夜間通風(fēng)與人工制冷耦合運(yùn)行策略研究

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(1.陜西廣播電視大學(xué) 工程管理系，陜西 西安 710119;2.陜西工商職業(yè)學(xué)院 工程管理系，陜西 西安 710119;3.西安航空學(xué)院 動(dòng)力工程系，陜西 西安 710077)

夜間通風(fēng)與人工制冷耦合運(yùn)行策略研究

周靜1,2,李異3

(1.陜西廣播電視大學(xué) 工程管理系，陜西 西安 710119;2.陜西工商職業(yè)學(xué)院 工程管理系，陜西 西安 710119;3.西安航空學(xué)院 動(dòng)力工程系，陜西 西安 710077)

本文利用CFD軟件對(duì)某辦公建筑一個(gè)房間進(jìn)行了24 h非穩(wěn)態(tài)熱環(huán)境的動(dòng)態(tài)模擬，包括室外溫度，太陽輻射等非穩(wěn)態(tài)條件。根據(jù)夜間通風(fēng)量的變化對(duì)建筑維護(hù)結(jié)構(gòu)蓄熱的影響從室內(nèi)熱環(huán)境進(jìn)行了計(jì)算分析，在滿足室內(nèi)環(huán)境熱舒適要求的前提下，適當(dāng)加大夜間通風(fēng)量，尋找一種節(jié)能的運(yùn)行模式，從通風(fēng)空調(diào)聯(lián)合運(yùn)行機(jī)制上探討節(jié)能潛力。

夜間通風(fēng)；人工制冷；動(dòng)態(tài)模擬；室內(nèi)熱環(huán)境；節(jié)能潛力；運(yùn)行模式

夜間通風(fēng)是一種利用周圍環(huán)境的冷空氣作為熱容來降低室內(nèi)空氣溫度和降低建筑構(gòu)件溫度, 并將建筑構(gòu)件中儲(chǔ)存的熱量排放到室外環(huán)境, 以改善室內(nèi)舒適度的被動(dòng)式降溫技術(shù)[1-3]。在夏天，雖然靠夜間自然通風(fēng)可以降低建筑物部分蓄熱量，但開啟空調(diào)的時(shí)間推遲到9點(diǎn)[4]時(shí)，室內(nèi)熱環(huán)境已不能滿足要求。如果加大夜間通風(fēng)量，最大限度的降低維護(hù)結(jié)構(gòu)的蓄熱量，可使開啟空調(diào)的時(shí)間推遲到9點(diǎn)，從而減少第二天空調(diào)的能耗。本文針對(duì)某建筑的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)房間，進(jìn)行24 h的熱環(huán)境的動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬，研究相同冷空調(diào)負(fù)荷下，夜間通風(fēng)量變化時(shí)，對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的影響。

1 物理模型的建立

1.1 研究對(duì)象的幾何模型

本文選擇西安市某辦公大樓夏季工況下的一個(gè)房間為研究對(duì)象，采用數(shù)值計(jì)算軟件FLUENT來模擬流場。通過GAMBIT依據(jù)房間的實(shí)際尺寸來建立數(shù)值計(jì)算物理模型，如圖1所示，其幾何尺寸為：8.1 m×7.5 m×3.9 m,窗口大小為6 m×2.5 m,風(fēng)機(jī)盤管送風(fēng)口大小為0.9 m×0.25 m，回風(fēng)口大小為1.2 m×0.4 m，房間中間的長方體是兩個(gè)人的簡化模型，尺寸大小為1 m×0.4 m×1.4 m，燈管尺寸為1.2 m×0.15 m×0.1 m。網(wǎng)格采用四面體來劃分，共產(chǎn)生了10272 mixed cells。最大網(wǎng)格體積為 5.149594e-007 m3，最小網(wǎng)格體積為2.149543e-003 m3，網(wǎng)格適應(yīng)性很好。

圖1 空調(diào)房間的幾何模型

1.2 室內(nèi)空氣溫度的限制

Dedear[5-6]分析了ASHRAE全球熱舒適數(shù)據(jù)庫(ASHRAERP-884)建立了“氣候適應(yīng)性模型”，并得到的一個(gè)線性回歸公式

tcomf=0.31ta,out+17.8

(1)

