閆軍威 劉洋 周璇 康英姿

(華南理工大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院，廣東廣州510640)

隨著近年來公共建筑的日益增多，公共建筑所帶來的能耗問題也引起了各方面的重視，據(jù)統(tǒng)計，我國大型公共建筑總能耗占全國城鎮(zhèn)總耗電量的22%，其單位面積年耗電量達(dá)到100～300kW·h［1］.空調(diào)系統(tǒng)的能耗在公共建筑總能耗中占了40% ～60%［2］，而空調(diào)末端能耗占中央空調(diào)總能耗的20%～30%.末端能耗過高主要是由于空調(diào)末端設(shè)備按最不利工況設(shè)計，其額定工況下的制冷能力絕大部分時間遠(yuǎn)大于房間實際冷量需求.空調(diào)末端設(shè)備的運行參數(shù)往往被設(shè)定為最大，使得空調(diào)房間存在著溫度過低的現(xiàn)象.這樣，不但室內(nèi)的熱舒適性較差，而且過多的冷量也造成了能源的浪費.因此，在滿足空調(diào)房間舒適性的前提下，研究空調(diào)末端設(shè)備節(jié)能運行參數(shù)，對于末端設(shè)備節(jié)能具有重要意義.

利用計算流體力學(xué)(CFD)軟件進(jìn)行數(shù)值模擬方法具有省時、成本低、結(jié)果可視化等特點，廣泛應(yīng)用于室內(nèi)氣流組織分析、室內(nèi)環(huán)境熱舒適性分析等領(lǐng)域，國內(nèi)外已有許多學(xué)者利用CFD技術(shù)對室內(nèi)的熱舒適性開展了研究.陳曦［3］通過CFD技術(shù)模擬了某辦公室在冬季空調(diào)供熱時的熱舒適性和細(xì)菌的傳播.薛若軍等［4］通過CFD技術(shù)確定了某空調(diào)供冷房間的熱舒適性程度.但是，利用CFD技術(shù)在保證室內(nèi)熱舒適性的前提下，確定室內(nèi)送風(fēng)參數(shù)以達(dá)到空調(diào)房間末端節(jié)能的研究并不多.

文中利用暖通空調(diào)領(lǐng)域廣泛采用的AIRPAK3.0數(shù)值模擬軟件，分析了送風(fēng)參數(shù)對典型辦公房間室內(nèi)溫度場和速度場分布的影響，并結(jié)合軟件中的熱舒適性模塊分析了不同的送風(fēng)參數(shù)對室內(nèi)熱舒適性的影響程度;在滿足房間熱舒適性的前提下，研究了辦公建筑空調(diào)末端設(shè)備的最佳送風(fēng)參數(shù);同時，將優(yōu)化后的末端工況與一天內(nèi)實際運行工況進(jìn)行了對比.

1 邊界條件和模型的建立

1.1 物理模型

1.1.1 模型尺寸和熱工參數(shù)的確定

實驗時間為8月下旬某日，當(dāng)日天氣晴朗，所研究的辦公室位于廣州大學(xué)城某高校一辦公樓四層，外窗朝東，南北兩側(cè)房間均為空調(diào)供冷區(qū)域，辦公樓整體為磚混結(jié)構(gòu)，外墻表面有淺色飾面磚，東向無高大建筑遮擋.房間尺寸為7.78m×5.4m×2.6m，忽略外墻外表面空氣流速變化對外墻傳熱系數(shù)的影響，筆者估算圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)為1.53W/(m2·K)［5］，天花和地面近似為絕熱.

室內(nèi)熱源、墻體及外窗尺寸如表1和2所示.

表1 室內(nèi)熱源Table 1 Indoor heat source

表2 墻體和外窗尺寸Table 2 Size of walls and window

由于風(fēng)口模型對室內(nèi)氣流組織的模擬結(jié)果具有較大的影響，送風(fēng)口模型采用文獻(xiàn)［6］中的方形散流器九點風(fēng)口模型［6］，將送風(fēng)口分為9個部分，并分別設(shè)定各部分的速度矢量值.實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，選擇該模型的計算結(jié)果與實際的入口邊界條件較接近［7］.模型的等效圖如圖1所示，建立好的模型如圖2所示.

