張知宇，薛 冰，孔祥領(lǐng)，孔德旻

（1.山東電力工程咨詢?cè)河邢薰荆綎|濟(jì)南 250013；2.解放軍96630部隊(duì)，北京 102206；3.中國(guó)石油技術(shù)開發(fā)公司，北京 100009；4.山東省天地建設(shè)顧問有限公司，山東濟(jì)南 250013）

1 前言

從我國(guó)的能源消費(fèi)途徑來看，建筑能耗約占總能耗的30%以上，而其中約60%以上的能量被用于對(duì)建筑內(nèi)部進(jìn)行通風(fēng)、制冷和供暖等［1］。因此，降低建筑物空調(diào)系統(tǒng)的能耗對(duì)于解決能源與環(huán)境問題具有重要意義。

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，以及家電下鄉(xiāng)等政策的推動(dòng)，農(nóng)村地區(qū)的家用空調(diào)的普及率顯著提高。因此，研究農(nóng)村地區(qū)空調(diào)的運(yùn)行方式對(duì)制冷效果的影響具有重要的意義。目前已有一些針對(duì)建筑物內(nèi)部空調(diào)運(yùn)行的數(shù)值模擬研究，但主要研究對(duì)象為宿舍、酒店和辦公室等場(chǎng)所［2～7］。本文對(duì)北方農(nóng)村地區(qū)的典型民居內(nèi)的夏季空調(diào)運(yùn)行進(jìn)行數(shù)值模擬研究和分析，為今后空調(diào)的安裝和節(jié)能運(yùn)行提供參考。

2 數(shù)值計(jì)算模型

2.1 物理模型

為了使數(shù)值模擬能夠盡量準(zhǔn)確地反映實(shí)際情況，本文調(diào)研了目前山東、河北和遼寧等北方農(nóng)村地區(qū)的房屋結(jié)構(gòu)。本文所模擬的對(duì)象為一座典型的3間平房結(jié)構(gòu)，其中東、西兩側(cè)為臥室，中間為廚房和門廳，如圖 1所示。目前很多農(nóng)村居民家庭出于節(jié)省安裝成本和節(jié)能的考慮，通常情況下一個(gè)家庭只安裝一臺(tái)空調(diào)機(jī)，門廳和廚房除用餐時(shí)間外較少使用，因此空調(diào)機(jī)一般安裝于其中一間臥室內(nèi)，本文以空調(diào)機(jī)安裝在西臥室為例。房間的高度均為2.86 m，臥室的面積為5.20 m×3.48 m，門廳的面積為2.11 m× 3.36 m，廚房的面積為1.59 m×3.36 m，墻壁的厚度均為 0.24 m。

圖1 幾何模型示意

空調(diào)機(jī)簡(jiǎn)化成尺寸為0.84 m×0.16 m×0.28 m的長(zhǎng)方體，安裝高度為2.27 m?？照{(diào)機(jī)的送風(fēng)口設(shè)置在空調(diào)機(jī)前面板下方，尺寸為0.74 m×0.09 m，進(jìn)風(fēng)口位于空調(diào)機(jī)頂部，尺寸為0.74 m×0.10 m。定義空調(diào)機(jī)送風(fēng)方向與水平方向的夾角θ為送風(fēng)角，如圖2所示。

圖2 空調(diào)機(jī)送風(fēng)角示意

本文采用ICEM創(chuàng)建幾何模型并劃分網(wǎng)格，為了提高計(jì)算的穩(wěn)定性并降低網(wǎng)格總數(shù)，整個(gè)模型全部采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。為了驗(yàn)證模擬結(jié)果的網(wǎng)格無關(guān)性，本文采用了單元總數(shù)分別為85萬、110萬和135萬的3套網(wǎng)格。計(jì)算結(jié)果表明，進(jìn)一步增加網(wǎng)格數(shù)量對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響不大。本文采用單元總數(shù)為135萬的網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算。

2.2 模擬設(shè)置

室內(nèi)空氣滿足Boussinesq假設(shè)，其流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的獲得需要通過求解連續(xù)性方程、N-S方程和能量方程實(shí)現(xiàn)。此外，由于空調(diào)機(jī)出口處氣流的Reynolds數(shù)相對(duì)較高，需要選用合適的湍流模型來進(jìn)行模擬。本文采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型，并采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。使用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型要求y+＜200，因此模擬中網(wǎng)格的劃分也嚴(yán)格按照該標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。以空調(diào)機(jī)安裝在西臥室西側(cè)墻壁上的情況為例，當(dāng)送風(fēng)角為45°時(shí)，西側(cè)壁面上的y+值如圖3所示，從圖中可見，壁面處的y+均滿足使用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)的要求，即說明近壁處的網(wǎng)格劃分合理。

