太阳负荷下空调房间的效果分析

太阳负荷下空调房间的效果分析α 童　灵　陈芝久　阙雄才 (上海交通大学制冷及低温工程系, 上海 200030) 文　摘: 针对某一结构确定的孔板送风形式, 以具有大面积玻璃外窗的空调办公室为例, 用蒙特卡 罗法分析引入的太阳负荷在室内各固体面的再分配, 以其定量分布作为附加热源, 再结合空间 紊流流动和热浮升力等条件, 进行空调室内三维流场与温度场的数值计算, 获得了较合理结果。这 对空调恒温室, 乃至调节送风射流参数以适应变工况的热舒适性调节都有一定指导意义。 关键词: 蒙特卡罗法, 太阳负荷, 流场, 温度场 0　引　言 空调办公室大多具有开放性的大面积外窗, 导致整个空调室暴露于太阳负荷之下。在这些 空调办公室中, 经过处理的空气由送风口进入房间, 与房间内的空气进行热湿交换后, 经回风 口排出。应合理地组织室内空气的流动, 使其速度、温度和湿度等能更好地满足使用者的热舒 适性要求。在性能要求较高的空调办公室内, 一般都采用送风均匀、速度衰减较快的孔板送风 气流组织。 孔板送风形式的空调系统, 其送风口位置、送风射流参数和室内结构布置等都会影响室内 的气流组织, 且诸多因素相互关联, 作用复杂, 尤其受太阳负荷影响较大。本文针对某一结构确 定的空调办公室, 在考虑确定的送风射流参数 (送风速度和送风温度)下, 分析由大玻璃外窗引 入的太阳负荷在室内各固体表面的再分配和吸收, 结合空间紊流流动和热浮升力等条件进行 三维流场与温度场的数值计算。 1　模型分析 111　结　构 文中模拟空调办公室的结构如图 1 所示, 主要结构参数为: 空调室的东面、西面和北面都 为围墙结构, 墙厚 20cm ; 南面全部是外窗, 窗厚 5mm ; 空调室长 16m , 宽 7m , 高 315m ; 空调室 顶部布置的两块送风孔板各为 12m 长、0. 4m 宽; 空调室的东西两面有两扇开启的门, 各为 1m 宽、2m 高, 空调系统通过这两扇门回风; 空调室中部由 9 块 3m 宽、115m 高的竖隔板和 1 块 12m 长、115m 高的纵隔板分隔成 16 个相对封闭的小空间; 在每个小空间内距地面 018m 处各 有一块 115m 长、017m 宽的写字案板。该空调室是一层楼面中的一间, 其东面、西面和北面都 是相同结构的空调房间。运行工况如下: 外部环境温度 35℃, 空调孔板送风温度为 15℃或 第 19 卷　第 4 期 1998 年 10 月 　　　　　　　　 太　阳　能　学　报 A CTA EN ERG IA E SOLA R IS S IN ICA 　　　　　　　 　 V o l 1 19, N o14 O ct. , 1998 　 α 本文 1997208201 收到 20℃; 孔板送风速度为 0105m ös 或 0102m ös; 出于对称性考虑, 其东墙、西墙和北墙的中心线 处是绝热的。各固体壁面处受到的太阳负荷的分配量作为其热流边界条件。 112　太阳负荷和蒙特卡罗法的应用 图 1　空调办公室三维结构图 图 2　空调办公室俯视结构图 　　当太阳射线照射开放的围护结构或透明的空调环境的玻璃窗时, 一部分被反射, 另一部分 进入室内, 其比例决定于玻璃材料的反射比。进入空调环境的太阳负荷中, 一部分被内部固体 吸收, 另一部分又被散射, 再被其它内部固体吸收或再次散射到空调环境外。 由于计算空间内的几何结构和部件表面物理模型的复杂性, 用蒙特卡洛方法计算各个表 面间的辐射换热量的过程主要有三个过程, 即: (A )确定初始辐射射线; (B ) 跟踪辐射射线在各 个表面之间的传递; (C)确定辐射射线与各个表面的作用结果。 113　流动换热 在流场和温度场的数值计算过程中, 作以下简化假设: 空调室内的空气流动符合Bo ssi2 nesq 假设; 空调室内的紊流流动符合 K2Ε紊流模型; 在各近壁处的流动符合单层壁面函数法 的对数分布规律; 在入口孔板处, 送风射流参数均匀; 在出口的门处, 压力分布均匀一致。 在以上假设的基础上, 整个计算区域内的空气流动及传热满足以下方程: 连续方程 5U5x + 5V5y + 5W5z = 0 (1) 动量方程 5ΘUU5x + 5ΘV U5y + 5ΘW U5z = - 5p5x + Λeff (52U5x 2 + 52U5y 2 + 52U5z 2 ) (2)5ΘUV5x + 5ΘV V5y + 5ΘW V5z = - 5p5y + Λeff (52V5x 2 + 52V5y 2 + 52V5z 2 ) (3)5ΘUW5x + 5ΘVW5y + 5ΘW W5z = - 5p5z + Λeff (52W5x 2 + 52W5y 2 + 52W5z 2 ) + Θg (4) 能量方程 5ΘU T5x + 5ΘV T5y + 5ΘW T5z = q iCp + ΚeffCp (52T5x 2 + 52T5y 2 + 52T5z 2 ) (5) 紊流能量方程 5ΘU K5x + 5ΘV K5y + 5ΘW K5z = S K+ (# K (52K5x 2 + 52K5y 2 + 52K5z 2 ) (6) 紊流能量耗散率方程　5ΘU Ε5x + 5ΘV Ε5y + 5ΘW Ε5z = S Ε+ # Ε( 52Ε5x 2 + 52Ε5y 2 + 52Ε5z 2 ) (7) 从上述各方程的形式看, 均可用一个统一方程来表示, 其形式为 diΤ(ΘVψΥ) = d iΤ(# gradΥ) + S (8) 当取 Υ为不同的物理量时, 则统一方程演化为对应物理量的控制方程。