輻射換熱對置換通風(fēng)負(fù)荷及通風(fēng)效率影響的數(shù)值分析

摘要：利用CFD商用軟件，采用Realizable"k-ε雙方程湍流模型，在人員區(qū)采用多孔介質(zhì)模型，輻射換熱采用離散坐標(biāo)（DO）模型計(jì)算，對一置換通風(fēng)房間在夏季空調(diào)室外逐時(shí)綜合溫度和室內(nèi)熱源共同作用下的情況，分別考慮輻射換熱和不考慮輻射換熱進(jìn)行了非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬計(jì)算，獲得了兩種算法下，該房間的置換通風(fēng)負(fù)荷和通風(fēng)效率并進(jìn)行了對比分析。結(jié)果表明，置換通風(fēng)房間上區(qū)向工作區(qū)轉(zhuǎn)移的熱量在最大負(fù)荷時(shí)刻占工作區(qū)總負(fù)荷的30%左右;計(jì)算輻射時(shí)的通風(fēng)效率比不計(jì)算輻射的通風(fēng)效率小約16%。

關(guān)鍵詞：輻射換熱，置換通風(fēng)負(fù)荷，通風(fēng)效率，非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬

1"模擬對象概述

本文以西安某大學(xué)的一多媒體會(huì)議室（如圖1所示）為研究對象。該房間有一面西外墻，3面內(nèi)墻，一扇內(nèi)門，一面西外窗，頂棚直接與室外空氣接觸，地板與內(nèi)墻均假定為絕熱。送風(fēng)口位于南內(nèi)墻底部;排風(fēng)口尺位于北內(nèi)

圖1""模擬對象示意圖

墻上部;室內(nèi)人員（坐姿）

聚集區(qū)尺寸為""""""""""""""""""""1-air"inlet，2-air"outlet，3-window，4-occupant"zone

長×寬×高=7.2"m×4.4"m×1.1"m，頂棚燈光設(shè)備假定為均勻分布。外窗尺寸為長×高=5.4"m×1.5""m，窗戶下緣距地高度為1.0"m，位于西墻中間。上述"“長”均指y方向，“寬”均指x方向，“高”為z方向。

2數(shù)學(xué)模型

2.1"湍流模型

在模擬室內(nèi)氣流的混合流動(dòng)與換熱時(shí)，本文選用了Realizable"k-ε模型。在近壁區(qū)，采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法處理。

2.2"輻射模型

本文采用離散坐標(biāo)模型進(jìn)行輻射換熱計(jì)算。

2.3"流固耦合

流固耦合問題的數(shù)值解法本文選用整場離散，整場求解來進(jìn)行計(jì)算。

2.4"浮升力處理

自然對流的浮升力作用采用Boussinesq假設(shè)處理[6]。

2.5"多孔介質(zhì)模型

為了簡化模型，節(jié)省計(jì)算機(jī)內(nèi)存和計(jì)算時(shí)間，室內(nèi)人員區(qū)按多孔介質(zhì)處理。人員區(qū)人體的發(fā)熱量和由窗戶透過照在人員區(qū)的太陽輻射熱量合起來作為多孔介質(zhì)的內(nèi)熱源。

2.6"邊界條件等設(shè)置

本文取送風(fēng)口風(fēng)速0.23"m/s，送風(fēng)溫度為20"℃;排風(fēng)口邊界條件設(shè)置為壓力出口。外墻和頂棚外表面設(shè)置為對流換熱邊界條件，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)用復(fù)合換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。窗玻璃設(shè)置為零厚度壁面，其熱邊界條件也設(shè)置為對流換熱，窗戶透過的日射負(fù)荷按設(shè)計(jì)手冊給定并假設(shè)均勻分布到人員聚集區(qū)。內(nèi)墻、地板和門內(nèi)表面均設(shè)為絕熱表面。照明燈貼近頂棚內(nèi)表面安裝，其散熱采用在貼近它的空氣網(wǎng)格內(nèi)附加源項(xiàng)的方法處理。

3"數(shù)值模擬方法

采用結(jié)構(gòu)化非均勻網(wǎng)格，由于人員區(qū)采用多孔介質(zhì)模型，因此網(wǎng)格布置較稀。外墻及頂棚內(nèi)的網(wǎng)格空間步長為5"cm，室內(nèi)網(wǎng)格最小步長為8"cm，最大為15"cm，網(wǎng)格總數(shù)為47"017個(gè)。

進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)數(shù)值計(jì)算時(shí)，取時(shí)間步長為6"s，各控制方程的離散采用有限容積法。壓力插值格式采用Body""Force""Weighted格式。采用CFD軟件進(jìn)行計(jì)算時(shí)，同時(shí)在k方程和ε方程中計(jì)及浮升力的影響。壓力-速度耦合采用SIMPLE算法，動(dòng)量、能量及k和ε方程均采用二階迎風(fēng)離散格式。

計(jì)算收斂與否通過觀察殘差的變化趨勢和能否達(dá)到殘差控制指標(biāo)，結(jié)合分析計(jì)算結(jié)果的合理性綜合加以判斷。本文能量及輻射方程的殘差指標(biāo)為10-6，其他方程為10-3。

