彭軍

（信陽學院土木工程學院，河南 信陽 464000）

1 引言

室內(nèi)環(huán)境中空氣品質(zhì)重要性不言而喻，人們對室內(nèi)環(huán)境中空氣品質(zhì)的多樣性需求對通風技術提出了新的要求。這表明目前人們對通風空調(diào)房間內(nèi)空氣的各項參數(shù)分布的認知十分缺乏。送風是否有效、室內(nèi)空氣溫度的傳播規(guī)律，以及其他各個因素對空氣溫度的傳播的影響程度，如何提高通風空調(diào)系統(tǒng)的工作效率，已成為目前重點研究的系列問題。目前文獻中，對于非均勻的室內(nèi)空氣溫度分布規(guī)律的研究還不是很多[1]。基于固定的流速場的特殊情況下，室內(nèi)空氣熱量的傳遞規(guī)律和室內(nèi)污染物的傳播規(guī)律十分類似。本文通過已有的室內(nèi)污染物的傳播規(guī)律的研究結果探討室內(nèi)空氣的溫度分布存在的規(guī)律。

2003年，清華大學的李先庭[2]教授開創(chuàng)性地提出了一系列的新指標，描述了動態(tài)過程中的非穩(wěn)態(tài)的室內(nèi)污染物傳播的規(guī)律。基于在固定流場的特定情況下，熱量傳遞和污染物傳播具有類似規(guī)律，從房間熱環(huán)境（以空氣溫度為代表）出發(fā)，定性、定量地確定室內(nèi)各點處的空氣溫度、送風溫度以及室內(nèi)熱源之間的關系，從而認識來自送風口的熱量以及來自室內(nèi)熱源的熱量，以及兩者在室內(nèi)空間傳遞的特點。最終導出室內(nèi)空氣溫度分布的表達式，建立營造非均勻的室內(nèi)空氣環(huán)境的理論，目前都已經(jīng)成為可能研究的內(nèi)容。

2 室內(nèi)空氣流動數(shù)值計算的物理模型

2.1 物理模型

室內(nèi)空氣流動的物理模型如下：（1）不可壓縮、低速、通常溫度流體流動；（2）等壓流動并且符合氣體的狀態(tài)方程；（3）符合波洛涅茲假設；（4）紊流流動并且自然對流和受迫對流同時存在。

2.2 控制方程的離散和離散方程的求解

本文采用有限容積法對控制方程進行離散；采用交替方向迭代法（ADI）求解代數(shù)方程組；采用SIMPLE算法解決流場與其他變量的耦合求解[3]。

3 溫度可及的描述與分析

在探討以下問題之前，首先界定的前提條件是：（1）固定的流速場，速度場不受空氣密度變化的影響。（2）潛熱不考慮，顯熱考慮。（3）對流換熱考慮，輻射換熱不考慮。初始條件中的溫度分布是均勻的，邊界條件中的所有壁面都是絕熱絕質(zhì)的。

3.1 送風溫度可及性

現(xiàn)定義一個指標，該指標把送風溫度在室內(nèi)空間的持續(xù)影響及其特點考慮進去，與時間相關，該指標反映任意時刻送風溫度到達室內(nèi)各點的能力，稱為送風溫度的可及性（Accessibility of Supplied Air Temperature,ASAT）。

定義送風溫度的可及性的工況如下：（1）無內(nèi)熱源在室內(nèi)；（2）初始狀態(tài)時，均勻的溫度場，送風口的送風溫度t0就是室內(nèi)各點的溫度；（3）初始狀態(tài)開始，把送風口的送風溫度值調(diào)整為ts；（4）時刻τ為任意時刻，任意一點處室內(nèi)的溫度值為t（x，y，z，τ）。

送風的溫度可及度asat,i（x，y，z，τ）定義為公式（1）：

3.2 熱源的可及性

現(xiàn)定義一個指標，該指標考慮到室內(nèi)熱源在室內(nèi)的持續(xù)影響及其特點，與時間相關，該指標反映任意時刻室內(nèi)熱源的熱量到達室內(nèi)各點的能力，命名該指標為熱源的可及性（Accessibility of Heat Source,AHS）。

熱源可及性是在如下工況時定義的：（1）初始時刻時，場內(nèi)無內(nèi)熱源，溫度場是均勻的，室內(nèi)各點的溫度都等于送風口的送風溫度t0，排風口溫度te；（2）從初始時刻起，設置一個給定的熱源i；（3）任意一個時刻τ，場內(nèi)任意一點處的溫度為t（x,y,z,τ）。熱源的可及度ahs,i（x,y,z,τ）定義為：

4 非均勻的室內(nèi)空氣溫度分布規(guī)律

通風空調(diào)房間內(nèi)，常見熱量主要來自兩個方面：（1）送風口送入；（2）維護結構傳熱和室內(nèi)發(fā)熱量。為簡化問題，本文假定維護結構是絕熱絕質(zhì)的，著眼于送風口的送風溫度和內(nèi)熱源的發(fā)熱量對室內(nèi)任意一點處溫度的影響[4]。

