南方集中供冷型高校課室溫度場的數(shù)值模擬研究
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王躍 鄭李娟 王成勇 周佐喜 宋月賢
廣東工業(yè)大學(xué)總務(wù)處（節(jié)能辦）
摘 要：本文主要對裝有集中供冷空調(diào)系統(tǒng)的某高校課室的溫度場進(jìn)行了模擬仿真分析。研究表明空調(diào)課室溫度基本維持在25℃左右，課室前半部分的溫度最低，后三排區(qū)域溫度較高；采用上送上回的送風(fēng)模式，在垂直方向上熱分層現(xiàn)象較為明顯；大部分區(qū)域氣流速度能夠滿足室內(nèi)舒適性的要求；模擬加裝Low-e 25隔熱膜后的平均溫度較未貼膜的溫度低約3℃。模擬結(jié)果有助于了解室內(nèi)溫度場分布變化，為制冷效果的分析及節(jié)能改造提供參考和依據(jù)。
關(guān)鍵詞：集中供冷空調(diào)課室溫度場速度場數(shù)值模擬
0 引言
廣州所在的南方地區(qū)為南亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，接受太陽輻射量較多、夏季長，全年最熱的7月平均最高氣溫達(dá)32.8℃，年平均相對濕度為78%。本文主要針對該環(huán)境下裝有集中供冷空調(diào)系統(tǒng)課室模型利用ANSYS ICEM進(jìn)行網(wǎng)格劃分，然后采用ANSYS CFX進(jìn)行模擬，得到了相應(yīng)的溫度場并進(jìn)行分析。研究結(jié)果有助于了解室內(nèi)溫度場分布變化，為制冷效果的分析和節(jié)能改造提供了參考。
1 廣州大學(xué)城區(qū)域供冷系統(tǒng)簡介
廣州大學(xué)城區(qū)域供冷系統(tǒng)采用了分布式能源站和區(qū)域供冷等先進(jìn)空調(diào)技術(shù)，于2005年建成并投入使用。該系統(tǒng)共設(shè)有四個冷凍站和近300個單體建筑換熱站，其中為本文的模擬研究對象供冷的冷站應(yīng)用的是冰蓄冷技術(shù)，采用低溫供水、大溫差運行模式，其中一級網(wǎng)供水及回水溫度分別為2℃、13 ℃。
2 空調(diào)課室數(shù)值模型的建立
2.1空調(diào)冷負(fù)荷的計算
課室內(nèi)空調(diào)冷負(fù)荷的計算應(yīng)考慮如下幾個方面：太陽輻射、建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)冷負(fù)荷（如玻璃窗傳熱、外墻及地面等）、新風(fēng)冷負(fù)荷、室外熱濕冷負(fù)荷、照明等設(shè)備的散熱冷負(fù)荷、室內(nèi)人員冷負(fù)荷等等。其中，本文所模擬的課室采用的是大窗墻壁結(jié)構(gòu)，因此建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)也就成了影響室內(nèi)熱環(huán)境質(zhì)量和建筑能耗最主要的因素之一。
2.2物理模型
建立與某高校教學(xué)2號樓課室(大小為14.4 m x12 mx4 m)實際情況基本相一致的物理模型，主要包括：墻體、玻璃窗、課桌及講臺、6個進(jìn)風(fēng)口、2個出風(fēng)口、54名學(xué)生等。其中，空調(diào)末端送風(fēng)口和回風(fēng)口位于課室頂部，水平方向基本平齊。如圖1所示。
2.3數(shù)學(xué)模型
