自然通风作用下计算机房夏季热环境数值模拟*

吕　洁， 张　琼， 周　勃， 王　慧

(沈阳工业大学 建筑与土木工程学院， 沈阳 110870)



自然通风作用下计算机房夏季热环境数值模拟*

吕洁， 张琼， 周勃， 王慧

(沈阳工业大学 建筑与土木工程学院， 沈阳 110870)

为了研究自然通风作用下计算机房夏季热环境能否满足学生舒适度的需要，通过对计算机房实地测量，利用测量数据建立数学模型，并以部分测量参数作为模型的边界条件，利用CFD软件对计算机房进行数值模拟.将模拟结果与实测数据进行对比，表明计算机房内温度场和速度场的数值模拟结果与实测结果趋于一致.通过分析模拟结果，找到计算机房通风不良的位置，并对该处的设计缺陷提出相应建议，对计算机房的热舒适性做出分析，且对机房空调设计给出具体建议.结果表明，自然通风作用下计算机房夏季热环境不能满足学生舒适度需要，且计算机房应当安装空调.

自然通风； 计算机房； 降低能耗； 热环境； 舒适度； 计算流体力学； 数值模拟； 实地测量

能源是人类生存和发展的重要基础资源，开发和利用可再生能源对环境保护、减少温室气体排放、优化我国能源组织结构等方面具有十分重要作用[1].事实证明，建筑能耗与环境密切相关，找到合理的方式减少对空调的依赖是实现低能耗建筑的有效途径，尽可能使用自然通风，有利于降低建筑能耗[2].计算机房放置大量的电脑设备，当多台机器稳定运行时会产生一定的热量，室内通风不良将在一定程度上影响学生上课质量.因此，合理地利用自然通风取代空调设备的使用，不仅能够降低能耗，还能提高学生在计算机房上课的舒适性[3].

计算流体力学CFD方法常被用来求解气流及温度分布[4].CFD数值模拟方法成本低，可对建筑自然通风情况进行预测，为建筑设计的完善提供依据[5].本文基于自然通风基本原理，通过数值模拟探讨该地区夏季炎热条件下自然通风是否满足舒适度需要，为计算机房的建筑设计和布置提供实际指导.

1　CFD基本原理

CFD是一种由计算机模拟流体流动、传热及相关传递现象的系统分析方法和工具.CFD的基本思想是把原来在时间域和空间域上连续的物理量场用一系列离散点上变化值的集合来代替，通过一定的原则和方式建立起反映这些离散点上场变量值的集合及场变量之间关系的代数方程组，求解代数方程组获得场变量的近似解.

CFD计算主要包括前处理、求解和后处理3个部分.前处理阶段需要进行的工作包括定义所求问题的几何计算域；将计算域划分为多个互不重叠的子区域，形成由单元组成的网格；对所要研究的物理或化学现象进行抽象，选择相应的控制方程；定义流体的属性参数；为计算域边界处的单元指定边界条件；对于瞬态问题，指定初始条件.目前各CFD软件采用的求解方法为采用简单函数近似表示未知的流量变动；将近似函数代入流动控制方程和所得到的数学式进行离散化；求解代数方程.后处理阶段需要进行的工作包括，由于计算机技术的不断进步，CFD软件提供的数据可视化技术和工具越来越多，如计算域和网格显示、压力云图、温度云图、速度云图、速度矢量图等[6].

2　自然通风作用下CFD算法验证及比较

2.1试验测试

2.1.1目的与方法

本次试验的目的在于精准测量计算机房室内热环境，为接下来数值模拟提供边界参数和试验验证参数，并为以后采取具体措施改善计算机房的热环境提供参考.

一天内不同时刻机房内具有不同的热环境，为了获得具有代表性的数值，选择在下午两点进行数据测量.

2.1.2测试及仪器

本次测量中，考虑到不能影响学生正常上课，选择在周末进行.测量过程中有两位同学做毕业设计，将其作为测量对象考虑在内.本次测量的参数包括室内温度、风速、相对湿度以及电脑和人的表面温度.