圖1 方形散流器九點風(fēng)口模型Fig.1 9-point supply opening model of square diffuser

圖2 辦公室的幾何模型Fig.2 Geometric model of the office

1.1.2 太陽輻射的簡化模型

由于房間不在頂層，內(nèi)墻和天花不受太陽直接照射，且房間上方和南北兩側(cè)也為空調(diào)房間，因此，筆者忽略了太陽輻射對于內(nèi)墻和天花的影響.同時，引入室外空氣綜合溫度，將太陽輻射加載在外墻上［5］，計算得到室外空氣綜合溫度.模擬時近似地認(rèn)為透過窗戶的太陽輻射使地板吸熱升溫，并以熱流的形式作用于房間［8］.將玻璃窗吸收的太陽輻射以定溫邊界條件加載在玻璃窗上.AIRPAK3.0軟件利用ASHARE晴天輻射模型計算的東向太陽輻射值和近似的地板平均熱流如表3所示.

表3 不同時刻東向太陽輻射計算值1)Table 3 Calculated values of solar radiatlon in east direction at specific moments

1.2 數(shù)學(xué)模型

1.2.1 基本假設(shè)

為了使問題得到簡化，提出以下假設(shè)［9］:(1)室內(nèi)空氣低速流動，可視為不可壓縮流體;(2)室內(nèi)空氣為不可壓縮粘性流體且滿足Boussinesq假設(shè)，即由于室內(nèi)空氣流動密度變化不大，密度變化僅對浮升力產(chǎn)生影響;(3)門窗處于關(guān)閉狀態(tài)且氣密性良好;(4)忽略人員在室內(nèi)走動所造成的影響.

1.2.2 數(shù)學(xué)模型的建立

由于所做的房間模型相對簡單，筆者在連續(xù)性方程、動量方程和能量方程等控制方程［10］的基礎(chǔ)上，引入Chen等［11］提出的改進(jìn)的Indoor零方程模型以達(dá)到微分方程的封閉求解.通過比較發(fā)現(xiàn)室內(nèi)零方程湍流模型計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)吻合得較好［12］，且可以較快獲得收斂解.

控制方程通用形式:

湍流模型:

式中:u為速度矢量;φ為通用變量;Γ為廣義擴散系數(shù);S為廣義源項;ρ為空氣密度，kg/m3;μt為湍流粘性系數(shù);v為風(fēng)速，m/s;l為湍流脈動長度，m.

1.3 網(wǎng)格劃分

采用AIRPAK3.0軟件進(jìn)行建模和網(wǎng)格劃分，由于房間結(jié)構(gòu)比較簡單，故采用長方體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格加密后共生成331826個節(jié)點、52254個獨立單元.

2 現(xiàn)場實測

2.1 實驗設(shè)備

實驗中利用A543熱線式風(fēng)速儀測量各計算時刻圍護(hù)結(jié)構(gòu)外圍的空氣溫度、室內(nèi)風(fēng)速、室內(nèi)溫度、室內(nèi)空氣相對濕度.其風(fēng)速的測量范圍為0.05～5.00m/s，精度為0.01 m/s;溫度的測量范圍為0～60℃，精度為0.1℃;相對濕度的測量范圍為2%～98%，精度為0.1%.利用Fluke59紅外測溫儀測量各計算時刻內(nèi)墻內(nèi)表面溫度、外窗內(nèi)表面溫度，測量范圍為－18～275℃，精度為0.2℃，誤差±2%.

2.2 數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性驗證

為了驗證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，在上午8:30，散流器頸部平均風(fēng)速為3.2m/s，送風(fēng)溫度在16℃，送風(fēng)相對濕度85.85%時，測量了各職員頭部上方0.2m高度處的溫度和風(fēng)速，并與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了對比，結(jié)果如表4所示.

表4 模擬結(jié)果與實測值的對比Table 4 Comparison between actual and simulatied values

由表4可見，職員7位置溫度的模擬值與實測值偏差稍大，這主要與太陽輻射在模擬時的簡化模型有關(guān).總體來看，風(fēng)速和溫度的模擬值相對于實測值的偏差較小，能夠反映房間內(nèi)的實際氣流組織情況.

