大学寝室空调气流组织数值模拟研究

2011-08-03王锋

制冷 2011年4期

王锋

(沈阳建筑大学市政与环境学院,沈阳110168)

1 研究概况

随着近年来高校在校人数越来越多,各大高校学生宿舍相对紧缺,宿舍人员拥挤,直接导致寝室的环境质量的下降。寝室是高校学生主要的生活场所,每天呆在寝室的时间至少在8个小时。在东北,尤其是冬季,室外气温很低,在-20℃左右,几乎很少开窗,如果没有合理的气流组织及新鲜的空气补给,学生就会感觉头晕等不适症状,因此对寝室进行合理的气流组织有重要的意义。

本文以沈阳市某高校学生寝室为例,模拟了两种送风形势下的冬季室内温度场、速度场、空气龄及舒适度的变化。

2 模型介绍

本文研究两种气流组织下的物理模型,模型1为上送上回,如图1所示。房间尺寸为6m×3m×4m(X,Y,Z),坐标原点设在地板右后角。模型2为下送上回。两种模型只有送风口大小和位置不同,其他条件相同。

模型采用一个送风口,一个回风口,尺寸分别为0.4m×0.15m、0.4m×0.2m;送风口温度为28℃,湿度为50%,X方向风速为1.9m/s,Y方向风速为-1.1m/s;距离地面2m,东外墙、南外墙、南窗热流密度分别为-48.3W/m2、-48.2W/m2、-101.2W/m2;灯具散热量为50W;人员数为3,由于冬季人员穿着衣服较厚,所以不考虑人员散热。

模型2为下送风上回风,考虑到送风口距离人员较近,所以送风口比模型 1的大一些,尺寸为0.5m×0.2m,水平送风,沿X负方向,速度为1.33 m/s,温度28℃,送风口距离地面0.2m,如图2。

3 方案数值模拟

3.1 室内设计参数及边界条件

沈阳市冬季室外空调计算温度为-20℃,相对湿度为63%,室内设计温度为18℃,相对湿度50%。模型有两面外墙,东外墙和南外墙,外墙及窗户设置热流密度,其他面均为内墙,地板屋面为绝热边界。回风口压力为环境压力。

3.2 模型假设

(1)因为空气流速较低,所以室内气体认为是不可压缩气体,并符合Boussinesq假设,竖直方向加速度为-9.81m/s2。

(2)流动为稳态湍流。

(3)不考虑漏风影响。

(4)考虑辐射。

3.3 网格划分

采用六面体网格,X、Y、Z方向最大距离分别为0.07m、0.06m、0.06m,共划分了344699个网格。

3.4 基本控制方程和计算方法

流体的流动过程遵循物理守恒定律,基本的守恒定律包括:质量守恒定律、动量守恒定律。能量守恒定律和组分守恒定律。本文采用湍流模型对室内气流组织的气流流动情况进行三维、定常、不可压缩的湍流气流流动的数值模拟。Airpak中含有四种湍流模型。分别是混合长度零方程模型。室内零方程模型、标准的 κ-ε两方程模型及RNGκ-ε两方程模型[2]。本文选用室内零方程。

采用SIMPLE(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,其他如动量。紊流脉动动能和紊流动能耗散率均采用一阶迎风格式进行离散。

4 模拟结果及分析

由图3至图6可以看出由于风口布置的不同,温度差别较为明显。两模型竖直方向温度变化很明显,这说明空气自送风口送出后,扩散较快。越靠近地面温度越小,靠近窗户和外墙的温度较低,这与实际情况相符。模型1在1m以下在15℃左右,小于设计温度18℃。人员有明显冷感,特别是人的脚部。模型2在靠近送风口处温度最高,离开送风口后温度衰减较为明显,在门口处温度最低,在15℃左右,这是因为距离送风口较远,由于人员不会长时间停留在门口,所以不会有冷感。在距地面1m处,人员活动区温度 18℃左右,满足设计要求。距地面1.7m到2m之间为人员休息区,两个模型在这个区域温度分别在18℃至19℃和19℃至21℃之间,都能很好的满足设计要求。

由图7和图8可以看出,模型1在人员活动区速度分布很均匀,风速在0.1m/s左右,人员没有吹风感,感觉较为舒适;模型2在人员活动区的速度梯度比模型1的明显要大,风速最大在0.4m/s,这是由于模型2送风口的下置的原因,靠近风口风速较大,由图9可以看出空气明显的卷席作用,由于最大速度小于0.5m/s,所以满足设计要求。

图10 模型2 Z=2处空气龄分布

图9和图10是两模型在Z=2处的空气龄的分布,所谓空气龄是指房间内某点处空气在房间内已经滞留的时间,空气龄越小,空气质量越好,反之,空气质量越差,反映了室内空气的新鲜程度,它可以综合衡量房间的通风换气效果,是评价室内空气品质的重要指标[1]。由以上两图可以清晰看出送风口的位置对空气龄分布的影响,模型1在人员活动区的空气龄在700s左右,在送风口下方空气龄偏差,这是由于受送风口和回风口位置的影响,在送风口下部处产生很大的回流气流,回风本应该流向回风口,但由于送风口处气流的卷吸作用,使得空气再次被吹向工作区,所以回旋气流内的污浊空气较难快速排出,在距地面1.7m处为床铺所在高度,夜晚人员活动很少,加之人员排出大量污浊气体,这会使得这一区域空气品质更差。相比模型1,模型2空气龄明显小很多,人员活动区空气龄在300s左右,靠近送风口处空气龄最小,在回风口处下方空气龄达到最大,为500s左右,污浊空气能够及时排出,人员感觉较为舒适。

图11和图12是两模型在Y=2处的PPD的分布情况,PPD(Predicted percent dissatisfied)是指表示人群中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下人群不满意的百分数。由图11和图12可以看出,模型1人员活动区大部分在15%左右,在回风口附近甚至达到20%,模型2人员活动区域的PPD在10%以下,只有在靠近外墙和窗户附近PPD较高,这是由于外墙及窗户由于直接和外界接触,温度较低而导致的,模型2整体上满足设计要求,人员舒适度明显优于模型1。