测试仪器主要采用JT-IAQ室内热环境舒适度测试仪和红外线测温仪.其中，JT-IAQ主要用来监测、记录、计算和显示室内环境数据，并自动计算WBGT、PMV、PPD等重要热环境参数，为暖通空调及建筑热环境等研究和检测提供准确可靠的数据，可同步测试万向微风速、黑球温度、湿球温度、空气温度和相对湿度等，多通道同时采集、自动显示和记录数据，具有测试精度高，稳定性好等特点.本次测量设置时间间隔为60 s.测试仪器的详细参数如下：空气温度，测量范围和精度为5～60 ℃，±0.5 ℃；空气湿度，测量范围和精度为0～100%RH，±1.5%RH；风速，0.05～5 m/s，±(0.03 m/s+2%读数).

为了便于模拟，方便观察，测点的布置必须满足要求.由于在热环境模拟中，温度场占有重要地位，因此，测点的布置主要考虑温度传感器的位置.测点分布平面图如图1所示.

图1　测点布置平面图

2.2物理模型

本文选取典型的自然通风计算机房，室内未设置空调.计算机房长10.8 m(对应y轴)，宽14.6 m(对应x轴)，高3.7 m(对应z轴).房间内有3排桌子，78台电脑，2名学生，前后共16个窗子.由于每排两台电脑之间距离很小，于是将两台电脑简化为一个长方体；测量时房门一直处于关闭状态，因此，将房门简化为墙.机房的布置和物体的几何尺寸如图2和表1所示.

图2　房间的几何模型

表1　各个模型的几何尺寸

2.3数学模型

为了使问题简化，本文做出如下假设：

1) 机房内空气低速，定常，不可压缩并且符合Boussinesq假设[7]；

2) 机房内空气为稳态湍流；

3) 忽略固体壁面和物体之间热辐射；

4) 空气为辐射透明介质；

5) 不考虑漏风影响，认为室内密封良好.

机房内气流流动属于湍流流动，采用FLUENT软件进行数值模拟，采用k-ε两方程模型，控制方程有连续性方程、动量方程、能量方程、湍流脉动动能方程(k方程)和湍流能量耗散率方程(ε方程).

2.4边界条件和模拟计算

2.4.1边界条件

人和电脑为室内热源，其中，人体体表温度为32 ℃，实测电脑表面温度为40 ℃.南窗设为VELOCITY-INLET，实测入口风速为0.74m/s，温度为29.2 ℃，北窗设为OUTFLOW，其余边界设为WALL.

2.4.2模拟计算

CFD模拟是从微观角度，针对某一区域或房间，利用质量、能量及动量守恒等基本方程对流场模型进行求解，分析其空气流动状况[8].计算机房内空气流动属于湍流流动，采用标准的两方程模型(标准k-ε模型).本文模拟自然通风，考虑到浮升力的作用，因此，在设置流体材料时选择Boussinesq假设进行计算，选中gravity选项，在z方向输入-9.81m[9].速度和压力耦合采用SIMPLE算法[10].在离散版面中，压力采用BodyForceWeighted，动量、能量和其余两选项都选择一阶迎风格式.方程的收敛条件设为流动方程相对误差在10-3，能量方程相对误差在10-6.

2.4.3计算机房模型模拟结果

下午2点z=0.9m处的空气流速和温度分布如图3、4所示.

图3　z=0.9 m的空气流速分布图

图4　z=0.9 m的空气温度分布图

下午2点y方向空气流速分布如图5～8所示.

图5　y=1.2 m的空气流速分布图

图6　y=4.1 m的空气流速分布图

图7　y=7.4 m的空气流速分布图

图8　y=9.4 m的空气流速分布图

下午2点y方向空气温度分布如图9～12所示.

图9　y=1.2 m的空气温度分布图

图10　y=4.1 m的空气温度分布图

图11　y=7.4 m的空气温度分布图

图12　y=9.4 m的空气温度分布图

3　试验验证及分析

3.1模拟值与实测值对比分析

为了对模拟结果做进一步的验证，将现场测量结果与模拟结果进行比较.选择y=4.1 m，z=0.9 m位置，按照测量点x=2 m，x=7 m，x=13 m处测得的空气流速和温度与模拟数值进行比较，结果如表2所示.

表2　实测值与模拟值比较

由表2可以看出，大部分模拟值与测量值吻合较好，相对误差在10%以内，说明建立的物理模型是正确的.相对误差较大的原因为，就空气温度而言，在x=7 m处，从图9可以看出，人体散热使附近空气温度升高，使得模拟值比实际测量值要高；就空气流速而言，由于采用自然通风，机房内的气流主要受到机房外气流影响，并且室外的空气方向和流速不定，对机房内的空气流速影响较大.

