低温送风和常规送风状态下室内空气不均匀系数比较

图（2）常规送风室内空气温度分布图
图（3）常规送风室内空气速度矢量图
由模拟结果可以知道，在送风口和回风口附近，空气流动性较强，温度较低，在内热源附近，空气
流动性较弱，温度较高。在该送风状态下，工作区的最大温差为2.6K，速度差为0.2m/s,工作区的风速基
本满足规范要求，室内空气均匀性比较好。
图（4）和图（5）为送风速度3.5m/s,温度277K，高度1.2米方向上的低温送风状态下的空气温度分布
在室内各点，气流组织的表现形式为温度、风速均有不同程度的差异。这种差异用“不均匀系数” 指标来评价。
在工作区内选择n个测点，分别测得各点的温度和风速，求其算术平均值为： [4]
t = ∑ti n
u = ∑ui n
均方根偏差为：
∑ σ t =
(ti − t)2 n
∑ σ u =
(ui − u)2 n
则不均匀系数的定义为：
[4]《室内空气流动数值模拟》[M]. 李先庭、赵彬著,机械工业出版社,2009
低温送风和常规送风状态下室内空气不均匀系数比较
作者： 作者单位：
刘济南， 黄虎， 胡洪， 王辉 南京师范大学动力工程学院,江苏 南京,210042
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低温送风和常规送风状态下室内空气不均匀系数 比较
刘济南1 黄虎1 胡洪1 王辉1
（1.南京师范大学动力工程学院，江苏南京，210042）
摘 要：利用 Fluent 软件对不同送风状态下室内空气的温度场和速度场进行三维数值模拟，通过在工 作区取测点的方法，计算并比较了不同送风状态下室内空气的温度不均匀系数和速度不均匀系数，为空 调房间内的气流组织形式的优化设计和舒适性研究提供依据。 关键词：低温送风，常规送风，数值模拟，温度不均匀系数，速度不均匀系数 0. 引言
送风满足舒适度要求的情况下，可以优先考虑常规送风方式。
参考文献：
[1]GB 50019━2003《采暖通风与空气调节设计规范》[S].
[2]陶文铨. 数值传热学[M]. 2 版. 西安:西安交通大学出版社,2001.
[3]《空气调节（第三版）》[M]. 赵荣义、范存养、薛殿华、钱以明编,中国建筑工业出版社,2009
本文链接：/Conference_7398162.aspx
3.Fluent建模计算及结果分析 3.1.Gambit几何建模
由于模型的几何外形并不复杂,结构化网格与非结构化网格两种方法所耗费的时间没有明显差别;且 本模型流动和几何外形很符合,使用大比率的四边形和六面体单元网格可能会比三角形/ 四面体网格少 很多单元。当流动和网格成一条直线时数值耗散最小,使用三角形/ 四面体网格流动永远不会和网格成 一条直线。而如果几何外形不是很复杂时,四边形网格和六面体网格可能就会实现流动和网格成一条线。 所以在本次所有的模拟中,采用六面体网格。 3.2.模拟结果及分析
方程 [2] ：
连续性方:
∂ui = 0 ∂xi
(2-1)
动量方程：
uj
∂ui ∂x j
=−1 ρ
∂p ∂xi
+∂ ∂x j
(η ∂ui ) ∂x j
(2-2)
能量方程:
uj
T ∂x j
=
∂ 1η [(
∂x j ρ pr
+
ηt ) ∂T ] prt ∂x j
(2-3)
K 方程:
∂k ∂t
+uj
∂k ∂x j
随着经济发展、人民生活水平提高,建筑能耗已占全国总能耗的30%左右,而空调耗能一般占整个建筑 能耗的60%以上,且比例不断增加. 因此,对空调系统节能提出越来越高的要求.在许多中央空调系统中， 风机、水泵的电耗占六成，冷冻机的电耗占四成，所以加大送风温差可以有效的减少空调能耗。《采暖 通风与空气调节设计规范》规定:空调系统的夏季送风温差,对室内温湿度效果有一定影响,是决定空调 系统经济性的主要因素之一。
由以上模拟结果可以看出，在低温送风状态下，室内空气分布的均匀性较差，在送风速度为3.9m/s， 温度为279K时，室内不同测点的温差较大；在送风速度为4.2m/s，温度为280K时，室内不同测点的速 度差较大。同时，低温送风时，室内靠近送回风口一侧的温度较低。工作区的温度偏高。
