280 夏季办公室内热舒适环境的数值模拟和实验研究

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1、夏季空调室内热舒适环境数值模拟和实验研究南华大学谢东，刘泽华，熊军摘要：基于模型和Fanger提出的热舒适性PMV评价指标，对三种不同气流组织条件下夏季室内热舒适环境进行了数值模拟，模拟结果给出了室内速度、温度及PMV舒适度指标等热环境参数分布情况。标准环境测试室用于模拟实际的送风边界条件，应用热舒适测试仪进行实验测量，实验结果用于验证数值模拟结果。研究结论为改善室内热舒适环境，舒适性空调系统的设计及节能控制提供了参考依据。关键词：热舒适、PMV指标、气流组织、数值模拟1前言人的一生大部分时间都是在室内度过的，室内的微气候直接影响人的健

2、康、心情和工作效率。随着社会的发展，人类对居住建筑的要求越来越高，通风空调技术的发展日新月异。随着空调的日益普及，出现了很多“病态建筑综合症”,室内空气环境越来越引起人们的重视。目前在舒适性空调系统中,大多采用室内温度为被控参数的控制方案,由于人体的热舒适感除了与室内空气温度有关外,还受室内空气湿度、空气流动速度等多种因素的影响,所以单纯控制室内温度很难创造真正舒适的室内环境,即使达到较舒适的室内环境,也会导致空调系统的能耗和运行费用增加,造成不必要的能量耗费。研究房间空调系统对房间舒适度的影响，须考虑房间气流组织。本文以空调房间为研究

3、对象，对三种不同气流组织条件下室内的热环境状况进行了数值模拟，同时应用热线风速仪（IFA300）和热舒适仪（SWEMA3000）进行实验测量并验证了数值模拟结果。2空调房间热环境的CFD数值模拟2.1物理模型的建立二维计算模型大小(3m×2.6m)，用来模拟有人和一些家具的办公室房间，见图1，人体以等效长方体表示(0．8m×0．3m)．模型采用结构化四边形网格，为了增强数值解的稳定性，在送回风口、人体、壁面和家具处加密网格，网格数为2695。网格的分布见图2。图1空调房间示意图（cm）图2计算网格的分布图2.2控制方程假定室内气流流动为

4、定常、不可压缩流动。控制方程分别为连续性方程，动量方程、能量方程以及湍流两方程模型。把上面物理模型简化假设考虑进去，针对本文所建立的数学模型，其基本形式与各控制方程具有相同的形式，可以使用如下通用方程表示：（1）式中：，分别为密度、速度矢量；为通用变量，代表U,V,,和1，当=1时即为连续性方程；为通用变量的有效扩散系数；为源项。两方程模型中的几个系数取值如下：室内热环境评价与测量的标准化方法（ISO7730）采用丹麦P.O.Fanger教授提出的PMV热舒适评价指标,PMV指标综合考虑了环境因素和人的因素，包括人体活动情况（新陈代谢率

5、），衣着情况（服装热阻），空气温度，空气相对湿度，空气流速，平均辐射温度六个因素。国际标准化组织在ISO7730标准中推荐值：-0.5

6、PMV

7、≤1认为热环境是满意的。PMV指标与上述6个因素之间有如下关系式：（2）　　　　　　　　　　　　　　　　　　（3）（4）　　　　　　　　　　（5）式中：M——人体能量代谢率，W/m2；W——人体所做的机械功，W/m2；Pa——人体周围空气的水蒸气分压力，Pa；ta——人体周围空气温度，℃；tr——房间的平均辐射温度，℃；fcl——穿衣表面系数，

8、与服装热阻有关；Icl——衣服热阻，m2•K/W；tcl——衣服的表面温度，℃；hc——表面传热系数，W/（m2•K）；Va——空气流速，m/s。由PMV的表达式知，PMV的变量总数为7个即M、W、Pa、ta、Icl、tr，和Va。由于在此主要讨论环境因素(Pa、ta、tr，和Va)对PMV的影响，所以取M、W和Icl参数为常数。其中人体在办公室属于坐姿轻微活动，新陈代谢率为1.2met(lmet=58w/m2)，所做的机械功w在静坐和平地活动时为0。服装热阻为0.6clo(1clo相当于0.155m2.C／W)，属轻便工装类型[2]。

9、相对湿度=50%，通过公式可以得到Pa[3][4]。通过PMV表达式可以看出，PMV指标与人体热舒适感的影响因素间存在着非常复杂的非线性。求解PMV的关键是对tcl的求解，tcl的求解依赖于hc，而hc的求解又依赖于tcl，在式(4)、(5)之间形成了一个循环嵌套。在求解各因素与PMV的关系时，先取其它因素为常量，再根据PMV的表达式，利用C++语言编制PMV计算程序求得。2.3计算方法及边界条件1)物理描述：由于房间空气的雷诺数约为l07，确定为湍流流动，选择两方程湍流模型来计算室内流场．流动与换热已处于稳定状态，物性为常数．引入bo

10、ussinesq假设[5]．2)边界条件：速度入口，速度为0.6m／s。温度20℃；压力出口，压力大小等于环境大气压力；壁面为恒温30℃；地面和家具面温度为26℃，无滑移壁面条件，采用标准壁面函数[6]；人