Standardk-占模型對大多數(shù)的流動問題都有比較好的普適性，具有收斂性好、計算速度快等優(yōu)點。因此本文在用ANSYS CFX數(shù)值模擬課室內(nèi)溫度場變化時時采用Standardk-8模型。
建模前的假設(shè)條件：1）除進(jìn)出風(fēng)口外，空調(diào)課室封閉良好，忽略門窗縫隙漏氣；2）室內(nèi)氣體為穩(wěn)態(tài)流動；3）忽略照明設(shè)備的影響，并外墻視為絕熱邊界；4）師生于課前集中進(jìn)入課室。
2.4網(wǎng)格劃分
運用ANSYS12.0中的模塊ICEM網(wǎng)格生成軟件來完成網(wǎng)格劃分，Tetra Meshing四面體網(wǎng)格適合對結(jié)構(gòu)復(fù)雜的幾何模型進(jìn)行快速高效的網(wǎng)格劃分。此外，在出風(fēng)口、回風(fēng)口和窗玻璃面及人體熱源等進(jìn)行網(wǎng)格加密劃分。模型網(wǎng)格生成完畢之后統(tǒng)計網(wǎng)格數(shù)量為584344個。劃分出的網(wǎng)格如圖2、3所示。
2.5邊界條件
1)入口邊界條件：6個入口IN01～I(xiàn)N06，每個進(jìn)風(fēng)口面積均為0.18 m2，設(shè)置入口IN01為Velocity-inlet，Turbulence湍流擾動強度選擇Medium (Intensity=5%)，送風(fēng)溫度為18℃，送風(fēng)風(fēng)速為1.5 m/s，其他5個進(jìn)風(fēng)口設(shè)置與IN01相同。
2)出口邊界條件：2個出口OUT01、OUT02，兩個回風(fēng)口面積均為0.32 m2，邊界類型為Outflow。
3)玻璃窗面邊界條件：設(shè)置走廊一側(cè)有遮擋的兩個玻璃窗的太陽輻射量Heatingin01、Heatingin02的Heat Flux值為60 W/m2；設(shè)置另一側(cè)玻璃窗太陽輻射量Heatingout01、Heatingout02的Heat Flux值為127 W/m2，室外溫度30℃。
4)人體表面散熱邊界條件：54個人體散熱輻射面組設(shè)置傳熱類型為Heat Flux，其值為70 W/m2。
將模型中剩下未設(shè)置的面自動設(shè)成絕熱面。
3 模擬結(jié)果與分析
采用ANSYS CFX進(jìn)行模擬仿真，數(shù)值模擬的時間段為夏季下午13:15-14:15，此時間段的熱環(huán)境和熱舒適性相對較差。按學(xué)校要求，需要對有課程安排的課室提前15 min，即13:15開啟空調(diào)給課室預(yù)冷。
3.1溫度場和氣流場分析
3.1.1水平面溫度
截取水平面x=1 m處各時間段的溫度場分布如圖4所示。
圖4(a)溫度場可以看出，除左下角的4個座位區(qū)域內(nèi)溫度為28℃以外，課室內(nèi)大部分區(qū)域的溫度維持在22-25℃(295-298 K)之間，即驗證了對課室提前15 min開啟空調(diào)預(yù)冷降低了室內(nèi)溫度，滿足了使用要求，為教學(xué)提供了一個較為舒適的熱環(huán)境。由圖4(b)、(c)各時間段的溫度場趨勢可以看出，隨著空調(diào)的開啟，課室講臺附近和前排的溫度最低，基本維持在25℃左右，后三排區(qū)域溫度較高，接近29-30℃。這是由于在課室學(xué)生滿負(fù)荷狀態(tài)下，后排擁擠空間不足，冷氣不能充分到達(dá)所致。此外，對比課室靠窗兩側(cè)的溫度場可以發(fā)現(xiàn)，有走廊一側(cè)由于接受太陽輻射相對少，故較另一側(cè)溫度低3-4℃。
3.1.2垂直面溫度
垂直面y=6 m處各時間段溫度場分布如圖5所示。