3 數(shù)值模擬

由前文對比可知，模擬值在一定程度上能夠反映真實值.在此基礎(chǔ)上，筆者分別在各計算時刻(9:30、10:30、11:30、14:30、15:30、16:30、17:30)選取送風(fēng)溫度分別為16、17、18、19℃，散流器頸部平均風(fēng)速分別為2.0，2.5，3.0 m/s，送風(fēng)含濕量為10.5g/kg進(jìn)行模擬，得到不同條件下的12組參數(shù)，以確定不同送風(fēng)條件下的室內(nèi)熱舒適性和氣流組織情況.各時刻維護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)空氣溫度、內(nèi)墻內(nèi)表面平均溫度、玻璃內(nèi)表面溫度的測量值和室外空氣綜合溫度的計算值如圖3所示.

圖3 不同時刻溫度邊界條件的計算值和測量值Fig.3 Calculated and measured valuesoftemperature boundary conditions at different moments

4 結(jié)果分析

4.1 送風(fēng)參數(shù)變化對空調(diào)房間舒適性的影響

根據(jù)Fanger的熱舒適性理論［13］，人處于室內(nèi)時，考慮到人體的新陳代謝以及外界綜合因素的影響，可以用熱舒適性評價指標(biāo)PMV來衡量人體的熱舒適程度.其綜合考慮了人體活動情況、衣著情況、空氣溫度、空氣濕度、空氣流速、平均輻射溫度6個因素對于人體熱舒適性的影響.計算公式如式(3)所示:

式中:M為人體新陳代謝率，W/m2;H=M－W，W為人體所做的機械功，W/m2;pa為水蒸氣分壓力，kPa;fcl為穿衣面積系數(shù);Tcl為衣服外表面溫度，K;Tr為平均輻射溫度，K;Ta為人體周圍環(huán)境溫度，K;hc為對流換熱系數(shù)，W/(m2·K).

根據(jù) ISO7730:1994中的推薦指標(biāo)［14］，選擇－0.5＜PMV＜0.5作為室內(nèi)熱舒適性的參考區(qū)間，并以此作為評價室內(nèi)熱舒適性的依據(jù).其中人員為夏季著裝，穿衣面積系數(shù)取為0.8;人員為靜坐狀態(tài)，對外做功為0 W/m2;辦公室人員新陳代謝率為69.8W/m2;其他參數(shù)可通過軟件中的熱舒適性模塊計算得到.

比較發(fā)現(xiàn)，兩種送風(fēng)參數(shù)相差最大的條件下，工作區(qū)域的相對濕度相差1.9%，且當(dāng)人體靜坐時，濕度對于人體的熱舒適性影響較小［15-16］，故在分析時，忽略濕度差別對熱舒適性產(chǎn)生的影響.

對上午10:30時各送風(fēng)條件下的室內(nèi)熱舒適性進(jìn)行模擬計算，得人員工作區(qū)域(各隔斷內(nèi))的PMV平均值如圖4所示.

圖4 送風(fēng)參數(shù)與PMV的關(guān)系Fig.4 Relationship between air supply parameters and PMV

對圖4分析可知，送風(fēng)速度與送風(fēng)溫度對室內(nèi)熱舒適性均有一定的影響，且影響程度不同.當(dāng)送風(fēng)含濕量為10.5g/kg，送風(fēng)溫度和送風(fēng)速度的搭配分別為16℃、2.5 m/s，16℃、3.0 m/s，17℃、3.0 m/s時，室內(nèi)的熱舒適性能夠滿足ISO7730:1994中的推薦指標(biāo)－0.5＜PMV＜0.5，且較接近PMV=0.5的臨界值.因此，取上述的3種情況進(jìn)行具體分析，3種送風(fēng)條件下人體呼吸高度的空氣齡圖如圖5所示.

3種工況下工作區(qū)域各參數(shù)平均值如表5所示.由表5可知，在上述3種工況下，人體的頭腳溫差均未超過3℃，滿足舒適性要求.人體頭部高度的平均風(fēng)速均滿足《采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》中舒適性空調(diào)夏季風(fēng)速小于0.3 m/s的規(guī)定.當(dāng)送風(fēng)溫度為17℃時，冷凍供水溫度較高，且3.0m/s的送風(fēng)速度使空氣齡最小.因此可以認(rèn)為送風(fēng)溫度17℃.散流器頸部平均風(fēng)速3.0 m/s、送風(fēng)含濕量10.5g/kg，為滿足室內(nèi)熱舒適性的最佳工況.

