送风速度对冬季空调房间环境影响的数值分析

周 静，李 异

（1.陕西广播电视大学，陕西西安710119；2.陕西工商职业学院，陕西西安710119；3.西安航空学院，陕西西安710077）

送风速度对冬季空调房间环境影响的数值分析

周 静1，2，李 异3

（1.陕西广播电视大学，陕西西安710119；2.陕西工商职业学院，陕西西安710119；3.西安航空学院，陕西西安710077）

为了进一步优化室内环境，提高热舒适性，以某一典型的空调办公室为研究对象，采用数值计算软件FLUENT模拟冬季室内气流组织的分布状况，经过对比分析不同的送风速度对室内活动区温度和速度的影响，得出在相同的送风量时，风口尺寸越大，送风速度就越小，室内活动区的温度越高，风速越小的结论，为其他相同或类似房间热泵空调气流组织设计提供参考。

热舒适性；数值计算；气流组织；送风速度；热泵空调

ASHRAE标准把热舒适定义为对热环境表示满意的意识状态，它是人们生理和心理上的一种感觉。热舒适是神经系统的一系列的活动，这些活动使人在心理上产生快乐的感觉［1］。影响室内热舒适的因素有：送风方式、送风温湿度、送风速度以及室内的热湿源等，其中送风速度对室内热舒适有着重要的影响。目前国内关于送风速度对室内热舒适性的研究主要集中在两个方面：一方面是研究夏季空调时送风速度对室内热舒适性的影响；另一方面主要集中研究送风速度和送风方式结合起来对室内热舒适性的影响。这两个方面一般都是研究夏季的空调工况，而对冬季热泵空调的研究很少。冬季热泵空调和夏季空调有一个很大的区别就是热气流的浮力会远远大于冷气流，因此研究送风速度对冬季热泵空调房间室内环境的影响很有必要［2］。应用Fluent专业软件，建立目标房间的物理模型，通过改变该房间的热风送风速度，对室内的气流组织进行数值模拟，得到与热舒适相关的温度场与速度场，对其进行分析，确定了热泵空调比较合适的送风速度，为其他相同或类似房间热泵空调送风角度的选择和气流组织设计提供参考。

1 物理模型的建立

选取的模型为一典型的办公室，房间的长×宽×高为6m×3.6m×3.3m，办公室的外墙有一个宽×高为1.5m×1.8m的窗户。根据我国《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》（GB 50736－2012）中规定，选择冬季室内空调设计温度为18℃［3］，整个系统计划采用侧送下回的方式。在北墙上侧中间设置1个送风口，北墙下侧设立回风口，具体结构如图1所示。

图1 办公室具体结构

2 湍流模型

本文湍流模型选用RNG k－ε模型，在RNG kε模型中，通过在大尺度运动和修正后的粘度项体现小尺度的影响，而使这些小尺度有系统地从控制方程中去除［4］。所有的 k方程和ε方程，与标准 k－ε模型非常相似［5］。

3 边界条件

空调室内空气流体的物理性质，在进行数值计算时，可以近似按常温下空气的物性参数选取。计算所需的边界条件如下。

3.1 入口边界

送风口设为速度进口，由于不考虑墙壁辐射，冬季室内空调的热负荷只包括围护结构的热负荷，在热负荷和送风温差一定的情况下，送风量就确定了，则送风口和送风速度的变化成反比，即送风口越大，送风速度越小，送风口越小，送风速度越大。笔者选取了5种工况进行模拟，分别为工况1、工况2、工况3、工况4和工况5。具体见表1。

表1 不同的送风工况

3.2 出口边界

在条形格栅回风口上各种变量按局部单向化处理，其上的各节点参数对前一节点没有影响。另外为了保证压力平衡，回风口边界条件设为压力出口［8］。

4 模拟结果及分析

通过对上述五种工况进行模拟，得出了各自的温度场和速度场，由于本文研究的是稳态的工况，所以模拟是针对空调开启一段时间以后，室内外达到了平衡下的温度、风速分布。

4.1 温度场

表2是工况1、工况2、工况3、工况4和工况5在xoz平面上y＝1.8活动区域的平均温度。图2是工况1、工况2、工况3、工况4和工况5在 xoz平面上y＝1.8活动区域对应x点的线平均温度直观图。

由图2可见，在同样的送风量的情况下，工况1送风口尺寸最大，送风速度最小，xoz平面上y＝1.8活动区域的温度最高，远远大于室内设计温度，工况5送风口尺寸最小，送风速度最大，xoz平面上y＝1.8活动区域的温度最低，远远小于室内设计温度，这说明在同样的送风量的情况下，送风速度越低，热气流与室内的换热越充分，人体活动区的温度就越高；送风速度越高，热气流与室内来不及换热就排出室外了，人体活动区的温度就越低。