式中tcomf——最佳舒適溫度/K；

to.out——平均室外干球溫度/K。

以302.7 K作為由通風(fēng)狀態(tài)轉(zhuǎn)為關(guān)窗開啟空調(diào)的基本依據(jù)。將空調(diào)時(shí)人體的舒適溫度定位297.15～299.15 K。

2 數(shù)值模擬方案

2.1 模擬方案

本文模擬某辦公樓房間一天中9～22時(shí)空調(diào)開啟，夜間開窗通風(fēng)時(shí)，不同的通風(fēng)速度對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的影響。房間熱環(huán)境非穩(wěn)態(tài)模擬分為4個(gè)工況，如表1所示。

表1 房間熱環(huán)境非穩(wěn)態(tài)模擬工況

所有非穩(wěn)態(tài)工況模擬計(jì)算中時(shí)間步長取1個(gè)小時(shí)，每個(gè)內(nèi)循環(huán)計(jì)算20次[5]，結(jié)果收斂后記錄房間內(nèi)空氣的體平均溫度，通過比較分析不同的夜間通風(fēng)量在相同的空調(diào)能耗情況下對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的影響。

2.2 邊界條件的設(shè)立及計(jì)算方法的選取

送風(fēng)口和窗戶為速度入口，回風(fēng)口為壓力出口[8]，壓力大小等于環(huán)境大氣壓力；東西墻面和地面為恒熱流面，北墻和樓板為絕熱面，南墻為對(duì)流換熱面，無滑移壁面條件，采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。離散方法采用SIMPLE計(jì)算，動(dòng)量、能量、k和ε均采用一階迎風(fēng)格式[9]，計(jì)算精度為各流動(dòng)項(xiàng)殘差小于10-6。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

圖2～圖5是工況1，工況2，工況3，工況4空調(diào)室內(nèi)溫度變化圖。

圖2 工況1空調(diào)室內(nèi)溫度的變化

圖3 工況2空調(diào)室內(nèi)溫度的變化

圖4 工況3空調(diào)室內(nèi)溫度的變化

圖5 工況4空調(diào)室內(nèi)溫度的變化

圖2為工況1的空調(diào)室內(nèi)溫度變化，由圖可知9時(shí)開啟空調(diào)，導(dǎo)致室內(nèi)最高氣溫達(dá)到304.5 K，已經(jīng)超過了人體自然通風(fēng)熱舒適性溫度的上限1.95 K[10-11]，所以夜間開窗，窗口風(fēng)速0.3 m/s時(shí)，不能滿足室內(nèi)熱環(huán)境的要求。圖3為工況2的空調(diào)室內(nèi)溫度變化，可以看出夜間風(fēng)速0.6 m/s時(shí)，9時(shí)開啟空調(diào)，室內(nèi)最高氣溫達(dá)到303 K，與工況1相比，在空調(diào)開機(jī)相同的情況下，夜間加大通風(fēng)量，在9點(diǎn)溫度降低1.5 K，說明加大夜間通風(fēng)量可以改善空調(diào)啟動(dòng)前的房間的熱環(huán)境，但仍超過人體熱舒適溫度，不能滿足室內(nèi)熱環(huán)境的要求。圖4為工況3的空調(diào)室內(nèi)溫度變化，可以看出夜間風(fēng)速1 m/s時(shí)，9時(shí)開啟空調(diào)，室內(nèi)最高氣溫達(dá)到302.5 K，已經(jīng)降低到自然通風(fēng)時(shí)人體的熱舒適上限溫度302.55 K以下[12]，說明在加大夜間通風(fēng)量的情況下，可以有效的降低維護(hù)結(jié)構(gòu)的蓄熱量，從而使空調(diào)開啟時(shí)間推遲到9點(diǎn)時(shí)能滿足室內(nèi)熱環(huán)境的要求。圖5為工況4的空調(diào)室內(nèi)溫度變化，可以看出夜間風(fēng)速1.5 m/s時(shí)，9時(shí)開啟空調(diào)，室內(nèi)最高氣溫達(dá)到302 K，與工況3相比，在空調(diào)開機(jī)相同的情況下，加大夜間通風(fēng)量，在9點(diǎn)溫度僅降低0.5 K，說明夜間開窗，窗口風(fēng)速1 m/s左右時(shí)，夜間通風(fēng)量對(duì)降低維護(hù)結(jié)構(gòu)的蓄熱量的效果基本飽和。

