賈學(xué)斌

（中鐵建設(shè)集團有限公司，中國 北京 100040）

0 引言

在經(jīng)濟飛速發(fā)展的現(xiàn)代，室內(nèi)區(qū)域已經(jīng)成為絕大多數(shù)人長時間停留的場所，空調(diào)作為其必不可少的設(shè)施，發(fā)揮著重要作用。隨著人民生活水平的提高，人們對室內(nèi)溫度的舒適性和空氣品質(zhì)的要求也越來越高。人們更希望時刻處在一個健康、舒適的空間。目前，為提高室內(nèi)空氣氣流品質(zhì)，進行了一些研究。文獻[1]應(yīng)用CFD 模擬軟件對夏季中央空調(diào)房間中常用的上送上回送風(fēng)形式進行模擬研究，分析空調(diào)送風(fēng)角度對室內(nèi)氣流溫度場和速度場的影響，進而討論房間的舒適性。文獻[2]采用數(shù)值計算軟件FLUENT 模擬冬季室內(nèi)氣流組織的分布狀況，經(jīng)過對比分析不同的送風(fēng)速度對室內(nèi)活動區(qū)溫度和速度的影響。文獻[3]利用fluent 軟件通過置換通風(fēng)和側(cè)送風(fēng)兩種送風(fēng)方式下辦室內(nèi)的速度場、溫度場、CO2濃度場所進行的數(shù)值模擬分析。文獻[4]介紹了一種下送風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計方法，利用Airpark 軟件對該設(shè)計方法下的空調(diào)房間進行數(shù)值模擬分析。文獻[5]針對相同室內(nèi)條件、不同氣流組織形式下的各種模型，運用暖通空調(diào)專用數(shù)值模擬軟件Airpark，對室內(nèi)速度場、溫度場進行了數(shù)值模擬計算。然而隨著室內(nèi)吸頂式空調(diào)的大范圍使用，對于其送風(fēng)方式很少考慮，這勢必有可能未將空調(diào)利用效率最大化，從而影響室內(nèi)氣流組織和舒適性。因此本文將以吸頂式空調(diào)為例，采用計算流體力學(xué)方法模擬研究空調(diào)不同的送風(fēng)形式對室內(nèi)氣流組織的影響，進而得到一種較為合理的送風(fēng)方式，為提高空調(diào)送風(fēng)效率，節(jié)約能源消耗提供參考。

1 數(shù)學(xué)模型

室內(nèi)空調(diào)的送、回風(fēng)是一個復(fù)雜的湍流過程[6]，需要采用合適的湍流模型進行模擬。本文主要考慮空調(diào)送風(fēng)的瞬態(tài)過程，因此選用基于Realizable k-epsilon 的分離渦湍流模型（Detached Eddy Simulation，DES）[7]。該方法結(jié)合了大渦模擬（LES）方法和雷諾時均模擬（RANS）方法兩者的優(yōu)點，在近壁區(qū)采用RANS 模型，而遠(yuǎn)離壁面區(qū)采用LES 模型，很好的解決了RANS 模型求解精度不高，LES 模型求解計算量大的問題。而近壁區(qū)選用可實現(xiàn)的k-epsilon 方程，能更準(zhǔn)確地計算含有旋流、逆壓梯度邊界層及分離流的流場。

同時為了簡化計算，對模擬房間進行如下假設(shè)：（1）室內(nèi)空氣為不可壓縮氣體；（2）忽略墻壁及室內(nèi)物體的輻射熱；（3）房間內(nèi)的門窗等密閉性好。

2 幾何模型

采用的房間尺寸為7m×5m×2.9m，忽略屋內(nèi)家具、裝飾等物品，只保留房間的空間結(jié)構(gòu)?？照{(diào)置于房間頂部中心。整個系統(tǒng)采用上送上回方式，即空調(diào)送風(fēng)口位于正中央，風(fēng)口為正四邊形，尺寸為0.5m×0.5m，四側(cè)分別布置一個回風(fēng)口，具體的結(jié)構(gòu)見圖1。為改變空調(diào)的送風(fēng)方式，采用在送風(fēng)口外設(shè)置一段導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)，垂直高度為0.1m。導(dǎo)流罩與垂直面的夾角a 分別取15°和30°。同時在導(dǎo)流罩內(nèi)部沿長度、寬度方向上設(shè)置兩塊隔板，隔板的夾角與導(dǎo)流罩的相同；在送風(fēng)口的中心位置處，則增設(shè)一個十字形的隔板，隔板垂直于水平面，示意圖見圖2。

3 邊界條件與計算網(wǎng)格

圖1 幾何模型

圖2 方案：(a)原方案，(b)改進方案

采用CFD 商業(yè)軟件進行數(shù)值模擬，假設(shè)室內(nèi)的溫度為305.16K（32℃）計算所需的邊界條件定義如下：（1）入口邊界：送風(fēng)口設(shè)定為速度入口（Velocity-inlet），給定垂直頂部向下1m/s 的風(fēng)速，氣流的溫度設(shè)定為297.16K，即24℃。（2）出口邊界：為保證室內(nèi)外壓力平衡，在出口（回風(fēng)口）設(shè)定為壓力出口。（3）固體壁面：房間四周壁面、地面邊界采用無滑移速度邊界，各壁面均設(shè)為零熱流條件，即絕熱邊界。

整個計算區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進行離散。在送風(fēng)口、回風(fēng)口等溫度梯度大的地方進行網(wǎng)格加密。整個體網(wǎng)格數(shù)達(dá)到202 萬。