本文的模擬對象是非穩(wěn)態(tài)過程，而溫度場是周期性變化的主要參數(shù)，也是我們關(guān)心的重點(diǎn)內(nèi)容，因此，我們以溫度變化的大小為判斷標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)兩個(gè)相鄰周期各個(gè)時(shí)刻的工作區(qū)平均溫度差小于0.01℃時(shí)，即認(rèn)為模擬對象已經(jīng)進(jìn)入了周期狀態(tài)，可以輸出模擬結(jié)果。

4輻射換熱對置換通風(fēng)負(fù)荷及通風(fēng)效率的影響分析

為了校核本文置換通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性，首先將計(jì)算出的室內(nèi)參數(shù)與ISO7730置換通風(fēng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對照。送風(fēng)速度和送風(fēng)溫度已如前述符合規(guī)定。室內(nèi)工作區(qū)平均溫度均為26"℃左右，風(fēng)速均小于0.3m/s，也滿足要求。z=0.1m和z=1.7m的最大溫差為2.9℃，也滿足小于3℃的規(guī)定。可見氣流組織是合理的。下面對考慮輻射和不考慮輻射兩種算法所得負(fù)荷和通風(fēng)效率進(jìn)行分析：

根據(jù)數(shù)值模擬所得的溫度分布可以求出全室負(fù)荷、工作區(qū)負(fù)荷即置換通風(fēng)負(fù)荷以及通風(fēng)效率

式中：V為系統(tǒng)送風(fēng)量（）;為送風(fēng)溫度;為排風(fēng)溫度;為工作區(qū)平均溫度。

美國置換通風(fēng)設(shè)計(jì)指導(dǎo)提出了置換通風(fēng)通風(fēng)效率的計(jì)算公式：

—換氣率，次/小時(shí);

Qoe—工作區(qū)人員及設(shè)備產(chǎn)生的負(fù)荷，W;

Q1—頂部燈光產(chǎn)生的負(fù)荷，W;

Qex—外墻外窗傳熱及太陽輻射得熱，W;

Qt—全室負(fù)荷，W;

上式使用范圍：

〈1〉"2.43m≤H≤5.5m""（H為房間高度）"""""""""""""〈2〉"2≤n≤15

〈3〉"21W/m2≤≤120"W/m2（A為房間地板面積）"〈4〉"0.08≤≤0.68

〈5〉"0≤≤0.43""""""""""""""""""""""""""""""〈6〉"0≤≤0.92

根據(jù)本文模擬所得到的數(shù)據(jù)，采用式（3）即可求出通風(fēng)效率。為了便于比較我們將本文計(jì)算的通風(fēng)效率記為η1，式（4）計(jì)算值記為η2，用△η=（η1-η2）/η2表示兩者相對偏差，公式（4）是由穩(wěn)態(tài)模型得出的，因此本文選擇空調(diào)負(fù)荷最大時(shí)刻19：00為計(jì)算時(shí)刻，兩種算法的相對偏差。η1=1.7，η2=1.88，△η=（η1-η2）/η2=9.57%

兩種工況采用上述公式進(jìn)行計(jì)算所得結(jié)果如下圖：

由上圖可以看出，在任何時(shí)刻不計(jì)算輻射所得的負(fù)荷都比計(jì)算輻射所得負(fù)荷要小，并且兩者的偏差還比較大;兩者的相對偏差隨時(shí)間的變化而變化，大約在最大負(fù)荷時(shí)刻兩者相對偏差最小，但此時(shí)兩者的偏差仍在30%以上，由此可見，置換通風(fēng)房間上區(qū)向下區(qū)轉(zhuǎn)移的輻射熱對工作區(qū)負(fù)荷有相當(dāng)大的影響。不計(jì)算輻射換熱時(shí)的通風(fēng)效率比計(jì)算輻射時(shí)要高出一些，兩者相對偏差約為16%，在工程上可以接受。不計(jì)算輻射換熱時(shí)，上區(qū)向下區(qū)的輻射熱被忽略，這樣會(huì)使工作區(qū)負(fù)荷偏小，而通風(fēng)效率的能量表達(dá)式為全室負(fù)荷與工作區(qū)負(fù)荷之比，即，在全室負(fù)荷不變的情況下，工作區(qū)負(fù)荷偏小，則通風(fēng)效率會(huì)偏高。

5結(jié)論

（1）輻射換熱對置換通風(fēng)等具有熱力分層式空調(diào)系統(tǒng)的冷負(fù)荷具有重要影響。上區(qū)向工作區(qū)轉(zhuǎn)移的熱量在最大負(fù)荷時(shí)刻占工作區(qū)總負(fù)荷的30%左右。

（2）輻射換熱對置換通風(fēng)通風(fēng)效率有一定的影響。計(jì)算輻射時(shí)，通風(fēng)效率比不計(jì)算輻射小約16%。

（3）數(shù)值模擬時(shí)，用多孔介質(zhì)模型處理人員區(qū)是可行的，既簡化了模型，節(jié)省了計(jì)算機(jī)內(nèi)存和計(jì)算時(shí)間，又能獲得較合理的結(jié)果。