室內熱環境驗證研究論文

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摘要：本文應用數值模擬軟件，利用第三類邊界條件對某實驗房的室內熱環境進行數值模擬，并通過實驗進行驗證。驗證結果表明模擬值與實際測量值基本吻合。在數值模擬驗證的基礎上，論文通過設置不同圍護結構熱工特性、室外空氣溫度、以及送風參數的模擬，得到了相應室內熱環境隨圍護結構熱工特性、室外溫度、送風參數變化的特性與規律，進一步擴大了實驗范圍，充實了實驗手段。

關鍵詞：數值模擬實驗驗證變參數模擬

0.引言

隨著計算機的大容量化和高速度化以及計算流體力學的發展，在室內熱環境方面，特別是大空間建筑室內熱環境設計中已逐漸普及采用CFD來解決室內氣流組織、熱環境等問題的研究[1]，從而使室內熱環境特性研究及其全面評價成為可能。

本文應用軟件Airpak，利用第三類邊界條件對某實驗室室內熱環境進行數值模擬，并通過實驗予以驗證，進而利用數值模擬對室內熱環境特性進行分析。

1.環境實驗室簡介

如圖1所示，環境實驗室內尺寸為4.9m×3.5m×2.5m，墻體均采用保溫材料。氣流組織采用頂送下回，送風口尺寸為16cm×69cm，距東墻中側設有一30cm×30cm的回風口。室內東西墻附近各有一個散熱器，圖1中Z向為北向。

2.數值模擬計算與結果

2.1物理模型及數學模擬概況

模擬用物理模型如圖1所示，其墻體傳熱系數為0.383W/(K×m2)，墻外側溫度28℃。送風速度為2.35m/s，送風溫度17.8℃，靠近東、西墻處的散熱器散熱量分別為840W、2410W，且室內日光燈關閉。

數值模擬用數學模型為K-ε紊流模型，利用第三類邊界條件對房間進行熱環境模擬。對送、回風口及回風管處、散熱器等采用了網格加密的處理，總網格數18655個。

2.2數值模擬結果

2.2.1溫度場分布

如圖2（a）、（b）所示，沿著風口自上而下，溫度逐漸變化。近風口處等溫線密集，溫度分布存在明顯的擴散現象。在圖2（a）中，由于右側存在一個散熱器，導致了兩邊溫度分布并不對稱。在圖2（b）中，水平方向溫度梯度明顯變小，存在衰減現象，回風口處等溫線相對稀疏，房間居住域溫度變化相對緩慢。圖2（c）為南墻表面的溫度分布，從圖中可以看出，墻面自下而上溫度逐漸升高，離風口較遠處的溫度相對較高，等溫線較密集。圖中所標數字單位均為℃。

2.2.2速度場的分布

圖3為室內速度場模擬結果。模擬結果表明，射流斷面速度從射流中心開始逐漸向邊界衰減并沿射程有所變化，導致流量沿程增加，射流直徑略有增大?；仫L口的氣流近似于流體力學中所述的匯流。離開匯點距離越大，流速衰減越大，呈二次方衰減[2]。從圖中可以看出，風口下方速度較大，自上而下存在衰減現象。其余區域速度較小。圖3（a）中，氣流在左右兩側各形成一個較小的渦流。圖3（b）中，除送風口與回風口處速度較大，整個房間的速度較小，且分布比較均勻。

3.實驗驗證

3.1實驗布點與測量方法

實驗中共布置九個速度測點，在寬度方向上取中間截面布置七個點，兩個散熱器附近各布置一個測點。空氣速度采用萬向風速儀，其輸出信號通過Fluke采集器進行集中采集。布點位置如圖4（a）所示。

采用垂直方向上均勻布點的原則，實驗中布置二十個溫度測點，采用帶防輻射屏蔽罩的T型熱電偶進行測試，數據采集通過Anjelun采集器集中采集，每分鐘采集一次，布點位置如圖4（b）所示。

3.2實驗結果與模擬值的對比分析

表1、表2分別為圖4（a）、圖4（b）各測點實驗值。定義系列測定誤差為：

其中xs——實測值；

xm——模擬值；

n——測點總數。

計算σ時剔除最大偏差值。經計算，速度系列誤差σv=0.15m/s，溫度系列誤差σt=1.66℃。速度誤差相對較大，這是由于在速度均勻區域測點較少，某些點實測值與模擬值相差較大造成的。溫度誤差相對較小。對比表中的各個數值，說明模擬熱環境與實際熱環境基本一致，數值模擬結果可靠。

表1速度模擬值與實測值比較測點序號123456789

實測值(m/s)2.131.731.690.110.170.090.70.181.16

模擬值(m/s)2.041.711.350.140.110.160.520.120.08

表2溫度的模擬值與實測值測點序號12345678910

實測值（℃）25.225.9925.2618.4920.220.8220.5724.3823.9423.75

模擬值（℃）22.9622.7622.4618.6919.5520.1120.1623.8623.4823.2

測點序號11121314151617181920

實測值（℃）23.7522.8924.322531.4225.1524.1223.0322.9623.35

模擬值（℃）22.8222.1424.6923.5522.6722.4522.3723.7423.226.91

4.室內環境特性模擬

對圍護結構傳熱系數、室外空氣溫度、以及送風溫度、速度等參數進行了變參數模擬。選取在房間中間位置點10和靠近出風口處點5作為觀察對象。（參看圖4（b））

4.1變送風參數模擬結果

分別設置送風溫度14、16、17.8、20、22℃，由圖5（a）可知，隨著送風溫度的增加，點10，5的溫度都在增加，室內溫度也隨之升高，點5溫度增加的趨勢要高于點10。

分別設置送風速度1.8、2.1、2.35、2.7、3.0m/s，由圖5（b）可知，隨著送風速度的增加，點5的速度增加趨勢略為明顯，這是與點5位于風口附近，受送風速度影響較大有關。點10的風速變化并不明顯，速度較均勻。

4.2變熱工參數的模擬結果

分別設置墻體的傳熱系數為0.383、2.5、4.5、6.5、8.5W/(K×m2)，其他參數不變，由圖6可知，隨著傳熱系數的增加，室內溫度略有升高。這是因為隨著傳熱系數的增加，材料的保溫性能降低，比較容易受到室外參數的影響，點5影響較小。

5.3變室外溫度的模擬結果

分別設置送風溫度20、24、28、32和36℃，由圖7可知，隨著室外溫度的升高，點10，5的溫度略有增加，室內熱環境受室外溫度影響較小。

6.結論

采用Airpak軟件對某實驗室熱環境數值模擬，經實驗驗證結果表明基本吻合，模擬結果可靠。利用經驗證后的數值模擬體系進行一些列變參數模擬結果表明，隨傳熱系數增加，室溫提高，當傳熱系數增加到2.5W/(K×m2)以上后，室溫影響減弱，這是由于室內熱源較大，墻體熱工參數影響相對減弱所致。此外室內溫度受送風參數影響較大。通過論文研究表明，借助一定的實驗，利用數值模擬研究室內熱環境是一種比較有效、可靠的研究方法，其研究成果可為空調設計提供參考和指導。

參考書目：

[1]黃晨等.大空間建筑室內垂直溫度分布的研究.暖通空調.1999,No.5.

[2]趙榮義等.空氣調節.北京:中國建筑工業出版社,2002.151-156.