进行如此处理后, 则易 于进行随后的数值计算。 考虑到在计算空间中温度较大, 浮升力将对流场有一定的影响: 904　4 期　　　　　　　　　　　　童　灵等: 太阳负荷下空调房间的效果分析 Θ= Θc [1- Β(T - T c) ] (9) 由于壁面的限制, 近壁处粘性力起主要作用。对此, 本文中将尽可能选用壁面函数法来处理近 壁区域的流动。 2　计算结果及分析 按照模型分析及所确定的问特性, 编写相应的程序进行计算后, 可以得到一系列计算结 果。本文主要以太阳辐照度和送风参数作为空调系统变量进行多工况计算, 结果列于表 1 和表 2。针对确定的太阳辐照度, 可先由蒙特卡罗法计算出各固体表面实际吸收的辐照度, 然后以此 作为各面的附加热源而进行随后的数值计算, 就可获得最终的三维流场和温度场分布, 进而分 析评估其热舒适性。本文仅对工况A 的数据作进一步的分析, 其结果见表 3 和图 3～ 8。 表 1　强太阳负荷下运行工况 　表 2　弱太阳负荷下运行工况 V in (m ös) t in= 15℃ t in= 20℃ V in (m ös) t in= 15℃ t in= 20℃ 0. 05 0102 工况A工况C 工况B工况D 01050102 工况 E工况 G 工况 F工况H tout= 35℃, I dir= 600W öm 2, I diff= 200W öm 2　　　　　　　　　　tout= 35℃, I dir= 300W öm 2, I diff= 100W öm 2 表 3　工况A 时各固体表面所受太阳负荷再分配量 固体表面 类别 灰　　度 面积 (m 2) 总辐射量 (W ) 热流密度 (W öm 2) 外窗 (1) 玻璃 — 56. 0 94 1. 7 内墙 (2) 灰体 015 5610 688 1213 左边墙 (3) 灰体 015 2415 646 2614 右边墙 (4) 灰体 015 2415 642 2614 顶壁 (5) 灰体 014 11210 2188 1915 外侧地面 (6) 灰体 018 3210 19700 61610 中部正面 (7) 灰体 018 4810 940 1916 内侧底面 (8) 灰体 018 3210 365 1114 竖隔板外侧 (9) 灰体 015 1810 347 1913 竖隔板内侧 (10) 灰体 015 1810 42 213 1# 纵隔板左侧 (11) 灰体 015 415 46 1012 1# 纵隔板右侧 (12) 灰体 015 415 56 1214 2# 纵隔板左侧 (13) 灰体 015 415 46 10. 2 2# 纵隔板右侧 (14) 灰体 015 415 59 13. 1 3# 纵隔板左侧 (15) 灰体 015 415 50 11. 1 3# 纵隔板右侧 (16) 灰体 015 415 61 1316 4# 纵隔板左侧 (17) 灰体 015 415 54 1. 2 4# 纵隔板右侧 (18) 灰体 015 415 57 1217 5# 纵隔板左侧 (19) 灰体 015 415 56 1214 014 太　　阳　　能　　学　　报 19 卷　 类别 灰　　度 面积 (m 2) 总辐射量 (W ) 热流密度 (W öm 2) 5# 纵隔板右侧 (20) 灰体 015 415 56 1214 6# 纵隔板左侧 (21) 灰体 015 415 57 1217 6# 纵隔板右侧 (22) 灰体 015 415 54 1. 2 7# 纵隔板左侧 (23) 灰体 015 415 61 13. 6 7# 纵隔板右侧 (24) 灰体 015 415 50 11. 1 8# 纵隔板左侧 (25) 灰体 015 415 59 13. 1 8# 纵隔板右侧 (26) 灰体 015 415 46 10. 2 9# 纵隔板左侧 (27) 灰体 015 415 56 1214 9# 纵隔板右侧 (28) 灰体 015 415 46 10. 2 横隔板上侧 (29) 灰体 014 1618 145 816 横隔板下侧 (30) 灰体 015 1618 51 310 11 太阳辐射正对外窗, 太阳高度角取 60°, 21 玻璃的光折射率为 115, 厚度为 5mm 图 3　A 工况 z = 0. 5m 处的速度分布　　　　　　　图 4　A 工况 z = 0. 5m 处的温度分布 图 5　A 工况 z = 1. 0m 处的速度分布　　　　　　　图 6　A 工况 z = 1. 0m 处的温度分布 由以上的流场和温度分布便可分析该房间中气流组织的特点。当高度为 118m (z = 1. 8 m ) , 即相当于人体头部的区域, 整个水平面的流场和温度场比较均匀。