4.1 非均勻的室內(nèi)空氣溫度分布表達式

對于室內(nèi)空氣流動，穩(wěn)態(tài)時的室內(nèi)任意一點的空氣溫度t（x,y,z）可以通過式（3）表示：

式中，asat,i為送風溫度的可及度；ts,i為送風口溫度；t0為初始溫度；ahs,j為熱源的可及度；qhs,j為熱源的強度；Vhs,j為熱源的體積；cp為空氣比熱容；G為送風總量。

送風溫度對全場的溫度分布影響明顯。送風溫度可及性是氣流組織的反映，而熱源可及性需要氣流組織和熱源本身特征共同確定。

4.2 對溫度表達式的數(shù)值驗證

通過改變送風口溫度，熱源強度等多種極端工況的數(shù)值實驗結果表明：通過溫度表達式算得的溫度值完全能滿足工程計算的精度要求。

5 非均勻的室內(nèi)空氣溫度分布規(guī)律的應用

確定起始條件和壁面條件（如送風溫度），然后得到目標（如工作區(qū)處的空氣溫度）滿足需求的程度，這在通風和空氣調(diào)節(jié)方案的對比過程中是典型的正問題。類似的情況，目標是獲得最優(yōu)化的配置資源，實現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境的最恰當?shù)目刂?，研究目的不是僅滿足多個方案之間的比較，這一問題跟上述的正向問題比較而言，壁面邊界條件（如送風溫度）成為需要求解的變量，上述正向問題中的目標在這里成為務必滿足的條件，這就形成一類反問題。提出不均勻的室內(nèi)空氣溫度關聯(lián)式，就在不同的通風和空氣調(diào)節(jié)的壁面條件與多種特定的需求之間建立直接的關聯(lián)，從而使上述反問題的快速求解成為可能。

5.1 問題描述

現(xiàn)在討論本節(jié)提出的這類反問題，繼續(xù)采用對溫度表達式的數(shù)值驗證的算例。

通過改變送風口的送風溫度，從而實現(xiàn)關注點P處的溫度需求，確保關注點P處的溫度值為24℃。

5.2 問題求解

式（4）為關注點P處的溫度tp計算公式：

增加一個約束條件，要求送風口送入的總冷量為最小，表示為式（5）：

式中，cp為空 氣 比熱容；G1和G2為送風量；ts1′和ts2′為送風溫度；tp為關注點處的溫度。

送風口的送風量均是固定不變的。計算結果見表1。

表1 模擬工況（改動送風溫度為不同的值）

5.3 結果對比和討論

如果送風口的溫度同時調(diào)整到同一個值，即第一種調(diào)節(jié)模式，在這種情況下，溫度關聯(lián)表達式中的未知量只有一個，已知量是關注點處的溫度值，代入溫度公式就可以求出送風口的送風溫度應該調(diào)整到的溫度值，就可以算出對應每個送風口送入的冷量值。表2為計算結果。

表2 工況模擬（改變送風口的送風溫度為同一個確定值）

在保證關注點溫度值的前提下，模式二比模式一明顯節(jié)能，節(jié)約冷量為（649.53-410.51）×100%/410.51=58.23%。對上述問題的解釋是：對關注點P的送風溫度的貢獻，送風口1明顯大于送風口2。因此可見，要保證局部區(qū)域處溫度值為一特定值，相比較營造均勻混合的室內(nèi)空氣環(huán)境，營造不均勻的室內(nèi)空氣環(huán)境具有更大的節(jié)能潛力。

6 結語

送風溫度的可及性，送風溫度的可及度，室內(nèi)熱源的可及性，室內(nèi)熱源的可及度的概念在本文被提出。這些概念從空間以及時間兩個方面定量描述了在室內(nèi)空氣環(huán)境的狀況中送風溫度以及室內(nèi)熱源的貢獻，有效指導了送風溫度的調(diào)節(jié)以及室內(nèi)余熱排出。本文給出了任意時段內(nèi)，固定的流速場條件下，室內(nèi)空間任意點處的溫度與初始狀態(tài)的溫度、送風口的溫度以及室內(nèi)熱源之間的關聯(lián)式。通過CFD數(shù)值計算分析，對溫度關聯(lián)式在工程計算上的可靠度進行了驗證。借助溫度的表達式，可以迅速通過手算得出溫度的分布場，同時脫離CFD計算工具試算大量工況也成為可能的現(xiàn)實。通過數(shù)值計算案例表明，要保證局部區(qū)域處溫度值為一特定值，相比較營造均勻混合的室內(nèi)空氣環(huán)境，營造不均勻的室內(nèi)空氣環(huán)境具有更大的節(jié)能潛力。