从图（4）及图（6）与图（2）的对比可以明显看出，低温送风状态下，室内空气的温度梯度和常规 送风条件下的室内空气的温度梯度有较大差别。对于以上结果，我认为是由于较低温度的空气密度较大， 受重力影响大的原因造成的。这一点，可以从两种工况下，室内空气速度矢量图体现出来。 4.不均匀系数的比较
=
∂ [(µ + µt ) ∂k ] + P − ρε
∂x j
σ κ ∂x j
(2-4)
ε 方程:
∂ε ∂t
+uj
∂ε ∂x j
=
∂ ∂x
j
[(µ
Hale Waihona Puke +µt σε
)
∂ε ∂x j
]
+
C1
ε k
P
−
C2ρ
ε2 k
(2-5)
从式（2-1）到式（2-5）中， u 为流体的速度， u 在 xi 三个坐标上的分量分别为 ui ; p 为压力；
内热源发热量为4.5kW。低温送风状态下送风温度4℃～8℃，常规送风取送风温度15℃。物理模型如图 （1）所示：
送风口
内热源
回风口 图（1）模拟房间的物理模型
2.数学模型
房间的送风和回风的流动过程均为湍流流动过程。故在此采用 k − ε 湍流模型。为简化问题，假
设:1）室内空气不可压缩；2）流动为稳态湍流；3）不考虑墙体和室内物体的辐射换热及对流换热；4） 忽略流体粘性力做功引起的好散热；5）不考虑房间的渗透风；6）内墙绝热。 本次数值模拟基于下列
送风状态下大，而速度不均匀系数也基本上较大。所以，我们可以知道，常规送风时室内空气的均匀性
较好。同时，通过模拟结果可以看出，在同为低温送风的条件下，室内空气的不均匀系数并不是随着进
风温度和速度的变化而呈线性变化。所以，通过优化设计，确定合适的送风温度和速度，并且合理组织
送回风形式，可以有效的降低低温送风状态下室内空气的不均匀系数。
该房间尺寸为 6m × 5m × 3.5m ，内热源尺寸为 3m × 2m ×1m 。室内气流组织方式为侧送侧回，低 温送风口尺寸为 400mm ×100mm ，回风口尺寸为 400mm ×150mm ，常规送风的送风口尺寸为 500mm × 250mm ，回风口尺寸为 600mm × 300mm 。为简化计算，四面墙体都假设为绝热。房间的
图和速度矢量图，图（6）和图（7）为送风速度4.2m/s,温度280K的送风状态下的空气温度分布图和速
度矢量图。介于篇幅，对于其他的低温送风状态的室内空气分布图就不再一一罗列。
图（4）277K送风时室内空气温度分布图
图（5）277K送风时室内空气速度矢量图
图（6）280K送风时室内空气温度分布图图 （7）280K送风时室内空气速度的矢量图
在国外,对舒适性空调的送风温差一直遵循这样一个原则:如果空调房间内空气分布没有困难的话, 所选择的送风温度应尽可能低。在常规全空气空调系统中,送风温差一般控制在8～10 ℃,送风温度在
15～18 ℃范围,在低温送风系统中，送风温度可以低至4～8℃,送风温差可达20 ℃左右 [1] ,但同时必须 指出，如果温差过大，会导致室内温度不均匀，影响热舒适性。本文通过利用Fluent软件模拟室内的温 度场和速度场，来考察室内气流组织的不均匀系数。 1.物理模型
面处取九个测点，通过计算，确定在各个送风状态下的室内空气不均匀系数，计算结果见表（1）：
表（1） 室内空气不均匀系数
送风状态
3.5m/s,
3.5m/s,
3.7m/s,
3.9m/s,
4.2m/S,
4.6m/s,
288K
277K
278K
279K
280K
281K
温度不均匀 0.0023
0.0054
0.0057
0.0061
0.0055
0.0060
系数
速度不均匀 0.190
0.371
0.381
0.247
0.390
0.280
系数
由上述表格可以看出，在送风温度为3.5m/s,速度为288K的常规送风状态下，温度的不均匀系数最
小，而且在该状态下，其速度不均匀系数也较小，而在低温送风状态下，温度的不均匀系数都要较常规