圖5 不同送風(fēng)參數(shù)下的空氣齡圖Fig.5 Mean age of air contours under different air supply parameters

表5 3種不同工況下室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的模擬結(jié)果Table 5 Simulation results of indoor environment parameters under three different conditions

4.2 送風(fēng)參數(shù)優(yōu)化節(jié)能效果分析

4.2.1 各時刻最優(yōu)送風(fēng)參數(shù)的選取

按照相同的方法，筆者通過數(shù)值模擬的方式分別確定該辦公類建筑在上班時間各時刻送風(fēng)溫度和送風(fēng)速度對室內(nèi)熱舒適性的影響，并給出了最適合的送風(fēng)速度和送風(fēng)溫度.各邊界條件按照圖3和表3所示，確定的最佳送風(fēng)參數(shù)如表6所示.

表6 送風(fēng)參數(shù)的優(yōu)化組合Table 6 Optimum combination of air supply parameters

同時，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，當(dāng)室內(nèi)實際人數(shù)為4～8人時，在表6提供的的最優(yōu)送風(fēng)參數(shù)下，PMV仍介于－0.5至0.5之間，即室內(nèi)實際人數(shù)與設(shè)計人數(shù)偏差較小時，計算得到的優(yōu)化送風(fēng)參數(shù)仍能滿足室內(nèi)的熱舒適性要求.

4.2.2 節(jié)能效果分析

對于風(fēng)機盤管而言，其表冷器的制冷量可由下式計算:

式中:Q為風(fēng)機盤管制冷量，kW;G為空氣的質(zhì)量流量，kg/h;h1、h2為進(jìn)、出表冷器的空氣焓值，kJ/kg.

為了計算風(fēng)機盤管在全天各時刻的制冷量，并與優(yōu)化工況下的理論制冷量進(jìn)行對比，筆者從上午9:30開始每隔一小時測量一次送風(fēng)口和回風(fēng)口的空氣溫度、相對濕度，并根據(jù)式(4)計算出風(fēng)機盤管實際制冷量，結(jié)果如表7所示，按優(yōu)化工況模擬時的風(fēng)機盤管制冷量如表8所示.

表7 未進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化時的風(fēng)機盤管制冷量Table 7 Cooling capacity of fan-coil unit based on un-optimized parameters

表8 按模擬結(jié)果優(yōu)化參數(shù)時的風(fēng)機盤管制冷量Table 8 Cooling capacity of fan-coil unit based on optimum parameters according to simulation results

分析可知，在不進(jìn)行優(yōu)化時，全天部分時刻風(fēng)機盤管回風(fēng)溫度明顯偏低，風(fēng)機盤管制冷量較高，而根據(jù)房間冷負(fù)荷的變化規(guī)律和模擬結(jié)果合理調(diào)節(jié)送風(fēng)參數(shù)可節(jié)省17%的風(fēng)機盤管制冷量，對于空調(diào)末端節(jié)能具有一定的參考價值.

5 結(jié)語

文中利用AIRPAK3.0數(shù)值模擬軟件，采用室內(nèi)零方程湍流模型，對文中建立的辦公室物理模型在空調(diào)末端供冷條件下的室內(nèi)氣流組織進(jìn)行了數(shù)值模擬;以PMV為指標(biāo)衡量人體的熱舒適程度，研究了空調(diào)末端送風(fēng)溫度和送風(fēng)速度對于熱舒適性的影響;對一天內(nèi)各典型時刻的送風(fēng)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，得出了各典型時刻在滿足熱舒適性條件下的送風(fēng)參數(shù)的最優(yōu)組合.優(yōu)化后的末端工況與實際末端工況的對比結(jié)果顯示，空調(diào)末端的節(jié)能空間較大;優(yōu)化后的送風(fēng)參數(shù)在全天內(nèi)有較大波動，根據(jù)外界環(huán)境合理優(yōu)化送風(fēng)參數(shù)對空調(diào)末端節(jié)能有一定的指導(dǎo)意義.

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