空調房間熱環境實測與模擬

王洪利，徐鴻昌

(華北理工大學 冶金與能源學院，河北 唐山063210)

引言

2015年我國建筑面積總量約573億m2，不斷增長的建筑面積也帶來了大量的建筑運行能耗需求[1]。建筑節能、綠色建筑等議題也日益受到重視。建筑能耗不僅與所采用的節能技術、節能措施有關，更受建筑的使用模式、室內環境需求水平的影響。在用戶負荷變化較大的建筑中，集中式空調系統反而能耗更高、能效較低[2]。對于室內熱環境和熱舒適的研究，大多集中于采用集中空調的公共建筑，對于采用“部分時間、部分空間”的分體式空調制冷的住宅、辦公房間的熱環境研究較少。

校園辦公室是一種較為典型的空調使用時間碎片化的房間類型，對于制冷需求的滿足大多數是采用了后期加裝分體式空調。房間空調安裝較為隨意，沒有合理的氣流組織優化，導致了舒適度欠佳。通過對實際空調房間的氣流組織數值模擬，得到房間的熱環境數據，并結合實地測量的熱環境參數對比，驗證數值模擬的正確性，最后綜合分析了模擬房間的熱環境。

1室內熱環境實驗與模擬

1.1 實驗設置

熱環境實測實驗的房間，是位于本校的某一辦公室。測量空調房間在空調器工作狀態下，影響室內舒適度指數的幾個客觀指標的數據，具體包括溫度、濕度和風速。

針對房間內的溫度、濕度檢測，選取4個工位測點布置傳感器固定桿，分別在每個位置的0.1 m、1.1 m和1.7 m高度固定溫濕度傳感器，共12個測點。對制冷工況空調開啟后室內溫度趨于穩定，溫度變化小于0.1 ℃的情況下的溫度、濕度進行數據讀取。同時選用一臺熱敏式風速儀，測量空調器風口的出風溫度和風速，并且對各個測點的風速進行采集。4個工位測點平面位置關系如圖1所示，實驗器材及技術參數見表1。

圖1 房間工位測點示意圖

表1 實驗器材及技術參數

根據《GB50736民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》，空調舒適度的設計參數如表2所示。實測空調參數的設置參照國家標準，綜合考慮考慮夏季穿衣及節能因素，將空調溫度設置為自動調節工況27 ℃。實測時室外氣溫35.8 ℃。

表2 人員長期逗留房間空調設計參數[3]

1.2 室內熱環境數值模擬

1.2.1物理模型

房間選取為一典型單體辦公室，房間長寬高為6.4 m×3.2 m×3 m，對應X軸、Z軸、Y軸，Z軸正向為北方向，X軸正向為東方向。房間西方向墻體上有一臺分體式空調室內機，室內機尺寸870 mm(X)×280 mm(Y)×200 mm(Z)。送風口位于室內機下部，尺寸為600 mm×80 mm，回風口位于室內機頂部，尺寸為600 mm×100 mm。對外墻進行了簡化，由于預期設置常熱流邊界條件，故省去了外窗，將外墻整體作為常熱流的負荷源。東西兩側布置有兩排長桌，有4名工作人員，4臺電腦和4臺顯示器，具體參數見表3，詳細分布見圖2。

圖2 房間物理模型

表3 設備列表及負荷設置

1.2.2邊界條件

北側墻體是與外界換熱的外墻，設置為常熱流邊界，采用逐時計算法得到房間總熱負荷，扣除設備及人員熱負荷后，進而得到墻體傳熱負荷；其余墻體為內墻，相鄰房間均為空調房間，可忽略彼此間換熱。房間內其他設備和人員的設置參照表1。通過實際測量空調出風口風速并結合空氣處理計算，出風口參數設置為風口風速3.2 m·s-1、出風溫度15.8 ℃。

1.2.3網格劃分

采用非結構化六面體網格，X、Y、Z方向網格最大單元尺寸為0.2 m，空隙間最少網格數量3個，模型每個邊上的網格最少數量為2個。這樣的設置可以對送風口、回風口等網格進行加密，保證計算精度。模型共劃分網格單元145 169個，節點158 407個。風口處網格加密如圖3所示。

圖3 局部網格加密

1.2.4 數學模型

為了對相應物理模型進行數值計算，該項研究對建立的數學模型進行適當簡化，假設如下：

(1)室內的空氣為理想氣體，物性為不可壓縮、密度是僅受溫度影響的變量，且滿足Boussinesq假設；

(2)辦公室內空氣流動為穩態湍流；

(3)室內空氣為輻射透明介質；

(4)認為室內密閉性良好，不考慮漏風帶來的擾動影響。

計算采用K-ε兩方程湍流模型，控制方程見式(1)～式(8)。

模擬采用的控制方程由K方程、ε方程與動量方程、能量方程、連續性方程構成[4,5]：流體流動需滿足質量守恒定律，即連續性方程：

(1)

式中：

ρ—氣流密度，kg·m-3；t—時間，s；v為氣流速度，m·s-1，下標i=1,2,3 表示X、Y、Z方向。

空氣可以認為是不可壓縮性氣體，且空氣的密度為常數值，因此上述連續性方程可以簡化為下式：

(2)

流體也需滿足能量守恒定律，表達為能量方程：

(3)

其中，k是分子運動所產生的導熱系數，W·(m·K)-1；kt是因為湍流所導致的導熱系數(kt=cpμt/Prt)，W·(m·K)-1；T是溫度，K；ST是源項，W。