4 相同空調(diào)冷負(fù)荷下室內(nèi)熱環(huán)境分析

由于對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的影響因素較多，在以上非穩(wěn)態(tài)四個(gè)工況的計(jì)算中，為了穩(wěn)定在空調(diào)時(shí)間里室內(nèi)熱環(huán)境各個(gè)工況基本相同，以便進(jìn)行能耗對(duì)比分析，在計(jì)算中對(duì)空調(diào)送風(fēng)口的溫度進(jìn)行了控制，風(fēng)速不變，計(jì)算結(jié)果如表2。

通過以上室內(nèi)熱環(huán)境的分析表明，加大夜間通風(fēng)，確實(shí)可以大大降低房屋維護(hù)結(jié)構(gòu)的蓄熱量，在提供相同的冷量的情況下，夜間風(fēng)速0.3 m/s時(shí)，早上9點(diǎn)時(shí)開啟空調(diào)房間熱環(huán)境不能滿足要求，夜間風(fēng)速1 m/s時(shí)，早上9點(diǎn)時(shí)開啟空調(diào)房間熱環(huán)境可以滿足要求，但夜間風(fēng)速1.5 m/s時(shí)，早上9點(diǎn)時(shí)開啟空調(diào)房間熱環(huán)境變化不大。

表2 空調(diào)冷負(fù)荷計(jì)算結(jié)果

5 結(jié)論

本文利用CFD軟件對(duì)辦公建筑某一房間24 h非穩(wěn)態(tài)熱環(huán)境進(jìn)行模擬，包括室外溫度，太陽輻射等非穩(wěn)態(tài)條件的實(shí)現(xiàn)，對(duì)四個(gè)通風(fēng)空調(diào)聯(lián)合運(yùn)行方案從熱舒適性和節(jié)能角度進(jìn)行了計(jì)算分析，得出了加大夜間通風(fēng)可以有效地節(jié)約空調(diào)能耗的結(jié)論。但本文的研究是針對(duì)夜間通風(fēng)量的變化對(duì)建筑維護(hù)結(jié)構(gòu)蓄熱量的影響，夜間通風(fēng)氣流模式對(duì)建筑維護(hù)結(jié)構(gòu)蓄熱量的影響是今后進(jìn)一步研究的方向。

[1] 亓?xí)粤眨瑮盍?，劉加?北方地區(qū)辦公建筑夜間通風(fēng)適用性分析[J].太陽能學(xué)報(bào)，2011，32(5)：69-74.

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ResearchontheUnionRunofVentilationandAirConditioning

ZHOU Jing1,2,LI Yi3

(1.Shaanxi Radio &TV University, Institute of Engineering, Xi’an 710119, China;2.Shaanxi Business College, Institute of Engineering, Xi’an 710119,China;3.Xi’an Aeronautical University, Institute of Power engineering , Xi’an 710077, China)

This article used CFD software to dynamically simulate 24 hours unsteady state hot environment of some room in this building, including the unsteady state conditions of outdoor temperature,solar radiation and so on, as well as the dynamic process of natural ventilation by opening window on fixed time,closing the window and starting air conditioning on fixed time.This paper computes and analyzes the mechanism of union run of ventilation and air conditioning based on the energy conservation.Besides satisfying the comfortable request of indoor environment hot environment, we sought for an energy conservation operating mode, by using which to discuss the potential of energy conservation.

night ventilation;artificial refrigeration;kinetic simulate;union run;energy conservation potential;run mode

2014-03-08修訂稿日期2014-05-08

周靜(1982～)，女，碩士，講師,研究方向?yàn)榕照{(diào)工程。

TU831

A

1002-6339 (2014) 04-0351-03