南方集中供冷型高校课室温度场的数值模拟研究

 王跃 郑李娟 王成勇 周佐喜 宋月贤

 广东工业大学总务处（节能办）

摘  要：本文主要对装有集中供冷空调系统的某高校课室的温度场进行了模拟仿真分析。研究表明空调课室温度基本维持在25℃左右，课室前半部分的温度最低，后三排区域温度较高；采用上送上回的送风模式，在垂直方向上热分层现象较为明显；大部分区域气流速度能够满足室内舒适性的要求；模拟加装Low-e 25隔热膜后的平均温度较未贴膜的温度低约3℃。模拟结果有助于了解室内温度场分布变化，为制冷效果的分析及节能改造提供参考和依据。

关键词：集中供冷空调课室温度场速度场数值模拟

0  引言

 广州所在的南方地区为南亚热带季风气候区，接受太阳辐射量较多、夏季长，全年最热的7月平均最高气温达32.8℃，年平均相对湿度为78%。本文主要针对该环境下装有集中供冷空调系统课室模型利用ANSYS ICEM进行网格划分，然后采用ANSYS CFX进行模拟，得到了相应的温度场并进行分析。研究结果有助于了解室内温度场分布变化，为制冷效果的分析和节能改造提供了参考。

1  广州大学城区域供冷系统简介

  广州大学城区域供冷系统采用了分布式能源站和区域供冷等先进空调技术，于2005年建成并投入使用。该系统共设有四个冷冻站和近300个单体建筑换热站，其中为本文的模拟研究对象供冷的冷站应用的是冰蓄冷技术，采用低温供水、大温差运行模式，其中一级网供水及回水温度分别为2℃、13 ℃。

2  空调课室数值模型的建立

2.1空调冷负荷的计算

 课室内空调冷负荷的计算应考虑如下几个方面：太阳辐射、建筑物围护结构冷负荷（如玻璃窗传热、外墙及地面等）、新风冷负荷、室外热湿冷负荷、照明等设备的散热冷负荷、室内人员冷负荷等等。其中，本文所模拟的课室采用的是大窗墙壁结构，因此建筑物围护结构也就成了影响室内热环境质量和建筑能耗最主要的因素之一。

2.2物理模型

 建立与某高校教学2号楼课室(大小为14.4 m x12 mx4 m)实际情况基本相一致的物理模型，主要包括：墙体、玻璃窗、课桌及讲台、6个进风口、2个出风口、54名学生等。其中，空调末端送风口和回风口位于课室顶部，水平方向基本平齐。如图1所示。

2.3数学模型

 Standardk-占模型对大多数的流动问题都有比较好的普适性，具有收敛性好、计算速度快等优点。因此本文在用ANSYS CFX数值模拟课室内温度场变化时时采用Standardk-8模型。

 建模前的假设条件：1）除进出风口外，空调课室封闭良好，忽略门窗缝隙漏气；2）室内气体为稳态流动；3）忽略照明设备的影响，并外墙视为绝热边界；4）师生于课前集中进入课室。

2.4网格划分

 运用ANSYS12.0中的模块ICEM网格生成软件来完成网格划分，Tetra Meshing四面体网格适合对结构复杂的几何模型进行快速高效的网格划分。此外，在出风口、回风口和窗玻璃面及人体热源等进行网格加密划分。模型网格生成完毕之后统计网格数量为584344个。划分出的网格如图2、3所示。

2.5边界条件

 1)入口边界条件：6个入口IN01～IN06，每个进风口面积均为0.18 m2，设置入口IN01为Velocity-inlet，Turbulence湍流扰动强度选择Medium (Intensity=5%)，送风温度为18℃，送风风速为1.5 m/s，其他5个进风口设置与IN01相同。

 2)出口边界条件：2个出口OUT01、OUT02，两个回风口面积均为0.32 m2，边界类型为Outflow。

 3)玻璃窗面边界条件：设置走廊一侧有遮挡的两个玻璃窗的太阳辐射量Heatingin01、Heatingin02的Heat Flux值为60 W/m2；设置另一侧玻璃窗太阳辐射量Heatingout01、Heatingout02的Heat Flux值为127 W/m2，室外温度30℃。

