摘要： 通過(guò)對(duì)空調(diào)系統(tǒng)末端裝置散熱元件自然對(duì)流數(shù)值模擬，比較分析了制熱與制冷運(yùn)行工況室內(nèi)散熱元件在不同位置下對(duì)溫度場(chǎng)、流場(chǎng)和換熱的影響，并就熱舒適性作了基本分析。

1 引言

    一般中央空調(diào)系統(tǒng)的末端裝置如精加熱器、風(fēng)機(jī)盤(pán)管等散熱元件在風(fēng)量不大，風(fēng)道尺寸較小時(shí)，可等效為等溫的冷板體或熱板體，空調(diào)系統(tǒng)的末端裝置在室內(nèi)的制冷或制熱可抽象為方腔體內(nèi)豎板的自然對(duì)流換熱模型。研究空調(diào)系統(tǒng)的末端裝置在室內(nèi)布置情況對(duì)流動(dòng)和換熱的影響對(duì)末端裝置布置優(yōu)化、建筑節(jié)能以及人體的熱舒適性都具有十分重要的意義?；诖?，本文利用數(shù)值模擬方法模擬了末端裝置在水平和豎直方向上不同位置時(shí)的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)分布以及換熱能力大小，并對(duì)人體熱舒適性影響作了分析。

2 物理模型和數(shù)值方法

    物理結(jié)構(gòu)和邊界條件如圖1示，上下墻面絕熱，兩相對(duì)壁面保持相同溫度，豎板溫度為，結(jié)構(gòu)尺寸比例為

控制方程如下：

(1)

表示無(wú)因次時(shí)間，為無(wú)因次速度向量, 為無(wú)因次溫度,為無(wú)因次壓力,為重力加速度單位向量。

邊界條件為：

(2)

    初始條件在下文用到時(shí)給出。

    數(shù)值計(jì)算采用基于原始變量的SIMPLE方法，對(duì)流擴(kuò)散項(xiàng)采用QUICK方案離散。計(jì)算采用60（X）×60（Y）非均分網(wǎng)格，計(jì)算區(qū)域整體求解，Nu用兩點(diǎn)插值公式計(jì)算。

3 計(jì)算結(jié)果與討論

     模擬Rayleigh 數(shù)為2.5，不同水平比 （）和豎直比 （）位置放置制冷工況( ) 和制熱工況 ( )的溫度場(chǎng)和流場(chǎng)分布。

3.1 流場(chǎng)和溫度場(chǎng)比較

    圖2—圖3示出了在不同水平位置穩(wěn)態(tài)時(shí)的溫度場(chǎng)和流場(chǎng)分布，熱板的熱羽作用比冷板強(qiáng)，兩側(cè)壁等溫線(xiàn)幾乎垂直于上下壁面，這是由于近壁處的導(dǎo)熱作用結(jié)果，冷板的溫度分層現(xiàn)象比熱板的強(qiáng)。圖4—圖5示出了在不同豎直位置穩(wěn)態(tài)時(shí)的溫度場(chǎng)和流場(chǎng)分布，顯然不同豎直位置對(duì)溫度場(chǎng)和流場(chǎng)分布影響較大。

3.2 換熱能力比較

    不同水平位置，冷板和熱板的努謝爾特?cái)?shù)變化見(jiàn)圖6，熱板的平均比冷板的高約20%—39%，這是由于熱板比冷板更易形成自然對(duì)流。

圖6 不同水平位置Nu 變化 圖7 不同豎直位置Nu 變化

(a) case1　　　(b) case2
圖8 制冷和制熱時(shí)TD沿工作區(qū)變化曲線(xiàn)

(a) F=749	(b) F=759	(c) F=775	(d) F=786
圖9 Ra=1×105周期性變化流場(chǎng)

圖10 Ra=1×10⁵溫度的周期性變化

    無(wú)論是冷板還是熱板靠近兩側(cè)壁的都比其他位置大。不同豎直位置時(shí)，由圖7可見(jiàn)冷板和熱板換熱呈現(xiàn)相反的變化趨勢(shì)，且存在一個(gè)最佳位置使得換熱系數(shù)最大。