圖3 西臥室西側(cè)壁面y+分布

模擬使用Fluent 14.5軟件實(shí)現(xiàn)，在采用Intel Xeon E5-2643 16核處理器的高性能計(jì)算機(jī)上進(jìn)行計(jì)算。經(jīng)過測(cè)試發(fā)現(xiàn)，每個(gè)算例使用8核并行、同時(shí)進(jìn)行2個(gè)算例的計(jì)算時(shí)，計(jì)算效率最高。模擬采用瞬態(tài)、基于壓力的求解器，動(dòng)量和能量方程中的對(duì)流項(xiàng)使用二階迎風(fēng)差分格式。壓力速度耦合采用SIMPLE算法。設(shè)置環(huán)境溫度為30 ℃，壓力為 1.01×105Pa，重力沿 y軸負(fù)方向。

空調(diào)機(jī)的送風(fēng)口設(shè)置為速度入口，空氣流速為2.6 m/s，溫度為18 ℃，流動(dòng)方向根據(jù)不同的送風(fēng)角分別確定。房間壁面采用恒壁溫條件，設(shè)置為30 ℃。

3 結(jié)果與討論

3.1 空調(diào)機(jī)安裝位置的影響

因?yàn)榕P室為南北通透的結(jié)構(gòu)，因此空調(diào)機(jī)一般安裝在臥室的東、西兩側(cè)墻壁上。在本文的研究中，空調(diào)機(jī)位于西臥室，其具體安裝位置將對(duì)整個(gè)房屋內(nèi)的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)將產(chǎn)生重要影響。當(dāng)空調(diào)機(jī)安裝在東側(cè)墻壁時(shí)，取yoz切面（即x=0的平面），如圖 4所示。

圖4 yoz切面示意（空調(diào)機(jī)安裝在東側(cè)墻壁）

由于安裝在東側(cè)墻壁上，空調(diào)機(jī)的送風(fēng)口背向臥室門，吹入房間的冷空氣將首先穿過房間，并撞擊西側(cè)墻壁后改變流動(dòng)方向，反射的空氣和送風(fēng)口吹出的空氣相互作用在房間內(nèi)形成渦，如圖 5所示。此時(shí)，西臥室內(nèi)溫度較低的空氣只能以很低的速度從高度較低的區(qū)域流入門廳。西臥室與門廳之間的熱交換主要依靠?jī)蓚?cè)溫度不均空氣的自然對(duì)流實(shí)現(xiàn)，所以門廳及東臥室的降溫速度緩慢。

圖5 空調(diào)機(jī)安裝在東側(cè)墻壁時(shí)yoz平面上的速度矢量

將空調(diào)機(jī)安裝在西側(cè)墻壁的情形如圖1所示。類似地，取yoz切面觀察其中空氣流動(dòng)的速度矢量，如圖6所示。此時(shí)，空調(diào)機(jī)的送風(fēng)口面向臥室門，其吹出的部分冷空氣可以直接穿過房間到達(dá)臥室門。從圖6可見，臥室門下半部分的空氣是由臥室流向門廳的，且流速較高，因此西臥室和門廳之間的熱交換主要通過強(qiáng)制對(duì)流實(shí)現(xiàn)，從而使得門廳的降溫速度加快。

圖6 空調(diào)機(jī)安裝在西側(cè)墻壁時(shí)yoz平面上的速度矢量

為了定量的比較不同的空調(diào)機(jī)安裝位置對(duì)各個(gè)房間降溫情況的影響，統(tǒng)計(jì)了高度H為1.5 m的平面上平均溫度隨時(shí)間的變化情況，如圖 7所示。當(dāng)空調(diào)機(jī)安裝在西側(cè)墻壁時(shí)，由于西臥室和門廳之間顯著的強(qiáng)制對(duì)流，門廳內(nèi)的溫度降低速度和幅度都遠(yuǎn)大于空調(diào)機(jī)安裝在東側(cè)墻壁的情況；進(jìn)一步使得門廳和東臥室之間的對(duì)流加強(qiáng)，從而東臥室的降溫幅度也較大。而對(duì)于西臥室，由于空調(diào)機(jī)安裝在東側(cè)墻壁時(shí)，送風(fēng)口背向臥室門，不利于冷空氣向門廳流動(dòng)，因此導(dǎo)致西臥室內(nèi)的降溫速度較快，但最終溫度與空調(diào)機(jī)安裝在西側(cè)墻壁時(shí)相差不大。

圖7 房間平均溫度的變化（H=1.5 m）

上述結(jié)果表明，當(dāng)僅需為西臥室降溫時(shí)，可以將空調(diào)機(jī)安裝在東側(cè)壁面，但是其相對(duì)于安裝在西側(cè)壁面的情況優(yōu)勢(shì)不明顯。而且如果僅需對(duì)西臥室制冷，那么無論何種情形都可以通過關(guān)閉臥室門的方式來提高降溫速度。而當(dāng)需要對(duì)整個(gè)房屋進(jìn)行降溫，那么將空調(diào)機(jī)安裝在西側(cè)墻壁（送風(fēng)口面向臥室門）就具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

