集中在房间中部上空，这正是由于隔断的原因使温度无法及时散出造成的。且房间上部区域温度达到25～28℃，而人员周围温度在19～22℃，最大温差为2.3℃，虽不符合“头凉脚热”的规定，但符合国标《室内空调至适温度》中规定的≤3℃的要求。

图2 空气温度分布云图

图3 垂直温度分布图

3.2 送风射流的可及性

送风空调处于房间西北角，由图4（a）、（b）可以看出，从送风口射出的热气流由于受到围护结构及阻隔书架的阻挡不能直接送达人员周围区域，只能通过隔断前面的通道进行热湿交换，气流主要沿着围护结构和隔断流动形成回流，但在浮升力及射流不断卷吸周围空气的作用下，气流风速较小，满足ASHRAE55-1992舒适标准冬季空气流速小于0.15m/s的规定。但定量分析发现个别靠近隔断区域，流速在0.25～0.38m/s之间，人员可能有明显吹风感。再从图4（c）、（d）中分析可得：由于冬季送风口所送的热风呈上升趋势，房间上部空气扰动明显大于下部，且从送风口射出的热气流大部分向上流动通过隔断前的缺口进入人员所在房间。此后气流沿天花板及内墙向下流动，当遇到人体热源被加热之后在浮升力作用下略有上升。总体看房间人员无明显吹风感，体感较舒适。

图4 空气速度矢量图

3.3 流线与热线分布

如图5、6所示的流线与热线图可更清楚地看出流体、热的输运路径线，结合之前的温度场、速度场等综合分析可以看出，热气流在运动过程中受到障碍物及冷气流的影响，射流方向发生一定偏转，在房间内形成多处涡流区以及回流区，从而使人在空调房间内的舒适性受到影响。

热量的传递方式主要为传导、对流与辐射。本文中热量传递方式主要是机械通风引起的强迫对流，通过内部热源浮升力驱动的自然对流作用传递的热量所占比例较小，正因如此，造成热线分布与流线分布十分相似。此时如果设定K=0为基准温度，则热量传递过程均是相对于基准温度而言的得热与失热过程。

图5 室内空气环境流线图

图6 室内空气环境热线图

从热线的垂直分布图6（a）中可以看到，冬季送风口送出的大部分热量上升后通过隔断前面的缺口处进入人员所在区域发生热量传递，随后热量通过浮力流驱动，在阻隔缺口处下方流回到空调机回风口。如图6（b）所示夏季冷风流在向下运动的过程中不断吸收热量，温度慢慢地上升，靠近地面流动进入人员所在区域进行热量交换，随后由于受到墙面的阻碍和热空气上升运动的影响，气流沿着壁面向上爬升，最后通过阻隔缺口流向回风口。

综合分析可见，虽然机械通风没有直接送达人员所在区域，但室内人员大部分并没有较多不舒适感，这是因为室内空气环境中空气流动与热的传输结构是由外部机械通风引起的强迫对流与内部热源浮升力驱动的自然对流的相互作用决定的。在有隔断的情况下，较小的风速也能实现较舒适的热环境，所以，即使有阻挡，该空调房间亦有较好的热舒适可及性。

4 实验测试及验证分析

为了把实验测试结果与模拟结果进行比较，对实际房间进行了测试。测点布置位置为距离地面0.1m、0.35m、0.6m、0.85m、1.2m的水平面上，布置16个测点，分布在桌子旁人体两侧位置。

图7 空气温度模拟值与实测值比较

测试仪器有：德普多功能测量仪、红外测温仪及水银温度计，测温仪器在测试之前都经过标准温度计的标定和校正，测试结果的准确度可信。

测试数据为冬季房间空气稳定后多次测试结果的平均值，为了便于分析这里只对比人体所在位置即0.6m，1.2m两个平面。由图7可知，试验结果与模拟结果基本趋势一致，这说明模拟值与实测值吻合得较好，模拟方法是可行的。

空气流速的实测结果与空气温度的测试结果正好相反，实测值都要比模拟结果小，这是因为风速过小导致测量误差过大造成的。

5 结论

本文对有阻挡空调房间流场分布进行了CFD分析，得出如下结论：

1）研究表明，带有阻挡的空调房间虽然机械通风没有直接送达内间人员区域，但由于外部机械通风引起的强迫对流与内部热源浮升力驱动的自然对流相互协同作用，使阻隔区热环境可满足人体舒适要求。

2）本文提出了热舒适可及性的概念，并证明采用CFD的方法分析带阻隔的空调房间热舒适可及性是可行的，通过数值模拟，得到的三维热线可以很好地证明热的传递机理。

3）实测结果与模拟值吻合较好，说明CFD仿真方法具有较高精度，是分析复杂气流组织的有效方法。

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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

王汉青（1963～），男，博士，教授；湖南省株洲市湖南工业大学土木工程学院（412007）；E-mail:zc334458@126.com

国家“十二五”科技支撑项目（2011BAJ03B07）