3.2模拟结果分析

3.2.1速度场模拟结果分析

从空气速度分布图可以看出：

1) 在水平方向上，如图3所示，从3个方面进行分析：

① 空气流速.机房的空气进出口两处空气流速相对较大，最高可达0.22 m/s，通风效果较好；在中间区域能明显看出空气流速急剧下降趋近于零，由此可以看出，该区域的通风效果是最不利的.

② 窗间墙.在气流入口侧，中间的宽窗间墙阻挡作用较大，对其正对座位有较大影响，空气流速接近零.其他窗间墙较窄，在临窗处有一定阻挡作用，但座位处空气流速在0.11～0.16 m/s之间，影响不大.

③ 过道.两边的过道虽然都没有阻挡，但过道宽窄差别导致流速有差别，较宽的过道气流通畅，较窄的则较差.

针对上述因素提出如下建议：首先，该类型房间适宜采用较窄的窗间墙；其次，过道采用相同宽度，同时在对应窗户中间增加小过道；最后，应当避免电脑桌成排摆放，并且电脑桌之间应留出一定间隙.

2) 在竖直方向上，随着y值的增大，由南向北方向依次如图5～8所示，其中，图5～8分别在水平方向距离x轴1.2、4.1、7.4和9.4 m，图6、7分别位于中间两个过道位置.从上述图中可以看到明显的条纹分布层，可知空气流速在竖直方向上分布相当不均匀，可从以下两个方面进行分析：

① 最高风速.图5～8最高风速出现位置依次为进风口、计算机上方空间、出风口.在经过这些位置时，最高风速从0.32 m/s降为0.096 m/s，这是由于空气由入口进到房间后受到电脑的阻挡，气流被限制通过，导致流速降低.

② 最低风速.从图中可知，最低风速出现的z=0.4 m到z=0.8 m之间，介于电脑桌面和地面中间位置.以电脑为分界线，电脑以上空间空气速度在0.05 m/s以上，以下位置空气流速明显降低，大部分约在0.006 m/s，少部分空气流速为零.这是由于机房内电脑摆放过密，以至于气流极少能到达电脑桌面以下的位置，另外电脑桌上有挡板，不利于气流通过.

针对上述因素提出如下建议：首先，将窗台降低，增大进风量；其次，将电脑桌上挡板去掉，电脑桌之间改变排列方式，减少对下部空气阻挡，将气流影响范围增大.

3.2.2温度场模拟结果分析

从空气温度分布图可以看出，在水平方向上，由于机房内计算机大部分处于工作状态，散发出一定的热量，使得机房内温度比室外温度高.空气从室外由窗口进入机房，由于室外温度比室内低，经过一定的热交换使得进风侧空气温度降低，最低温度为30.2 ℃.中间较宽的窗间墙对空气虽然有一定阻挡作用，但该处空气温度仍有一定降低，为30.3 ℃，与最低温度差距0.1 ℃.随着水平方向的深入，温度降低程度减少，并逐渐稳定在30.4 ℃.

在竖直方向上，随着y值的增大，在分别距离x轴1.2、4.1、7.4和9.4 m处取计算机房的空气温度分布图，如图9～12所示，其中，图10、11分别在两过道位置.从图中能看到明显的条纹分布层，由此可见，室内温度分布很不均匀.从最高温度和最低温度分布范围分析可知：

1) 最高温度.除图9最高温度出现在宽窗间墙阻挡的位置外，图10～12最高温度主要出现在电脑和电脑桌摆放的区域，且随着y值的增大，最高温度由30.29 ℃增加到30.43 ℃.由此可知，宽窗间墙比窄窗间墙阻挡区域的温度高出0.05 ℃，可见宽窗间墙不利于通风.

由于电脑散热造成其所在区域温度比其余位置高出0.1～0.2 ℃，随着水平方向深入，高温范围逐渐增大，室外空气已经不能有效带走余热，降温效果不明显.

2) 最低温度.低温区域主要分布在气流入口处，随着y值增大，低温区域集中于远离电脑的位置，且最低温度从30.24 ℃增加到30.31 ℃，可见室外空气通过热交换吸收室内部分热量，但影响不大.

3.3舒适度分析

根据美国ASHRAE55-2013标准，建议地面上方0.1～1.8 m之间垂直温差不超过3 ℃.从图10可以看出，在0.1 m处温度在29.5～30.1 ℃之间，在1.8 m处温度在29.8～30.4 ℃之间，垂直温差最大为0.9 ℃，符合标准要求.

