谢东 刘泽华 熊军 莫顺权

南华大学城市建设学院

0 引言

在舒适性空调房间中，人体的热舒适度除与室内空气温湿度有关外，还受气流组织、气流速度等多种因素的影响，其中气流组织决定了气流的温度和速度分布，以及房间内污染浓度的分布，因此气流组织的优化设计能够在满足人体热舒适度的前提下降低空调系统的能耗和提高空调室内环境质量。本文对夏、冬两季空调房间内三种不同气流组织条件下室内的人体热舒适状况进行了数值模拟和实验研究，以达到优化气流组织设计、降低空调系统能耗及提高室内环境质量的目的。

1 CFD建模及计算方法

1.1 物理模型的建立

二维计算模型大小（3.0m×3.0m），用来模拟有人和一些家具的办公室房间，见图1，人体以等效长方体表示（0.8m×0.3m）。模型采用结构性网格，为了增强数值解的稳定性，在送回风口、人体、墙壁和家具边界细化网格（图2）。

1.2 控制方程

本文的计算中，假定室内气流流动为定常、不可压缩流动。控制方程分别为质量输运的连续性方程，求解动量的Navier-stokes方程、能量方程及湍流k-ε两方程模型。把上面物理模型简化假设考虑进去，针对本文所建立的数学模型，其基本形式与各控制方程具有相同的形式，可以使用如下通用方程表示[4]：

式中：ρ，U分别为密度、速度矢量；φ为通用变量，代表U，V，k，ε 和 1，当 φ=1时即为连续性方程；Γφ 为通用变量φ的有效扩散系数；Sφ为源项。k-ε两方程模型中的几个系数取值如下：Cμ=0.10；σk=1.00；σε=1.30；

图1 空调房间示意图（cm）

图2 计算网格的分布图

1.3 边界条件及计算方法的选取

1）物理描述：由于实际空气是黏性流体，雷诺数为 4.5～7.7×107，确定为湍流流动，选择 k-ε 两方程湍流模型计算室内流场。流动与换热处于稳定状态，空气为不可压流体，物性为常数，引入Boussinesq假设[6]。

2）边界条件：夏季：速度入口设置，大小为0.6m/s，送风温度为20℃；墙壁恒温30℃；地面和家具面温度26℃。冬季：速度入口设置，大小为0.85m/s，送风温度27℃，墙壁恒温10℃，地面和家具面温度20℃。出口为压力出口设置，压力大小等于环境大气压力，无滑移壁面条件，采用标准壁面函数[7]；人体散热量为69.78W/m2。送回风口尺寸为0.23m×0.23m，各种算例的参数设置见表1。

表1各种算例的参数设置

3）离散方法：采用基于压力的耦合求解方法，动量、能量、k和ε均选用二阶迎风格式。

4）计算精度：各流动项残差小于10-5，能量项残差小于10-6。

2 夏季工况及计算结果分析

图3~5中给出了夏季工况上送下回、下送上回及侧送下回三种不同气流组织下室内的PMV舒适度指标和PPD预计不满意率的分布状况，计算结果发现不同的气流组织对人体热环境影响较大。在0.6m/s的送风条件下，上送下回方式使人有明显的吹风感，人体的上部和前部感觉偏冷，表现出显著的不满意感觉；下送上回方式人体比较舒适；侧送下回方式对人体的影响较为明显，人体前部和上部感觉偏冷，而背部感觉偏热，人体感觉不舒适。

图4 Case B

图5 Case C

3 冬季工况及计算结果分析

图6~8中给出了冬季工况上送下回、下送上回及侧送下回三种不同气流组织下室内的PMV舒适度指标和PPD预计不满意率的分布状况。在0.85m/s的送风条件下，上送下回气流组织方式人体头部感觉比较舒适，背部感觉偏冷；由于热浮力的影响，下送上回气流组织方式人体周围温度比较均匀，感觉比较舒服，但脚踝部有吹风感；侧送下回方式对人体头部有较强的吹风感，舒适度较差，脚踝部感觉舒适。

图6 Case D

图7 CaseE

图8 CaseD

4 标准气流实验室热环境测试

标准环境测试室[8]由可控的环境舱体、环境模拟系统、数据采集系统和实验控制系统组成。可控的环境舱体位于密闭的通风房间内，环境舱体尺寸大小为3.0m×3.0m×2.6m。环境舱体有5个不同的进、出口开关装置，可以实现如上送侧下回式、侧下送上回式、侧上送下回式等7种不同的气流组织方式。本文使用瑞典产的SWEMA 3000仪测试了夏季工况上送下回、下送上回、侧送下回三种气流组织方式下的标准气流室内热环境参数。标准气流室实验条件参数见表2。

表2 实验条件设置

夏季工况下三种气流组织下室内热舒适环境计算值与标准气流室实验测试值对比如图9所示，H=0.3 m和H=1.2 m分别代表人体头部和脚踝部的高度。图9（a）所示的气流组织方式为上送侧下回式，从图中可以看到在人体头部所在区域（H=1.2m，X=0.9~1.3m）数值计算值与实验结果比较一致，人体背部有吹风感，而面部感觉舒适；但在靠近气流出口区域，即脚踝部（H=0.3m），计算值出现了较强的冷感，这与风速在出口处增加有关。图9（b）所示的气流组织方式为侧下送上回式，人体所在区域（H=0.3m和1.2m，X=0.8~1.5m）人体感觉较舒适，计算结果与数值结果一致，但在靠近风速入口的脚部（H=0.3m）有一定的吹风感。图9（c）所示的气流组织方式为侧上送下回式，从图中可以发现在人体区域（H=1.2m，X=1.0~1.3m）背部较舒适，但面部有吹风感，脚踝部有冷感。

图9 PMV计算值与实验测试值对比图

5 结论

本文通过对夏、冬两季空调室内三种不同气流组织下人体热舒适进行数值模拟研究，研究结果表明，侧下送上回的气流组织方式人体的热舒适PMV和PPD指标较好，热舒适感觉好。在夏季，上送下回气流组织方式对人体头部有吹风感，而在冬季，这种气流组织方式人体热感觉较好，满足我国标准对室内热环境满意要求[9]。侧上送下回方式对人体头部有较强的吹风感，热舒适度较差。通过对夏季工况标准气流室内人体热环境参数进行测试，发现在侧下送上回的气流组织方式下人体所在区域热感觉较好，但在靠近送风口和回风口区域，有较强的冷感。

[1]Fanger PO.Thermal comfort:Analysisand Application in Environmental Engineering[M].New York:McCraw-Hill Company,1970

[2] 中等热环境 PMV和 PPD指数测定及热舒适(GB18049-2000)[S].

[3] 谢东,王汉青.不同气流组织下夏季空调室内热舒适环境模拟[J].建筑热能通风空调,2008,27(3):66-69

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[9] 采暖通风与空气调节设计规范(GB50019-2003)[S].