莊碧瑤 陳振乾

東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院

0 引言

大型溫室多屬于高大空間建筑，體積大、圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱量大，且需要滿足不同工況需求。因此不僅要研究溫室展廳高大空間的空調(diào)方式，更要對(duì)展廳溫濕度范圍和均勻性進(jìn)行研究，既能使溫室環(huán)境滿足作物生長需求，又能滿足觀光人員熱舒適性要求。

本文研究對(duì)象為南京某高大空間溫室展廳，主要研究上送下回、側(cè)送下回兩種空調(diào)方式下的室內(nèi)溫度、濕度和速度分布狀況，分析不同送風(fēng)方式下工作區(qū)的氣流組織特點(diǎn)。

1 數(shù)學(xué)仿真模型建立

1.1 物理模型及邊界條件

溫室展廳屬于Venlo 型玻璃溫室，屋脊東西走向，立面玻璃幕墻，屋面采光頂。東西南墻均為立面玻璃幕墻，材質(zhì)為均質(zhì)6+12A+6 雙鋼化中空玻璃（由于鋁合金窗和玻璃幕墻地彈門所占面積比例較小，墻體按同一材質(zhì)處理）。屋面采光頂玻璃為均質(zhì)6+1.52PVB+6 雙鋼化夾膠玻璃，內(nèi)表面與水平面夾角為23°，上方布置遮陽網(wǎng)。溫室展廳的跨度（Y）為18 m（0≤Y≤18），其長度（X）為32 m（-16≤X≤16），其頂高（Z）為8.2 m（-4.1≤Z≤4.1），屋頂間距為3 m。

文獻(xiàn)[1]提供了部分室內(nèi)植物的散濕量，取散濕量指標(biāo)300 g/(m2h)，并假設(shè)植物葉片面積為0.5 m2，即一株植物的散濕量為150 g/h。將植株簡化為距地面0.5 m 的、尺寸為1 m×0.7 m×0.7 m 的長方體熱濕源，在溫室內(nèi)均勻布置128 株植物，處理溫室內(nèi)植株時(shí)，僅考慮其濕負(fù)荷，忽略其冷熱負(fù)荷。

展廳內(nèi)夏季最高溫度不超過36 ℃，冬季不低于10 ℃，宜控制在20～30 ℃，相對(duì)濕度不低于30%，宜控制在60%～80%之間，室內(nèi)溫差控制在2 ℃左右。因此本文冬夏季室內(nèi)空調(diào)設(shè)計(jì)參數(shù)如下：溫度為25 ℃，相對(duì)濕度為60%。利用鴻業(yè)負(fù)荷計(jì)算軟件，結(jié)合展廳圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)（表1），對(duì)溫室展廳進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算。經(jīng)計(jì)算，展廳室內(nèi)冷負(fù)荷為131.33 kW，熱負(fù)荷為92.16 kW，室內(nèi)濕負(fù)荷為5.33 g/s，并采用一次回風(fēng)系統(tǒng)處理室內(nèi)空氣。

表1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)邊界條件設(shè)置

本文采用上送下回和側(cè)送下回兩種空調(diào)方式，上送下回送風(fēng)方式在6.6 m 高度處均勻布置了15 個(gè)旋流送風(fēng)口。側(cè)送下回送風(fēng)方式在南北兩側(cè)3 m 高度處分別布置了6 個(gè)旋流送風(fēng)口，兩者均在底部距地面0.5 m 處，設(shè)置4 個(gè)單層百葉回風(fēng)口。分別建立物理模型（圖1）。

圖1 溫室展廳物理模型

1.2 數(shù)學(xué)模型

在研究展廳室內(nèi)流場分布情況時(shí)，為簡化數(shù)值模擬計(jì)算過程，作以下假設(shè)[2-3]：1）溫室外覆蓋的玻璃層溫度分布均勻。2）不考慮溫室各覆蓋材料的蓄熱作用。3）各固體壁面對(duì)輻射的吸收率視為常數(shù)。4）參與熱輻射的表面全部作為漫灰表面處理。5）溫室圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱按照固定的傳熱系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。6）室內(nèi)空氣流動(dòng)符合Boussinesq 假設(shè)。

本模擬中，溫室湍流模型選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε 湍流模型，在處理近壁面氣流流動(dòng)中發(fā)生的質(zhì)能傳輸時(shí)常采用壁面函數(shù)法。使用了非灰度（即考慮輻射的顏色特征——波長范圍）的DO 模型來計(jì)算輻射傳播路徑和過程，用于描述墻壁，屋頂和地面相互耦合的對(duì)流熱傳遞和長波輻射能量交換。