在一定時間內，流體微元體的動量變化大小等于這段時間內，作用在此微元體上的外力的綜合。表達為動量方程(N-S方程)：

(4)

P為靜壓，Pa；x表示各軸方向，下標i、j=1、2、3分別表示X、Y、Z方向，且i≠j；τij為應力張量，Pa；ρgi為i方向因重力引起的體積力，N；Fi為其他源項，N。

K-ε兩方程模型中，K為單位質量流量的湍流脈動動能，J。

(5)

(6)

由以上定義，并結合N-S方程，可推得K方程和ε方程：

(7)

(8)

模型中各系數取值見表4。

表4 K-ε模型中的系數

1.2.5計算及收斂條件

速度與壓力耦合采用SIMPLE算法。收斂條件為：流動方程(動量與連續性方程)、K方程、ε方程相對誤差1×10-3，能量方程相對誤差 1×10-6。

2結果對比與分析

2.1 溫度

人體能夠最直觀感覺的房間熱環境是溫度的高低，垂直高度上的溫差更是人體熱感覺影響較為突出的因素。依據ISO7730國際標準，0.1 m和1.1 m高度垂直高度溫差分為A、B、C3個等級，分別要求溫差小于2 ℃、3 ℃和4 ℃[6]。美國ASHRAE55標準建議，坐姿狀態下，地面上方0.1 m和1.1 m之間的溫差≤3 ℃；站姿狀態下，地面上方0.1 m和1.7 m之間的溫差≤4 ℃[7]。

圖4中數據為實測與模擬溫度值。各點溫度值均能夠滿足GB50736對室內溫度的基本要求。模擬所得各個測點的溫度值相比實測值整體趨勢較為一致，數值上略有偏差，除2號工位的2個測點，其余都呈現處溫度下低上高的分布。各個工位的垂直溫差最大值為1.7 ℃，小于2個標準的建議值，滿足垂直高度上的溫差要求。

圖4 實測與模擬溫度值

圖5為模擬所得的各高度截面的溫度分布云圖。由圖5可知，各個高度截面的大部分面積的溫度分布較為均勻，但是都會在空調出風口一側出現或多或少的冷區。在0.1 m和1.1 m截面上，冷區有一定程度的擴散，面積較大，但是溫差相對和緩；在1.7 m截面上看到的冷區分布較為集中，但是溫差十分明顯。各截面的溫度平均值由0.1 m至1.7 m分別為26.5 ℃、27.0 ℃和26.9 ℃。水平高度上的溫度梯度也大致呈下低上高的分布，與實測所得到的趨勢較為一致。

圖5 各高度溫度分布

2.2 風速

圖6為實測與模擬溫度值數據，圖7為各高度速度分布云圖。

圖6 實測與模擬溫度值

圖7 各高度風速分布

由圖6可知，模擬所得各測點風速值與實際測量具有很好的趨勢一致性，風速值在高度方向上呈現下高上低的整體趨勢，底層的氣流相對上層比較活躍。數值上風速整體都小于0.3 m/s，滿足《GB50736民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》中的要求。從圖7速度分布云圖上來看，0.1 m高度整體的氣流活躍度高于其他2個截面，而1.1 m和1.7 m截面上整體的氣體流動不明顯，但是出現了局部的高風速區。1.1 m的局部風速超過了0.3 m/s，高速區中心部分可達到0.5 m/s以上；1.7 m局部風速超過了0.5 m/s，高速區中心風速可達0.89 m/s。

數值上，0.1 m、1.1 m和1.7 m高度的風速平均值分別為0.087 4 m/s、0.067 4 m/s和0.084 5 m/s。如果剔除局部高風速對平均值的影響，那么風速在垂直高度上也是呈下高上低的分布，與測點所得趨勢是一致的。

2.3 濕度

根據徐昆侖的研究[8]，夏季相對濕度在30%～50%之間的可接受溫度范圍在23.8～28.9 ℃。圖8所示為12個測點數據在溫度、濕度圖上的分布，實測各測點溫度為25.6～27.1 ℃，相對濕度為49.1%～45.6%，二者綜合后的數據點都落在了滿足舒適度的范圍之內。

圖8 各測點數值在溫濕度圖上的分布

圖9所示為實測的室內相對濕度與含濕量，12個測點的值相差不大，相對濕度平均值為47%，滿足《GB50736民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》中對夏季空調舒適度的要求；結合溫度將相對濕度轉換為空氣含濕量后，各點的數值差距也不明顯，圍繞10 g/kg干空氣浮動，平均值為10.1 g·kg-1干空氣。2個參數說明室內的濕度分布情況較為均勻，多點平均濕度值可以代表室內整體的濕度。

圖9 各測點相對濕度及含濕量

3結論

(1)數值模擬采用了將模型部分簡化、冷負荷設置為常熱流邊界的方法，經過實測數據與模擬結果的數據進行對比，驗證了該模型的可靠性。

(2)相對濕度的實測結果顯示出了實際室內環境在穩定的條件下，各個區域的相對濕度小幅度變化，同時實際空氣的含濕量不會有很大的變化，整體室內的濕度分布均勻穩定。

(3)由實測和模擬所得熱環境數據可知，對于溫度、垂直溫差、風速和濕度幾個參數，房間內大部分人員活動區域都可以滿足各項標準的要求。

(4)房間仍然存在不小的低溫區和高風速區，這會導致室內人員的不舒適感，室內空調的風口形式和布置位置仍有優化空間。