 4)人体表面散热边界条件：54个人体散热辐射面组设置传热类型为Heat Flux，其值为70 W/m2。

 将模型中剩下未设置的面自动设成绝热面。

3  模拟结果与分析

 采用ANSYS CFX进行模拟仿真，数值模拟的时间段为夏季下午13:15-14:15，此时间段的热环境和热舒适性相对较差。按学校要求，需要对有课程安排的课室提前15 min，即13:15开启空调给课室预冷。

3.1温度场和气流场分析

3.1.1水平面温度

 截取水平面x=1 m处各时间段的温度场分布如图4所示。

 图4(a)温度场可以看出，除左下角的4个座位区域内温度为28℃以外，课室内大部分区域的温度维持在22-25℃(295-298 K)之间，即验证了对课室提前15 min开启空调预冷降低了室内温度，满足了使用要求，为教学提供了一个较为舒适的热环境。由图4(b)、(c)各时间段的温度场趋势可以看出，随着空调的开启，课室讲台附近和前排的温度最低，基本维持在25℃左右，后三排区域温度较高，接近29-30℃。这是由于在课室学生满负荷状态下，后排拥挤空间不足，冷气不能充分到达所致。此外，对比课室靠窗两侧的温度场可以发现，有走廊一侧由于接受太阳辐射相对少，故较另一侧温度低3-4℃。

3.1.2垂直面温度

 垂直面y=6 m处各时间段温度场分布如图5所示。

 分析整个时间段垂直面的温度场可以看出，由于采用上送上回的送风模式，在垂直方向上热分层现象较为明显；课室顶部及课室前半部分对流充分，故室内温度较低，在23-27℃(296-300K)之间波动。图5(b)即13:50以后靠后的3排座位区域开始出现高温区，温度接近30℃。由分析也可以看出，学生在上课时应尽可能靠前排就坐，在人员不密集的情况下分散就坐可以减少高温区域的面积。

3.1.3垂直面气流场分布

 除送风口、回风口所在的课室顶部区域气流场变化剧烈、气流扩散速度较大以外，室内大部分区域及师生活动主要区域气流速度均小于0.3 m/s，基本不会产生由吹风感而引起的不适，能够满足室内舒适性的要求，符合空调设计规范。课室前半部分形成了少量冷气堆积；课室后半部分空间相对拥挤因而引起气流交换对流不够充分，易产生高温区域，且污浊空气不易排出，热舒适性较其他区域差一些。

3.2贴膜前后对比

 太阳辐射引起的玻璃窗传热负荷是影响室内热环境质量和建筑能耗的主要因素之一。为减少大窗墙比类型课室的夏季供冷负荷，可以采取更换高性能玻璃、改为双层皮玻璃幕墙、增加内外遮阳及贴玻璃隔热膜等措施。然而对既有建筑进行节能改造，要综合考虑技术可行性和经济可行性。下面就模拟分析某型号的低辐射Low-e 25隔热膜在加装前后的课室温度场。该隔热膜具有遮阳系数小，能降低玻璃U-值的优点，既能有效阻隔太阳能热量进入室内，也能减少玻璃内外的传导传热。该型号隔热膜性能指标如下：

 模拟结果对比如图7、图8所示，发现虽然上课前15 min已开启空调，但是13:30开始上课时，室内环境温度仍然相对较高，在24-28℃(297-301 K)之间，部分空间区域温度已达到甚至超过30℃(303 K)，这样的热湿环境下，师生无法进行正常的教学活动。对比贴了隔热膜的模拟结果，室内绝大部分的区域温度在22-25℃(295-298 K)之间，较未贴膜的温度低约3℃。从建筑节能的角度出发，在广州地区，对于窗墙比较大的建筑，在考虑经济成本的前提下，装贴隔热玻璃贴膜对于空调舒适度和节能有较为显著的效果。

4  结论

 1)空调课室温度基本维持在25℃左右；提前15 min开启空调预冷，至上课时温度维持在22-25℃之间；课室讲台附近和前排的温度最低，后三排所在的区域温度较高。

  2)采用上送上回的送风模式，在垂直方向上热分层现象较为明显。

  3)学生在上课时应尽可能靠前排就坐，在人员不密集的情况下分散就坐可以减少高温区域的面积。

  4)室内大部分区域气流速度小于0.3 m/s，基本不会产生由吹风感而引起的不适，能够满足室内舒适性的要求，符合空调设计规范。

  5）摸拟加装Low-e 25隔热膜后的平均温度较未贴膜的温度低约3℃。