4.2 速度场

表3是工况1、工况2、工况3、工况4和工况5在xoz平面上y＝1.8活动区域的平均速度。图3是工况1、工况2、工况3、工况4和工况5在 xoz平面上y＝1.8活动区域对应x点的线平均速度直观图。

表2 不同工况在xoz平面上y＝1.8活动区域对应x点的线平均温度 单位：℃

图2 不同工况在xoz平面上y＝1.8活动区域对应 x点的线平均温度

表3 不同工况在xoz平面上y＝1.8活动区域对应x点的线平均速度 单位：m／s

图3 不同工况在xoz平面上y＝1.8活动区域对应 x点的线平均速度

由图3可见，图中呈现两个明显的特征：首先，速度场在房间进深方向出现中间低，两边高的现象，其原因主要是室内活动区处于室内气流的回流区，在进深的前面处于回流区的初始阶段，速度相对较高，房间进深的后期由于回风口抽力的作用导致速度增加。其次，在同样的送风量的情况下，工况1送风口尺寸最大，送风速度最小，xoz平面上y＝1.8活动区域的平均速度为0.065m／s，工况5送风口尺寸最小，送风速度最大，xoz平面上y＝1.8活动区域的平均速度为0.113m／s，这说明在同样的送风量的情况下，送风速度越低，人体活动区风速越低，送风速度越高，人体活动区风速越高。

5 结 论

在热负荷、送风温差和送风量相同的情况下，通过以上5种工况的综合分析，可得出如下结论：

（1）送风口尺寸越大，送风速度越小，室内活动区的温度越高；反之室内活动区的温度越低。

（2）送风口尺寸越大，送风速度越小，室内活动区的风速越小；反之室内活动区的风速越大。

（3）送风口尺寸增大，会导致空调系统初投资就越大，所以在满足人体舒适性要求的前提下，送风速度和送风口的大小要比例恰当，才能使综合效益最大化。对于本文，工况1和工况2送风口尺寸大，造价高，且室内温度高于设计温度，工况4和工况5室内温度低于设计温度，且人体活动区风速过大。工况3送风口尺寸为0.4 m×0.2 m，送风速度为2 m／s时，在xoz平面上y＝1.8活动区域的平均温度也为18℃，平均速度为0.85 m／s，均符合设计规范的要求。

［1］ Lorsch H G，Abdo u OA.The impactof the building indoor environment on occupant productivity Part 2：effects of temperature［J］.ASHRAE Transactions，1994，100（2）：895-901.

［2］ 朱颖心，彦启森.建筑环境学［M］.北京：中国建筑工业出版社，2005.

［3］ 陆耀庆.实用供热空调设计手册［M］.北京：中国建筑工业出版社，2005.

［4］ 朱士江，杨正权，马永胜.基于线性插值的二维流场数值模拟可视化［J］.水利与建筑工程学报，2007，5（4）：108-110.

［5］ 帕坦卡SV.传热与流体流动的数值计算［M］.张政译.北京：科学出版社，1984.

［6］ 王福军.计算流体动力学分析［M］.北京：清华大学出版社，2004.

［7］ 张鸣远，景思睿，李国君.高等工程流体力学［M］.西安：西安交通大学出版社，2007.

［8］ 韩占忠.FLUENT流体工程仿真计算实例与应用［M］.北京：北京理工大学出版社，2004.

Numerical Analysis for Influence of Air-supply Velocity on Indoor Environment of Air-conditioned Room in W inter

ZHOU Jing1，2，LIYi3
（1.ShaanxiRadio＆TVUniversity，Xi’an，Shaanxi 710119，China；2.Shaanxi Vocational College of Industry and Commerce，Xi’an，Shaanxi 710119，China；3.Xi’an Aeronautical College，Xi’an，Shaanxi 710077，China）

In order to further improve the indoor environment and thermal comfort，the numerical calculation software FLUENT is applied to simulate the indoor air-flow distribution in winter.The simulation results show that the temperature and velocity in the indoor activity zone will be changed under different air-supply velocities.With same air supply volume，the bigger the outlet size，the smaller is the air-supply velocity，and the higher the temperature in the indoor，the smaller is the air velocity.The study could offer some references for the design of the air-flow organization in similar heat pump air-conditioned rooms.

thermal com fort；numerical calculation；air-flow organization；air-supply velocity；heat pump air conditioner

TU831

A

1672—1144（2014）01—0157—03

10.3969／j.issn.1672－1144.2014.01.032

2013-07-18

2013-08-19

周 静（1982—），女，陕西山阳人，讲师，主要从事暖通空调工程的教学和研究。