空调房间空气流场分布的数值模拟

翟大海，赵金辉，张力隽

(1.河南省人防建筑设计研究院有限公司，河南 郑州 450004;2.郑州大学 化工与能源学院，河南 郑州 450001)

0 序言

随着社会的发展和人们生活水平的提高，工作居住条件也在不断改善。许多建筑物都进行了高档装修，作为改善建筑环境重要手段的空调也广泛应用在体育馆、电影院、商场、餐厅等公共建筑和办公楼、酒店客房及住宅中［1－2］。人们在享受空调所带来的舒适感的同时，某些空调房间的空气品质却在恶化，无形的对人们的健康造成危害［3－4］。所以，寻找合适的气流组织形式以满足舒适性和节能需求是非常重要的［5］。

本文采用 CFD 软件 Airpak［6－7］对空调房间的空气流动、传热和污染等物理现象进行研究，准确地模拟了通风系统的空气流动、空气品质、传热、污染和舒适度等问题，并依照ISO7730标准［8］对舒适度、速度、温度等衡量室内空气质量(IAQ)的技术指标进行了评价。减少了设计成本，降低了设计风险，缩短了设计周期。

1 物理和数学模型

1.1 物理模型及边界条件

本文选择郑州某一办公室为模拟对象，根据《采暖通风与空气调节设计规范》建立物理模型并确定了模型的相关热工参数。采用CFD软件Airpak对空调房间的四种典型送回风方式进行模拟，得出室内温度场、速度场、空气龄和人体热舒适性等参数的模拟图。其中四种送回风方式分别为:同侧上送下回方式、对侧上送下回方式、同侧下送上回方式和对侧下送上回方式(如图1～4)。

图1 同侧上送下回式

本模型的围护结构为定热流边界，送风口设定相应的送风速度、温度和相对湿度，回风口为自由出流边界。具体模型参数和边界条件如表1～3所示。

表1 模型几何参数

图2 对侧上送下回式

图3 同侧下送上回式

图4 对侧下送上回式

表2 材料参数表

表3 模型的边界条件类型

1.2 数学模型及数值计算方法

(1)空调房间的室内流场是一个三维、非稳态、不可压的湍流流动传热传质过程。对室内空气场建立标准 k- ε 控制方程组［9－10］。

式中 ρ——空气密度/m3·kg－1;

k——湍流动能;

t——时间/s;

υ——空气速度/m·s－1;

x——空间坐标/m;

u——比内能/J·kg－1·s－1;

σk——湍流动能k对应的普朗特数;

σε——耗散率ε对应的普朗特数;

ε——耗散率;

μt——湍流粘性系数/kg·m－1·s－1;

p——压强/Pa;

T——温度/℃;

c1、c2——常数;

cp——定压比热/J·℃－1;

λ——导热系数/W·m－1·℃－1;

Gk——由于平均速度梯度引起的湍动能k的产生项;

Gb——由于浮力引起的湍动能k的产生项;

YM——可压湍流中脉动扩张的贡献;

Sk、Se——源项。

各常系数采用 Launder推荐的数值［11］:cμ=0.09，σk=1.0，σε=1.3，c1=1.44，c2=1.92。

(2)为简化做以下假设［12］:①室内气体为连续性介质;②室内流场为定常流;③气体视为不可压缩。

(3)网格划分:采用六面体网格。对个别需要细划网格的部位进行自定义划分网格。

(4)离散方法采用有限体积法［13］。

(5)收敛标准的确定:能量方程的残差小于10－6，其余方程的残差小于10－3［14］。

2 四种不同模型模拟结果的比较和分析

图5 Z=－2.2剖面同侧上送下回速度场示意图

图6 Z=－2.2剖面对侧上送下回速度场示意图

图7 Z=－2.2剖面同侧下送上回速度场示意图

图8 Z=－2.2剖面对侧下送上回速度场示意图

2.1 速度场分析

由图5～8可以看出，采用同侧上送下回方式时工作区风速小且分布均匀，不会产生吹风感，舒适性好;采用对侧上送下回方式时工作区风速较小，人体感到舒适，但房间气流并没有形成很大的涡流区，送风与室内空气混合不充分;采用下送上回方式时送风口附近风速较大，工作人员脚下有吹风感［15］。

2.2 温度场分析

由图9～12可以看出，采用同侧上送下回方式时大部分工作区域的温度在22～24℃之间且分布均匀，人体感觉舒适;采用对侧上送下回方式时工作区温度分布均匀但温差较同侧上送下回方式稍大一些;采用下送上回方式时，由于送风为冷风，故送风口附近的工作区温度低，脚底有吹冷风的感觉。

图9 Z=－2.2剖面同侧上送下回温度场示意图

图10 Z=－2.2剖面对侧上送下回温度场示意图

图11 Z=－2.2剖面同侧下送上回温度场示意图

图12 Z=－2.2剖面对侧下送上回温度场示意图

2.3 平均空气龄分析

图13 Z=－2.2剖面同侧上送下回平均空气龄示意图

图14 Z=－2.2剖面对侧上送下回平均空气龄示意图

图15 Z=－2.2剖面同侧下送上回平均空气龄示意图

图16 Z=－2.2剖面对侧下送上回平均空气龄示意图

空气龄是评价空气品质的重要指标，空气龄越小，空气品质则越好。由图13～16可以看出，采用上送下回方式时送风气流不直接进入工作区，工作区空气龄较大，室内回旋气流内的污浊空气较难快速排出，空气品质差;采用下送上回方式时，由于送入的新鲜空气直接进入工作区，而不需要先与房间内的污染空气混合，因此工作区的空气龄较小，空气最新鲜。