3.2 送風(fēng)角的影響

在將空調(diào)機(jī)安裝在西側(cè)墻壁的情況下，設(shè)置不同的送風(fēng)角度對(duì)于室內(nèi)空氣溫度和流動(dòng)情況的影響需要進(jìn)一步研究，以確定合理的送風(fēng)角，從而達(dá)到更好的降溫效果。因此，本文分別設(shè)定送風(fēng)角θ為30°、45°和60°等進(jìn)行模擬計(jì)算。

開機(jī)時(shí)間為60 min，送風(fēng)角θ=30°時(shí)，空調(diào)機(jī)中央剖面（x=1.15 m）上的氣流速度矢量如圖 8所示。由于送風(fēng)角較小，所以出風(fēng)口吹出的大部分氣流沒有觸及地面就到達(dá)了房間對(duì)側(cè)，即臥室門所在的一側(cè)，因此西臥室與門廳之間的空氣流動(dòng)比較強(qiáng)烈。

圖 8 x=1.15 m，t=60 min，θ=30°時(shí)氣流速度矢量

而當(dāng)送風(fēng)角θ=60°時(shí)，過空調(diào)機(jī)中央剖面上的氣流速度矢量如圖9所示。此時(shí)送風(fēng)角度大導(dǎo)致出風(fēng)口吹出的氣流在達(dá)到房間對(duì)側(cè)之前就沖擊地面，從而導(dǎo)致流速的下降，不利于西臥室與門廳之間的對(duì)流。

圖 9 x=1.15 m，t=60 min，θ=60°時(shí)氣流速度矢量

圖10 給出了送風(fēng)角為30°和60°時(shí)，空調(diào)機(jī)中央剖面上的溫度云圖，從圖中可見，送風(fēng)角為30°時(shí)，同一時(shí)刻3個(gè)房間內(nèi)的溫度均低于送風(fēng)角為60°時(shí)的溫度。

圖 10 x=1.15 m，t=60 min 溫度云圖

為了進(jìn)一步定量比較不同送風(fēng)角對(duì)房屋內(nèi)溫度變化的影響，統(tǒng)計(jì)了高度為0.9 m和1.5 m的2個(gè)平面上各個(gè)房間內(nèi)的平均溫度隨時(shí)間變化的情況，如圖11所示。從圖11可見，隨著送風(fēng)角的減小，3個(gè)房間內(nèi)的降溫速度均加快。采用30°和45°的送風(fēng)角明顯優(yōu)于采用60°送風(fēng)角的情況，這是由于送風(fēng)角較小時(shí)，冷空氣能夠在不觸及地面的情況下到達(dá)房間對(duì)側(cè)，從而穿過臥室門與門廳內(nèi)的空氣進(jìn)行對(duì)流換熱。上述計(jì)算結(jié)果表明，在本文討論的送風(fēng)角范圍（30°～60°）內(nèi)，實(shí)際空調(diào)機(jī)的運(yùn)行過程中，應(yīng)該減小送風(fēng)角以達(dá)到快速降溫的目的。

圖11 房間內(nèi)不同高度平面上溫度的變化

4 結(jié)語

本文針對(duì)北方農(nóng)村地區(qū)的一棟典型3間式住房?jī)?nèi)安裝一臺(tái)壁掛式空調(diào)機(jī)的情況，利用數(shù)值模擬的方法分析了空調(diào)機(jī)不同安裝位置和不同送風(fēng)角度對(duì)室內(nèi)流動(dòng)和溫度變化的影響。模擬結(jié)果表明，當(dāng)僅為一個(gè)房間降溫時(shí)，應(yīng)該將空氣安裝在與臥室門同側(cè)的墻壁上，以使送風(fēng)口背向臥室門。而依據(jù)目前北方農(nóng)村地區(qū)的實(shí)際情況，往往一棟住房?jī)?nèi)僅安裝一臺(tái)空調(diào)，那么需要考慮使用一臺(tái)空調(diào)機(jī)降低整棟房屋內(nèi)的溫度，此時(shí)，模擬結(jié)果表明應(yīng)該將空調(diào)機(jī)安裝在與臥室門相對(duì)的墻壁上，以使送風(fēng)口面向臥室門，從而加強(qiáng)對(duì)流換熱。模擬結(jié)果還表明，空調(diào)機(jī)運(yùn)行時(shí)的送風(fēng)角對(duì)室內(nèi)的空氣流動(dòng)和換熱有著重要影響。在本文研究的送風(fēng)角范圍（30°～60°）內(nèi)，送風(fēng)角越小，越有利于房屋內(nèi)的對(duì)流換熱，從而能夠更快更好地達(dá)到降溫的目的。

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