分析整個時間段垂直面的溫度場可以看出，由于采用上送上回的送風(fēng)模式，在垂直方向上熱分層現(xiàn)象較為明顯；課室頂部及課室前半部分對流充分，故室內(nèi)溫度較低，在23-27℃(296-300K)之間波動。圖5(b)即13:50以后靠后的3排座位區(qū)域開始出現(xiàn)高溫區(qū)，溫度接近30℃。由分析也可以看出，學(xué)生在上課時應(yīng)盡可能靠前排就坐，在人員不密集的情況下分散就坐可以減少高溫區(qū)域的面積。
3.1.3垂直面氣流場分布
除送風(fēng)口、回風(fēng)口所在的課室頂部區(qū)域氣流場變化劇烈、氣流擴散速度較大以外，室內(nèi)大部分區(qū)域及師生活動主要區(qū)域氣流速度均小于0.3 m/s，基本不會產(chǎn)生由吹風(fēng)感而引起的不適，能夠滿足室內(nèi)舒適性的要求，符合空調(diào)設(shè)計規(guī)范。課室前半部分形成了少量冷氣堆積；課室后半部分空間相對擁擠因而引起氣流交換對流不夠充分，易產(chǎn)生高溫區(qū)域，且污濁空氣不易排出，熱舒適性較其他區(qū)域差一些。
3.2貼膜前后對比
太陽輻射引起的玻璃窗傳熱負(fù)荷是影響室內(nèi)熱環(huán)境質(zhì)量和建筑能耗的主要因素之一。為減少大窗墻比類型課室的夏季供冷負(fù)荷，可以采取更換高性能玻璃、改為雙層皮玻璃幕墻、增加內(nèi)外遮陽及貼玻璃隔熱膜等措施。然而對既有建筑進(jìn)行節(jié)能改造，要綜合考慮技術(shù)可行性和經(jīng)濟可行性。下面就模擬分析某型號的低輻射Low-e 25隔熱膜在加裝前后的課室溫度場。該隔熱膜具有遮陽系數(shù)小，能降低玻璃U-值的優(yōu)點，既能有效阻隔太陽能熱量進(jìn)入室內(nèi)，也能減少玻璃內(nèi)外的傳導(dǎo)傳熱。該型號隔熱膜性能指標(biāo)如下：
模擬結(jié)果對比如圖7、圖8所示，發(fā)現(xiàn)雖然上課前15 min已開啟空調(diào)，但是13:30開始上課時，室內(nèi)環(huán)境溫度仍然相對較高，在24-28℃(297-301 K)之間，部分空間區(qū)域溫度已達(dá)到甚至超過30℃(303 K)，這樣的熱濕環(huán)境下，師生無法進(jìn)行正常的教學(xué)活動。對比貼了隔熱膜的模擬結(jié)果，室內(nèi)絕大部分的區(qū)域溫度在22-25℃(295-298 K)之間，較未貼膜的溫度低約3℃。從建筑節(jié)能的角度出發(fā)，在廣州地區(qū)，對于窗墻比較大的建筑，在考慮經(jīng)濟成本的前提下，裝貼隔熱玻璃貼膜對于空調(diào)舒適度和節(jié)能有較為顯著的效果。
4 結(jié)論
1)空調(diào)課室溫度基本維持在25℃左右；提前15 min開啟空調(diào)預(yù)冷，至上課時溫度維持在22-25℃之間；課室講臺附近和前排的溫度最低，后三排所在的區(qū)域溫度較高。
2)采用上送上回的送風(fēng)模式，在垂直方向上熱分層現(xiàn)象較為明顯。
3)學(xué)生在上課時應(yīng)盡可能靠前排就坐，在人員不密集的情況下分散就坐可以減少高溫區(qū)域的面積。
4)室內(nèi)大部分區(qū)域氣流速度小于0.3 m/s，基本不會產(chǎn)生由吹風(fēng)感而引起的不適，能夠滿足室內(nèi)舒適性的要求，符合空調(diào)設(shè)計規(guī)范。
5）摸擬加裝Low-e 25隔熱膜后的平均溫度較未貼膜的溫度低約3℃。
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