PMV-PPD是评价热环境的重要指标，ISO7730对PPD的推荐值为0.1，对PMV的推荐值为-0.5～+0.5.由仪器JT-IAQ室内热环境舒适度测试仪测量可得，计算机房内PMV的测量值在1.3～1.7之间，PPD的测量值在40.3～61.8之间.经过与ISO7730推荐值对比可知，PPD、PMV均大于推荐值，由此可知，计算机房的热环境不能满足学生舒适度要求.

4　结　论

本文利用FLUENT软件对计算机房进行数值模拟，得到了室内空气的速度场和温度场，并与实际测量结果进行比较，分析得出模拟温度场与实际测量结果拟合较好，模拟速度场和实际测量结果相对误差较大，并对误差大的原因做出了如下分析：

1) 计算机房存在建筑设计缺陷，建议将空气入口处中间较宽的窗间墙变窄，同时降低窗台；

2) 电脑桌的摆放存在问题，应该加大桌子间距，使气流顺利通过；

3) 自然通风的降温作用有限，应减少机器台数或设置空调，否则不能满足计算机房学生舒适度要求.

另外，建议计算机房安装空调，且应采用工位送风或下送上回形式，同时应设置机械排风系统，排风口应同时布置在电脑区域和顶部.由于本文重点研究自然通风对计算机房热环境影响，因此，关于计算机房空调设计未作过多赘述和模拟分析.

[1]孙秀刚，石俊龙，程大磊.吉林可再生能源建筑应用示范项目测评分析 [J].沈阳工业大学学报，2015，37(4)：469-474.

(SUN Xiu-gang，SHI Jun-long，CHENG Da-lei.Eva-luation and analysis for building application demonstration projects of renewable energy in Jilin province [J].Journal of Shenyang University of Technology，2015，37(4)：469-474.)

[2]Taleb H M.Natural ventilation as energy efficient solution for achieving low-energy houses in Dubai [J].Energy and Buildings，2015，99：284-291.

[3]杨天文.自然通风建筑室内气流组织优化研究 [J].四川建筑科学研究，2012，38(4)：312-316.

(YANG Tian-wen.Optimization study on building indoor airflow organization on the condition of natural ventilation [J].Sichuan Building Science，2012，38(4)：312-316.)

[4]江向阳.广东地区某建筑夏季室内热环境的CFD仿真评价 [J].广州建筑，2012，40(1)：38-41.

(JIANG Xiang-yang.CFD simulation of summer indoor thermal environment for a building in Guangdong province [J].Guangzhou Architecture，2012，40(1)：38-41.)

[5]李静.典型布局下的建筑室内自然通风 [J].建筑技术，2012，43(12)：1124-1126.

(LI Jing.Indoor natural ventilation in typical layout [J].Architecture Technology，2012，43(12)：1124-1126.)

[6]孙帮成，李明高.ANSYS FLUENT 14.0仿真分析与优化设计 [M].北京：机械工业出版社，2013.

(SUN Bang-cheng，LI Ming-gao.ANSYS FLUENT 14.0 the simulation analysis and optimization design [M].Beijing：Mechanical Industry Press，2013.)

[7]陶文铨.数值传热学 [M].西安：西安交通大学出版社，2001.

(TAO Wen-quan.Numerical heat transfer [M].Xi’an：Xi ’an Jiaotong University Press，2001.)

[8]龚波.自然通风的设计策略及模拟分析 [J].建筑热能通风空调，2004，23(5)：30-34.

(GONG Bo.The design strategy and simulation of natural ventilation [J].Building Energy and Environment，2004，23(5)：30-34.)

[9]陈雨，许志浩，马国川.关于自然通风CFD 算法几点探讨 [J].制冷与空调，2011，25(1)：78-81.

(CHEN Yu，XU Zhi-hao，MA Guo-chuan.The study about CFD algorithms of natural ventilation [J].Refri-geration and Air Conditioning，2011，25(1)：78-81.)

[10]董志超，娄君.某办公室热环境CFD模拟研究 [J].制冷与空调，2011，25(1)：102-106.

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

(责任编辑：钟媛英文审校：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.

中国博士后科学基金资助项目(2014M560220).

吕洁(1967-)，女，辽宁朝阳人，副教授，主要从事暖通空调应用等方面的研究.

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在中国知网优先数字出版. 网络出版地址： http：∥www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20151207.1616.006.html