外門空氣幕對供暖期高校宿舍室內溫度的影響

楊玉昕, 羅 君, 王飛飛, 邱 屹, 葛 航

(1.華中科技大學 環境科學與工程學院, 湖北 武漢 430074; 2.武漢市計量測試檢定(研究)所, 湖北 武漢 430050)

1 概述

夏熱冬冷地區一般無集中供暖系統,空調器供暖是比較常見的方式。受空調器送風方式的限制,室內溫度分布不均,外墻和門窗散熱對室內溫度的分布有一定影響。

高校學生宿舍作為學生學習、休息的主要場所,環境舒適性對學生健康、學習效率有重要影響[1]。與一般住宅建筑不同,高校學生宿舍的一個房間內一般有多人居住,每位學生均有各自的學習區域,保證宿舍內部不同區域的舒適性水平接近有著重要意義。然而,校內老舊宿舍的節能水平、室內舒適度往往不能滿足相關標準和學生需求[2]。傳統節能改造不但施工期長、成本高,而且主要目標為提高室內的平均溫度,并不能解決溫度分布不均的問題。因此,考慮在外門窗上部安裝空氣幕,以減少外墻和門窗散熱量,并改善供暖期高校學生宿舍內溫度分布不均問題。

目前,空氣幕主要安裝在冷庫進出口[2]、冷凍陳列柜外側[3]、建筑出入口[4],減少空氣幕內外區域換熱作用顯著。

有大量研究針對空氣幕在煙氣擴散控制[5]、污染物擴散控制[6]方面的應用。也有文獻研究了空氣幕減少外墻和門窗傳熱的作用。劉澤勤等人[7]在采用上送風上回風方式的空調房間的外窗內側安裝空氣幕,將未安裝空氣幕的空調房間作為對照,對供暖期兩種房間的溫度場、速度場進行模擬,計算能源利用率。研究表明,增設空氣幕可在節能的基礎上,提高室內舒適度。

本文以武漢某高校安裝空調器、空氣幕的4人學生宿舍為研究對象,在供暖期不同室外溫度條件下,對人員坐姿時頭部所在高度面(1.1 m高度面)的溫度場、速度場進行模擬。以1.1 m高度面的空氣溫度整體水平、空氣溫度分布均勻性作為評價標準,選取適宜的空調器送風角度。以1.1 m高度面低溫(低于23 ℃)區面積比為5%作為評價標準,確定不同室外溫度條件下,空氣幕最佳送風風速。

2 研究對象與方法

2.1 物理模型

本文以武漢某高校學生宿舍為研究對象,房間幾何模型見圖1。宿舍為4人間,采用上床下桌布置形式。房間x軸、y軸、z軸尺寸分別為5.0 m、3.3 m、2.9 m。設4個床位,分2組雙人床板靠墻布置,每組配置1套儲物柜。假設4人均在宿舍并且為坐姿,將人體簡化x軸、y軸、z軸尺寸分別為0.4 m×0.2 m×1.2 m的長方體,人體散熱量為68 W/人。

房間yOz面為外墻,灰色區域為玻璃外門(通向陽臺),y軸、z軸尺寸分別為3.3 m、2.1 m。房間其他面均視為實體內墻。頂棚安裝2盞日光燈,始終處于開啟狀態,發熱功率為10 W/盞。

在供暖期,采用壁掛式分體空調器供暖,室內機緊貼房間頂棚安裝在玻璃外門上方(水平居中)?；仫L口位于室內機上邊緣與水平面垂直,送風口與水平面夾角45°朝向斜下方,送風口與回風口的長×寬均為0.8 m×0.1 m?？諝饽话惭b在外門上沿,x軸、y軸、z軸尺寸分別為0.2 m×3.3 m×0.2 m,進風口和出風口的長×寬均為3.3 m×0.2 m。儲物柜x軸、y軸、z軸尺寸分別為1.45 m×0.87 m×1.75 m,床板x軸、y軸、z軸尺寸分別為4.00 m×0.87 m×0.05 m。人員等效長方體中點x軸、y軸坐標分別為 (1.175 m,0.770 m)、(3.825 m,0.770 m)、(1.175 m,2.530 m)、(3.825 m,2.530 m)。

2.2 數學模型

采用ANSYS Fluent 19.2進行數值模擬,求解的基本數值控制方程包括能量方程、連續性方程、動量方程。采用標準的k-ε模型求解流場,空氣假設為不可壓縮理想氣體,利用boussinesq假設計算由溫度梯度引起的自然對流。壓力和速度耦合過程采用SIMPLE算法求解,各數值方程采用二階迎風精度離散格式進行離散。

2.3 網格模型

采用ICEM CFD軟件對房間幾何模型進行網格劃分,在人體表面、風口處等溫度梯度和局部風速較大的位置進行網格加密。得到網格數量分別為201 730、797 052、1 187 346的3種網格模型,以室外溫度為3 ℃、空調送風速度為3 m/s、空調送風溫度為25 ℃為例,模擬房間豎向中心線的溫度分布。由模擬結果可知,網格數量為797 052、1 187 346時,模擬結果非常接近,因此網格數量選取797 052。模型網格劃分見圖2。

圖2 模型網格劃分

2.4 邊界條件

房間內墻、頂棚、地面均設為絕熱壁面,床板、儲物柜等家具壁面均設為絕熱壁面。外門與外墻的綜合傳熱系數為2.76 W/(m2·K),傳熱面積按9.57 m2計算,不考慮冷風滲透耗熱。