在本文中，由于采用非定常計算方法，因此選取計算時間步長為0.005s，每一個步長內(nèi)迭代30 次?？傆嫴介L數(shù)為6000 步，計算時間為30s。

4 計算結(jié)果分析

4.1 溫度場

為了能夠清楚地比對原方案與優(yōu)化方案對室內(nèi)流場氣流的影響，選取中心平面（寬度方向的中心處）的不同時刻的溫度進行分析，見圖3。從圖中可以發(fā)現(xiàn)：沿著氣流流動地方溫度較低；隨著溫度傳遞，氣流溫度逐漸與室內(nèi)溫度接近。原方案下，當(dāng)送風(fēng)時間達(dá)到10s 時，氣流到達(dá)地面，并向兩側(cè)流動，冷空氣主要位于靠近地面10cm 左右高度的區(qū)域。而設(shè)置一個15°的導(dǎo)流罩以后，其促進氣流向兩側(cè)的流動，而不是像原方案一樣，只集中向下送風(fēng)；15°導(dǎo)流罩方案雖然延長了氣流到達(dá)地面的時間，但使得更多冷氣流停留在空間，與室內(nèi)高溫氣體進行熱交換，從而能夠加速室內(nèi)降溫。當(dāng)設(shè)置一個30°的導(dǎo)流罩時，送風(fēng)口氣流分成3 部分，兩側(cè)冷氣流往兩側(cè)流動，中間部分向下流動，氣流大部分位于室內(nèi)空間；但由于空調(diào)回風(fēng)口與兩側(cè)的冷氣流很接近，使得氣流未向下流動就被排到室外，這將大大降低空調(diào)的使用效率。因此從不同時刻的溫度場來看，設(shè)置合適導(dǎo)流罩能夠更好地冷卻室內(nèi)空氣，加速降低室內(nèi)溫度，但如果導(dǎo)流罩角度設(shè)置不合理時，將大大增加空調(diào)能耗，造成資源的浪費。

圖3 溫度場

4.2 流線

圖4 為原方案和不同送風(fēng)方式在中心平面（寬度方向的中心處）的不同時刻的流線圖，采用速度進行渲染。

圖4 流線

從流線圖可知：不同時刻瞬態(tài)流場基本具有對稱性；氣流從送風(fēng)口流出，經(jīng)過整個室內(nèi)流動，最終從回風(fēng)口流出；在高速冷氣流的兩側(cè)均形成一個漩渦，帶動周圍氣流發(fā)生熱交換；原方案下的氣流未到達(dá)地面時，漩渦較小，發(fā)生熱交換有限；到達(dá)地面時，漩渦主要貼近地面，使得其與地面的熱交換增強，但空間氣流的熱交換效果一般；在15°的導(dǎo)流罩方案下，其空間漩渦較大，能較好地帶動周圍的氣流進行熱交換；在30°的導(dǎo)流罩方案下，氣流分為3 部分，兩側(cè)的部分在頂部接近回風(fēng)口處進行熱交換，使得效率下降，向下的部分，量少，熱交換有限。

5 結(jié)論

本文通過對吸頂式空調(diào)上送上回氣流組織進行瞬態(tài)模擬，分析比較不同送風(fēng)方式下不同時刻的溫度場和流場流線，得到以下結(jié)論：

（1）不同時刻的室內(nèi)瞬態(tài)流場基本具有對稱性；在高速冷氣流的兩側(cè)均形成一個漩渦，促進帶動了周圍氣流發(fā)生熱交換。

（2）原方案下，氣流垂直向下流動，與周圍的熱空氣進行熱交換的范圍有限；同時當(dāng)氣流到達(dá)地面時，主要貼近地面，直接降低室內(nèi)空氣的熱交換效率。

（3）設(shè)置合適的導(dǎo)流罩能夠延長氣流到達(dá)地面的時間，使得更多的冷氣流能夠停留在空間，與室內(nèi)高溫氣體進行熱交換，從而能夠加速室內(nèi)氣體降溫；導(dǎo)流罩角度設(shè)置不合理將造成冷空氣直接從回流口流出，從而大大增加空調(diào)能耗，造成資源的浪費；建議導(dǎo)流罩角度選取15°。

［1］王敬歡,黃虎,張進賢,陳澤民.空調(diào)房間不同送風(fēng)角度的數(shù)值模擬[J].南京師范大學(xué)學(xué)報:工程技術(shù)版,2011,11(2):53-57.

［2］周靜,李異.送風(fēng)速度對冬季空調(diào)房間環(huán)境影響的數(shù)值分析[J].水利與建筑工程學(xué)報,2014,12(1):157-159.

［3］楊蘇,楚廣明,逯廣林.空調(diào)房間氣流組織的數(shù)值模擬研究[J].節(jié)能,2014(1):22-26.

［4］劉行安,張國強,何雪強.下送風(fēng)空調(diào)房間的數(shù)值模擬[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào),2012,31(2):56-59.

［5］袁東升,田慧玲,高建成.氣流組織對空調(diào)房間空氣環(huán)境影響的數(shù)值模擬[J].建筑節(jié)能,2008,36(9):9-13.

［6］羅挺,許雅娟,劉益.空調(diào)房間湍流流場的數(shù)值模擬[J].四川環(huán)境,2005,24(2):87-89.

［7］Fluent Inc.FLUENT User’s Guide[Z].2006.