在该高度流动尚未受隔 板影响, 孔板送出的气流流动均匀, 效果较好, 且受各个固体壁面太阳负荷的不一致影响小。当 高度为 110m (z = 1. 0m ) , 即相当于人体胸部的区域, 整个水平面的流场和温度场明显受到隔 板影响, 近窗处的流动受到限制, 而近内壁处的流动较明显, 尤其是在近门处的流动特别剧烈。 114　4 期　　　　　　　　　　　　童　灵等: 太阳负荷下空调房间的效果分析 图 7　A 工况 z= 1. 8m 处的速度分布　　　　　　　图 8　A 工况 z= 1. 8m 处的温度分布 流动明显的区域分配到的空调制冷量大, 空调效果好。由于靠近外窗处的固体壁面吸收的太阳 负荷较内壁面的多, 内外两部分温差明显。图形中的隔板的温度分布明显地说明了隔板的热阻 隔作用。当高度为 015m (z = 0. 5m ) , 即相当于人体腿部的区域, 整个水平面的流场和温度场分 布已经很不均匀了。整体流动集中于靠近门的部位, 其余部分的流动基本消失。温度场主要受 制于地面处太阳负荷强度。在外侧近窗区域, 近地面处的强烈的太阳负荷强度使得该处的温度 明显较高; 在内侧近壁区域, 太阳负荷强度小, 流动基本消失, 温度较低且分布均匀。 本文对工况A 作详细图解和分析, 其送风温度为 15℃, 送风速度为 0105m ös, 总送风孔板 面积为 916m 2, 在一般空调环境中是合适的。但在本文的计算中, 发现其平均回风温度为 24℃ 左右, 即送风温差为 9℃, 而正常空调通风情况中送风温差为 6℃。实际上, 这正是由强太阳辐 射和大面积的外窗造成的。由此可见, 太阳辐射对这种结构空调房间的热舒适性影响很大。 考虑到空调室的左右对称性, 出于节省计算机资源的目的, 本文只对其中心对称面的右侧 空间进行流场和温度场的计算, 左侧空间内的有关分布与之完全对称。 3　结束语 蒙特卡罗法计算封闭空间的太阳负荷分配具有物理概念明确、适用性强等优点。本例中, 太阳负荷带入的热量占带大面积外窗的空调办公室热负荷的绝大部分。由计算结果可知, 在孔 板送风形式的空调室工作区内, 流场比较均匀, 能够获得较均匀的温度场, 符合人体热舒适性 的要求。获得的速度场和温度场等数据及直观图形, 对空调房的气流组织十分有用。 参　考　文　献 1　薛殿华 1 空气调节 1 北京: 清华大学出版社, 1990 2　陶文铨 1 数值传热学 1 西安: 西安交通大学出版社, 1988 3　童灵 1 冰箱性能测试实验室的三维流场数值研究 1 上海交通大学学报, 1996, 30: 38241 214 太　　阳　　能　　学　　报 19 卷　 THE ANALY SIS ON THE THERM AL EFFECT ON AN A IR-COND ITIONED ROOM W ITH SOLAR LOAD Tong L ing　Chen Zh ijiu　Q ue X iongca i (D ep artm en t of R ef rig era tion and C ry og en ics E ng ineering , S hang ha i J iaotong U niversity , S hang ha i 200030) Abstract: In o rder to ana lyze therm al effect in an a ir2condit ioned room office as an exam p le w ith top 2ven t ila t ion and a large part of t ran sparen t g lass, the M on te Carlo m ethod is u sed to ca lcu la te the d ist ribu t ion of so la r rad ia t ion in side the office. T he so lar energy dist ribu t ion is con sidered as addit iona l hea t sou rce. Com b ined w ith tu rbu len t K2Εm odel, buoyan t fo rce and o ther facto rs, the num erica l ca lcu la t ion of th ree d im en siona l f lu id and tem pera tu re field is carried ou t. T he resu lts a re help fu l to the design of a ir2condit ioned environm en t, especia lly w ith heavy so lar load. Keyword:M on te Carlo m ethod, so la r load, f lu id field, tem pera tu re field 314　4 期　　　　　　　　　　　　童　灵等: 太阳负荷下空调房间的效果分析