3.3 熱舒適性分析

    溫差均勻是熱舒適性要求之一，為了考察位置布置對(duì)制冷和采暖兩種工況下溫度均勻性影響，取散熱元件在左下角位置（=0.3 and =0.3），記作case1，另外一種取在=0.3 和 =2.0位置，記作case2。我們一般認(rèn)為室內(nèi)工作區(qū)的高度距離地面2米范圍內(nèi)，按面積加權(quán)計(jì)算區(qū)域平均溫度，溫差均勻性定義為：

(3)

其中為節(jié)點(diǎn)溫度，為節(jié)點(diǎn)所在區(qū)域面積。

    沿X向某一截面在工作區(qū)高度范圍內(nèi)溫差模擬結(jié)果見(jiàn)圖8，可見(jiàn)，在case1情況下，制熱比制冷工況室內(nèi)溫度更均勻，而在case2情況下，制熱和制冷工況室內(nèi)溫度都很均勻。

    另外，采用非穩(wěn)態(tài)模型（初始條件取0）模擬制熱裝置對(duì)稱(chēng)放在室內(nèi)中間位置（保持=0.3）動(dòng)態(tài)熱環(huán)境，發(fā)現(xiàn)在Rayleigh 數(shù)為1時(shí)，流場(chǎng)呈周期性振蕩，工作區(qū)高度范圍內(nèi)某點(diǎn)溫度也呈周期性變化。結(jié)果如圖9和圖10示。

    生理學(xué)方面已經(jīng)證實(shí)，體溫節(jié)律具有與外界環(huán)境溫度的等時(shí)性，并且有證據(jù)表明體溫的節(jié)律性變動(dòng)是和適應(yīng)性有關(guān)的，人生活在環(huán)境中，并且不斷地與環(huán)境進(jìn)行熱交換，周?chē)鷾囟炔▌?dòng)使人體溫調(diào)節(jié)頻繁，人類(lèi)有一套完整的體溫調(diào)節(jié)機(jī)制，外界溫度改變，通過(guò)調(diào)節(jié)產(chǎn)熱過(guò)程和散熱過(guò)程，維持體溫相對(duì)穩(wěn)定。已有的實(shí)驗(yàn)研究表明[2][3][4]，氣溫的驟變會(huì)對(duì)人的健康構(gòu)成危害，溫度變化是影響熱舒適的一個(gè)重要原因。而人體達(dá)到熱舒適狀態(tài)時(shí)，人體的機(jī)體處于無(wú)體溫調(diào)節(jié)性活動(dòng)是熱舒適其中一個(gè)條件。室內(nèi)溫度的波動(dòng)與振蕩會(huì)使人們的行為活動(dòng)能力下降，進(jìn)而使人感到不舒適。所以應(yīng)避免將末端裝置對(duì)稱(chēng)布置。

4 結(jié)論

    用作制冷的散熱元件布置在室內(nèi)上部位置且靠近兩側(cè)壁具有較好的制冷效果，而用作制熱的散熱元件布置在室內(nèi)下方位置且靠近兩側(cè)壁具有較好的制熱效果。同時(shí)用作制冷和制熱的散熱元件應(yīng)布置在靠近側(cè)壁的中間位置，且溫度分布均勻，舒適性較好。放置在室內(nèi)中間位置動(dòng)態(tài)熱環(huán)境模擬表明，室內(nèi)溫度為振蕩變化，對(duì)人體的熱舒適造成不利影響。

參考文獻(xiàn)

[1] 帕坦卡著， 張政譯. 傳熱與流體流動(dòng)的數(shù)值計(jì)算. 北京：科學(xué)出版社，1984

[2] 陳麗明，袁成林，李軍. 臨床神經(jīng)病學(xué)雜志，1999，12（3）：163-164

[3] 姚正明，傅善來(lái). 上海預(yù)防醫(yī)學(xué)雜志，2000，12（4）：194-196

[4] 姜殊榮，張利伯. 環(huán)境與健康雜志，1991，8（3）：75-77