供暖室內設計溫度取23 ℃,室內外溫差分別選取10、15、20、25 ℃,分別對應室外溫度13、8、3、-2 ℃?？照{送風溫度為25 ℃,送回風速均為3 m/s?？諝饽贿M風、送風風量平衡,內部無加熱裝置。室內僅有人員及燈具發熱。室內空氣初始溫度為23 ℃。

3 結果與討論

學生在宿舍環境中多采用坐姿,因此分析人員坐姿時頭部所在高度面(1.1 m高度面)的溫度、速度分布。

3.1 空氣幕關閉

① 空調送風角的影響

在室外溫度為3 ℃、空氣幕關閉時,模擬空調送風角(送風方向與水平方向夾角,簡稱送風角)對室內空氣溫度分布的影響。送風角為0°、45°、90°時,1.1 m高度面的空氣溫度分布見圖3。

圖3 送風角為0°、45°、90°時1.1 m高度面的空氣溫度分布

由圖3可知,送風角為0°時,1.1 m高度面的空氣溫度整體偏低。送風角為45°時,低溫空氣區域主要集中在靠近外門一側,遠離外門空間的空氣溫度比送風角為0°時有所上升。與送風角0°、45°相比,90°時1.1 m高度面的空氣溫度分布更加均勻,且溫度水平有所上升。

在3種送風角中,送風角90°所營造的室內空氣溫度場最均勻且平均溫度最高。但實際中,空調器的送風角度有限,不能實現送風角90°。因此,送風角宜選取45°。

② 室外溫度的影響

在送風角為45°、空氣幕關閉時,模擬室外溫度對室內空氣溫度分布的影響。室外溫度分別為13、8、3、-2 ℃時,1.1 m高度面的空氣溫度分布見圖4。由圖4可知,1.1 m高度面上,外門附近的空氣溫度明顯低于遠離外門空間的空氣溫度。隨著室外溫度降低,低溫區域逐漸擴大。當室外溫度為13 ℃時,室內主要區域空氣溫度在23 ℃以上,不需要使用空氣幕加以改善。

圖4 室外溫度分別為13、8、3、-2 ℃時1.1 m高度面的空氣溫度分布

3.2 空氣幕工作

在空調送風角為45°、空氣幕工作時,模擬室外溫度及空氣幕送風風速對室內空氣溫度、速度分布的影響?？諝饽凰惋L風速為0.1～1.5 m/s,不同室外溫度1.1 m高度面的空氣溫度分布分別見圖5～8。由模擬結果可知,室外溫度對室內速度分布的影響比較小,因此僅給出室外溫度為3 ℃時1.1 m高度面的速度分布。室外溫度為3 ℃時,不同空氣幕送風風速1.1 m高度面的空氣速度分布見圖9。

圖5 空氣幕送風風速為0.1 m/s時不同室外溫度1.1 m高度面的空氣溫度分布

圖6 空氣幕送風風速為0.5 m/s時不同室外溫度1.1 m高度面的空氣溫度分布

圖7 空氣幕送風風速為1.0 m/s時不同室外溫度1.1 m 高度面的空氣溫度分布

圖8 空氣幕送風風速為1.5 m/s時不同室外溫度1.1 m高度面的空氣溫度分布

圖9 室外溫度為3 ℃時不同空氣幕送風風速1.1 m高度面的空氣速度分布

由圖5～8可知,相同室外溫度下,隨著空氣幕送風風速增大,1.1 m高度面空氣溫度分布更加均勻,增大空氣幕送風風速對進一步改善室內空氣溫度均勻性的作用逐漸減小。

由圖9可知,當空氣幕送風在較低風速時,1.1 m高度面空氣速度分布仍以空調送風為主導,高速區出現在兩儲物柜中間位置。當空氣幕送風風速達到1 m/s后,空氣幕送風對1.1 m高度面空氣速度分布的影響開始顯現,甚至逐漸占據主導地位,坐在外門附近的人員能感到吹風感。

3.3 空氣幕最佳送風風速

雖然增大空氣幕送風風速有助于室內空氣溫度分布更加均勻,但空氣幕耗電量也隨之增大,而且繼續增大空氣幕送風風速對進一步改善室內空氣溫度均勻性的作用不明顯。

本文以1.1 m高度面低溫(低于23 ℃)區面積比為5%作為評價標準,確定不同室外溫度條件下,空氣幕最佳送風風速。

由模擬結果可知,當空氣幕送風風速為0.5 m/s時,不同室外溫度1.1 m高度面的空氣溫度大部分達到甚至高于23 ℃。因此,以0.1 m/s作為步長,模擬計算空氣幕送風風速0.1～0.5 m/s范圍內1.1 m高度面低溫區面積比,見圖10。由圖10可知,不同室外溫度的1.1 m高度面低溫區面積比均隨空氣幕送風風速增大而減小?？諝饽凰惋L風速一定時,1.1 m高度面低溫區面積比隨室外溫度升高而減小。

圖10 不同室外溫度1.1 m高度面低溫區面積比隨空氣幕送風風速的變化

1.1 m高度面低溫區面積比為5%時,室外溫度8、3、-2 ℃對應的空氣幕最佳送風風速分別為0.18、0.30、0.46 m/s。1.1 m高度面的空氣速度分布以空調送風為主導,高速區出現在兩儲物柜中間位置,空氣幕送風風速對1.1 m高度面的空氣速度分布基本無影響。

4 結論

① 空調送風角宜選取45°。

② 1.1 m高度面低溫區面積比為5%時,室外溫度8、3、-2 ℃對應的空氣幕最佳送風風速分別為0.18、0.30、0.46 m/s。1.1 m高度面的空氣速度分布以空調送風為主導,高速區出現在兩儲物柜中間位置,空氣幕送風風速對1.1 m高度面的空氣速度分布基本無影響。