2.4 空气粒子运动轨迹分析

由图17～20可以看出，采用同侧送回风方式时可以形成一个大涡旋，空气粒子的运动轨迹较长，新鲜空气可以较好的充满房间的每个角落，死角较少;采用对侧送回风方式时空气粒子的运动轨迹相对较短，新鲜空气不能较好的充满房间的每个角落，死角多。

图17 同侧上送下回空气粒子运动轨迹三维示意图

图18 对侧上送下回空气粒子运动轨迹三维示意图

图19 同侧下送上回空气粒子运动轨迹三维示意图

图20 对侧下送上回空气粒子运动轨迹三维示意图

2.5 PMV(人体舒适指标)和PPD(预期不满意百分率)分析

由图21～28可以看出，采用上送下回方式时大部分工作区PMV值在－0.5～+0.5范围内，PPD值在10%以内，人体感觉舒适;采用下送上回方式时大部分工作区PMV值在－1～+1之间，PPD值在10%以内，但由于下部送风口处风速较大，脚底会有吹冷风的感觉(送风口处PMV值在－2～－1之间，PPD值在37.5%左右)，人体感觉较凉。

图21 Z=－2.2剖面同侧上送下回PMV示意图

图22 Z=－2.2剖面对侧上送下回PMV示意图

图23 Z=－2.2剖面同侧下送上回PMV示意图

图24 Z=－2.2剖面对侧下送上回PMV示意图

图25 Z=－2.2剖面同侧上送下回PPD示意图

图26 Z=－2.2剖面对侧上送下回PPD示意图

3 总结

(1)从以上的模拟结果和分析可知:采用相同的送风参数，不同的气流组织，室内的温度场分布，速度场分布，人体舒适感和空气品质等都有很大差异;

图27 Z=－2.2剖面同侧下送上回PPD示意图

图28 Z=－2.2剖面对侧下送上回PPD示意图

(2)对于温度场分布、速度场分布:同侧上送下回的送风方式可以获得较理想的温度场、速度场，下送上回的送风方式温度场、速度场分布较差;

(3)对于人体热舒适感(PMV、PPD):上送下回的送风方式人体感觉较舒适;

(4)对于空气品质:下送上回的送风方式空气最新鲜，空气品质最好，上送下回的送风方式使污浊空气较难快速排出，空气品质差;

(5)空气运动轨迹:同侧送回风时可以形成较大的涡旋，空气运动轨迹长，新空气可较好的充满房间的每个角落，死角少。

综上所述，同侧送回风方式优于对侧送回风方式，而在同侧送回风方式中，同侧上送下回式以其工作区速度、温度分布均匀，人体舒适感好，房间新空气充足、死角少等诸多优点而略优于同侧下送上回送风方式。所以，经综合分析，同侧上送下回方式的空调房间的空气环境最好，人体感觉最为舒适。

［1］陈爱玲，等.空调房间气流组织的初步探讨［J］.流体机械，2002，24(9):51 －55.

［2］和丽虎，罗卓英，旷金玉，等.会议室空调气流组织形式的数值模拟研究［J］.节能技术，2012，30(2):111 －114.

［3］朱利凯，胡敬宁，张军辉，等.基于流固耦合的化容补水泵性能分析［J］.热能动力工程，2012，27(4):483 －488.

［4］严祯荣，韩军，仝庆华，等.低流量煤粉稳燃燃烧器内回流特性研究［J］.热能动力工程，2012，27(3):318 －323.

［5］姚林，彭小勇，刘振昊.不同气流组织下空调客房热舒适性的数值模拟［J］.制冷与空调，2012，6(1):101－106.

［6］王宁璧，刘凯锋，刘志声.青藏±400 kV格尔木换流站内直流场厂房屋面结构型式论证［J］.电网与清洁能源，2012，28(9):37 －40.

［7］ISO.7730.Moderate thermal environments－ determination of thePMV and PPD indices and specification of the conditions for thermal comfort［S］.1984.

［8］钟武.夏季办公室空调房间气流组织的数值模拟［J］.制冷与空调，2011，25(3):302 －306.

［9］袁东升，田慧玲，高建成.气流组织对空调房间空气环境影响的数值模拟［J］.建筑节能，2008(9):9－13.

［10］Weiran Xu，Qingyan Chen.A Two － layer Turbulence Model for Simulating Indoor Airflow Part 2:Applications［J］.Energy and Buildings.2001，69(33):627 －639.

［11］孔珑.流体力学［M］.北京:高等教育出版社，2000:84－86.

［12］王福军.计算流体力学分析:CFD软件原理及应用［M］.北京:清华大学出版社，2004:97－121.

［13］范存养.大空间建筑空调建造课题世界及工程实录［M］.北京:中国建筑工业出版社，2001:85－86.

［14］Straube JF.Moisture in buildings.ASHRAE Journal 2002，(1):15 －19.

［15］徐丽，翁培奋，孙为民.三种通风方式下的室内气流组织和室内空气品质的数值分析［J］.空气动力学报，2003，21(3):10－14.