标准办公室热环境的数值模拟
摘要：办公室是目前工作人员停留时间较长的场所，文章采用CFD技术，对标准办公室在不同气流组织与空调工况下的热环境进行数值模拟,以便为提高办公室的热舒适性设计提供参考依据。
毕业论文网 关键词：办公室；CFD；数值模拟 中图分类号： C931.4 文献标识码：A 文章编号： Numerical Simulation of thermal environment on standard office Li Xiaofei, Cheng Haifeng Anhui architecture design institute of Anhui university of architecture and industry Abstract: Office as a place for missionary staying, in order to supply some references in improving thermal comfort of office place, simulated the standard office under different air flow and air conditioning circumstances by using CFD technology. key Word: Office; CFD; Numerical simulation 0 前言 随着办公建筑的大量兴建和人们对室内空气品质要求的提高，办公室室内空气的热舒适性变的更加重要。
作为工作人员长期停留的公共场所，从暖通空调专业来说，应保持健康舒适的室内热环境。
随着计算机技术的发展，空调领域中利用CFD技术来模拟气流组织，热舒适性以及优化系统设计的应用越来越广泛。
本文采用CFD方法，对标准办公室不同气流组织和冬夏季空调工况进行了数值模拟，为以后办公建筑的空调设计提供参考依据。
1 数学模型 1.1 室内零方程模型 除了遵循三大守恒定律以外，本文的数学模型采用室内零方程喘流模型（indoor zero equation）。
室内零方程模型是在室内空气自然对流和混合对流的直接数值模拟DNS (directly numerical simulation)结果的基础上提出的湍流模型[1]，该模型针对房间内非等温流Rayleigh 数范围（2.6～3.0×1010），认为涡粘系数正比于流体密度、当地速度和距壁面最近之距离，比例系数由直接数值模拟的结果拟合而得 (1) 其中：为室内空气密度；为当地平均速度；l为长度标尺(取离壁面最近的距离)，0.03784为经验值。
该模型少求解2个微分方程，而仅求解关于质量、动量和能量守恒的5个微分方程， 故计算最省时间。
1.2 Boussinesq密度假设 浮升力模型采用非线性Boussinesq假设[2]： (2) 2 几何模型及边界条件 2.1 模拟对象及网格划分 模拟对象为某标准办公室，办公室尺寸长、宽、高分别为5m、4m、3m，模拟条件为室内四个工作人员，坐姿模式，高度为1.1m；四台电脑，三盏灯具，送风口尺寸为0.8m×0.2m，回风口尺寸为0.9m×0.3m，南外墙上有外窗。
具体几何模型见图1所示，模型网格划分采用六面体结构化网格，在各个热源以及送、回风口处局部加密，见图2所示。
图1 模拟几何模型 图2 网格划分 2.2 边界条件的简化 为方便计算，作如下简化和假设[3]： (1)室内空气流速低，可视为不可压缩流体且符合Boussinesq 密度假设； (2)四面外墙仅南外有温差传热，设定为第一类热边界条件；南外窗同设为第一类边界条件，给定温度值，其余维护结构设为绝热； (3)人体、电脑和灯具采用第二类热边界条件，给定热通量，人员在办公环境下属于极轻活动，全热散热量取134W[4]，灯具取45W/台，电脑150W/台； (4)不考虑门空气渗透的影响； (5)考虑重力因素的影响，沿Z向设定重力加速度的大小和方向[5]。
3 模拟结果与分析 3.1 夏季工况模拟结果 1.假定室外气温为36℃，气流组织为侧送侧回，送风口风速2.0m/s，送风温度为15℃（夏季工况1），取过房间中心线Y=2m和人体脚踝以及站姿Z=0.1m（脚踝面）、Z=1.7m（站姿面）剖面来分析，模拟结果见图3所示，根据图3分析可知： （1）由图3可以看出：整个流场属于典型的侧送风贴附式射流，空气由送风口送出，起始端风速较大，沿射流方向下沉并且温度和速度缓慢衰减，在送风达到南外墙时折回经回风口排出，流场上部为紊流区，下部为单向流动区。
热源附近区域温度明显要高且对室内流场有显著的扰动作用，房间中心过道由于扰动较小，温度和速度均低于房间其他区域；室内存在温度梯度但分层现象不明显，总体来说，离送风口和回风口区域温度较低，外墙和外窗对温度场和速度场有明显的“排斥”作用。
（2）在假定的送风条件下，温度场在房间内变化较大，在整个人员工作区域（1.7m以下位置）温度处于25℃以下，脚踝处温度在21℃左右，地板到站姿面之间的温度梯度在3℃以下，人体的热感觉差异不明显；同时，速度场在房间的区域变化同样显著，过道、房间上部区域、热源、送回风口处温度值较高，脚踝面除过道处处在0.3m/s以下，站姿模式下除过道处都处在0.4m/s以下。
综合温度和速度分布，人体的热感觉较为舒适，符合现行规范舒适性空调活动区风速≤0.3m/s的规定[6]。
(a) Y=2m室内速度场分布 (b) Y=2m室内温度场分布 (c) Z=1.7m室内速度场分布 (d) Z=1.7m室内温度场分布 (e) Z=0.1m室内速度场分布 (f)Z=0.1m室内温度场分布 图3 夏季工况1模拟结果图 2.调换送回风口的位置，设定送风温度18℃，送风风速1.5m/s（夏季工况2），模拟结果见图4所示，根据图4分析可知： （1）由图4得到：竖直方向上温度存在分层，下部区域温度低上部温度高；温度较高区域分布在南外墙和窗、热源、天花板处，温度低的区域处在房间的下部、过道处；热源和维护结构的传热对室内流场扰动较大；房间的热量被带到上部区域经回风口排出，有类似置换通风的作用；房间下部区域为速度场的单向流动区，送回风口、热源附近、过道的速度值较大。
（2）温度场竖直方向上存在热力分层，脚踝面在热源附近温度较高24℃左右，地板面到脚踝面的温度梯度很小，并且脚踝面0.1m到人体坐姿高度1.1m的温差小于3K，满足国际标准的推荐值；其余区域温度在20.5℃以下；工作区域（1.7m以下位置）18℃—22℃之间。
从速度场显示可以看出，热源对速度场的影响比上侧送的效果更为显著；脚踝面的速度值不高于0.5m/s，站姿面（1.7m高度）则普遍在0.2以下，同样满足现行规范的要求，由此可以看出，送风口下置能改善室内的热舒适性环境。
（3）对比上侧送风口的工况可以看出，送风口下置，室内热量可以更为有效的排出室外，并且适当降低送风速度和升高送风温度同样能达到人体的热舒适性要求，因此在现有节能的背景下，在室内有多热热源并且工程条件允许的情况下应优先考虑采用下侧送风的气流组织模式并优化送风参数。
(a) Y=2.0m室内速度场分布 (b) Y=2.0m室内温度场分布 (c) Z=1.7m室内速度场分布 (d) Z=1.7m室内温度场分布 (e) Z=0.1m室内速度场分布 (f) Z=0.1m室内温度场分布 图4 夏季工况2数值模拟结果 3.2 冬季工况模拟结果 1.假定室外气温为—5℃，气流组织为上侧送同侧回，送风口风速1.5 m/s，送风温度为28℃（冬季工况1），分析方法同夏季工况，模拟结果见图5所示，根据图5分析可知： （1）由图5可得到：冬季上侧送风房间在竖直方向同样存在温度分层，热空气沿天花板与周围空气进行对流换热，从a和b可以看出，送风沿气流方向速度在逐步衰减并且在水平方向上没有下沉趋势，同时温度衰减的程度比速度要小；房间的热空气集中在上部区域，导致上部区域温度较高，但是由于不处于人员活动区对人体的热感觉无影响。
工作区的温度除靠近外窗的区域基本上处在17—22℃之间，沿Z向的温度梯度较大；速度场基本类似夏季工况，在热源、外墙和窗、送风回口处速度值较大。
（2）脚踝面的温度集中在20℃左右(外墙附近除外)，与夏季工况相同，维护结构对整个室内的温度分布和速度分布有较为显著的影响，靠近外墙的区域影响最大；站姿面温度分布比较均匀，绝大部分区域保持22℃左右。
速度场无论在脚踝面或者是站姿面都在0.3m/s以下，相比送风速度相同的夏季工况2来说，整体的速度场要小得多，人体热感觉较为舒适。
(a) Y=2m室内速度场分布 (b) Y=2m室内速度场分布 (c) Z=0.1m室内速度场分布 (d) Z=0.1m室内温度场分布 (e) Z=1.7m室内速度场分布 (f) Z=1.7m室内温度场分布 图5 冬季工况1模拟结果图 2.其余条件不变，送风温度设定为26℃（冬季工况2），模拟结果见图6所示，根据图6分析可知：降低送风温度，室内整体的温度有较为明显的下降，脚踝面温度集中分布在19℃，站姿面温度大约为21℃左右，人体的热舒适性同样较好，因此在室内多个热源存在的情况下，实际工程中应充分考虑热源的作用，合理的设计送风参数达到节能的目的。
(a) Y=2m室内温度场分布 (b) Z=0.1m室内温度场分布 (c) Z=1.7m室内温度场分布 图6 冬季工况2模拟结果图 4 结论 利用CFD软件，建立了标准办公室的数学模型和几何模型，模拟分析了冬夏季节不同工况室内的温度场和速度场分布，得到以下结论： （1）夏季上侧送风为典型的贴附式射流，温度沿送风方向衰减；下侧送风温度在竖直方向上存在着明显的温度分层，并且下侧送风比上侧送风排出室内热量的效果要好，对于多个热源存在的标准办公室，下侧送风相比上侧送风可以提高一定的送风温度或者降低送风速度从而达到节能的目的。
（2）冬季工况下多个热源存在的标准办公室，应充分考虑热源的作用，优化送风参数，结合当地的气象条件认真考虑空调末端是否需要辅助电加热。
参考文献 [1] 汤广发,吕文瑚,王汉青.室内气流分布数值计算与模型试验长沙[J].湖南大学出版社,1989. [2]赵彬,李先庭,彦启森.用零方程湍流模型模拟通风空调室内的空气流动[J].清华大学学报(自然科学版),2001,41:109—113. [3]袁东升,任晓利,陈小砖办公室空调房间不同送风速度的数值模拟[J].河南理工大学学报,2007,26(5): 499—501 [4]陆耀庆.实用供热空调手册[M].中国建筑工业出版社,2008年第二版.1547—1548 [5] J W Weatgers, J D Spitler. A comparative study of room airflow: Numerical prediction using computational fluid dynamics and full—scale experimental measurementsASHRAE Trans,1 993,99:144—157. [6] 采暖通风与空气调节设计规范.中国计划出版社.GB50019—2003.(7)。