1.3 網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn)

運(yùn)用CFD 分析計(jì)算大空間室內(nèi)熱環(huán)境時(shí)，模型網(wǎng)格的數(shù)量、質(zhì)量對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響至關(guān)重要[4]。網(wǎng)格數(shù)量增加收斂時(shí)間也隨之增加，但網(wǎng)格數(shù)較少時(shí)，其計(jì)算值與模型試驗(yàn)對(duì)比誤差較大。且當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量增加到一定程度后，再繼續(xù)增加網(wǎng)格時(shí)，壓阻力系數(shù)、粘性阻力系數(shù)值趨于一條直線，精度提高甚微，計(jì)算時(shí)間卻有大幅度增加，造成計(jì)算資源的浪費(fèi)。因此，對(duì)于網(wǎng)格獨(dú)立性的檢驗(yàn)尤為重要，從而在保證數(shù)值計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性的前提下盡可能地提高計(jì)算機(jī)的運(yùn)算效率。

網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn)即檢測數(shù)值計(jì)算結(jié)果與網(wǎng)格密度無關(guān)，通常的方法是以某一比例讓網(wǎng)格數(shù)量增加到一定數(shù)值后，再增加網(wǎng)格數(shù)量，使計(jì)算結(jié)果變化將越來越小甚至不再變化。故此網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn)在一定程度上彌補(bǔ)了無試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐的缺陷[5]。

本文對(duì)溫室展廳共采用了4 種網(wǎng)格密度進(jìn)行計(jì)算，網(wǎng)格數(shù)分別為:322033，476108，557988，708944，結(jié)果顯示網(wǎng)格數(shù)控制在47 萬左右即可滿足本文室內(nèi)熱濕環(huán)境的計(jì)算要求。

1.4 工況設(shè)置

采用一次回風(fēng)系統(tǒng)處理展廳室內(nèi)空氣，夏季送風(fēng)溫差為8 ℃，展廳送風(fēng)量為13.98 kg/s。冬季送風(fēng)溫差為9 ℃，展廳送風(fēng)量為10.2 kg/s，上送旋流風(fēng)口尺寸為Φ630 mm，側(cè)送旋流風(fēng)口尺寸為Φ500 mm。表2 為旋流風(fēng)口模擬工況設(shè)置。

表2 旋流風(fēng)口模擬工況設(shè)置

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 上送下回空調(diào)方案模擬

人員活動(dòng)區(qū)域一般在2 m 以下，展廳景觀層高度一般在1.5 m 左右，故截取溫室展廳1.5 m 高度處的水平溫度剖面圖，上送下回空調(diào)方式夏季和冬季溫度分布分別如圖2（a）、圖2（b）所示。

圖2 距地面1.5 m 處的溫度分布圖

夏季空調(diào)工況下，溫室展廳距離地面1.5 m 高度處的溫度值在23 ℃～25 ℃之間，滿足夏季溫室室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度要求，達(dá)到了較好的氣流組織效果。但是由于上部送風(fēng)的旋流風(fēng)口送風(fēng)速度較大，且冷空氣沉降導(dǎo)致速度衰減過慢，在風(fēng)口正下方出現(xiàn)局部過冷現(xiàn)象，使得風(fēng)口垂直方向與風(fēng)口周圍區(qū)域之間有比較明顯的溫度分層，甚至部分區(qū)域溫度高于25 ℃。

冬季空調(diào)工況下，1.5 m 高度處的水平面溫差接近1 ℃，溫度場基本在23 ℃左右，基本滿足了冬季溫室室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度要求。由于熱空氣上浮，工作區(qū)溫度低于設(shè)計(jì)溫度2 ℃左右，是很正常的現(xiàn)象。

PMV（Predicted Mean Vote）指標(biāo)代表了對(duì)同一環(huán)境下大多數(shù)人的冷熱感覺。該指標(biāo)綜合考慮了人體活動(dòng)程度，衣服熱阻（衣著情況），空氣溫度，平均輻射溫度，空氣流動(dòng)速度和空氣濕度等六個(gè)因素。因此可用PMV 指標(biāo)（表3）預(yù)測熱環(huán)境下人體的熱反應(yīng)。ISO 提出-0.5＜PMV＜0.5 時(shí)滿足人體熱舒適要求。

表3 PMV 熱感覺標(biāo)尺

截取溫室展廳1.5 m 高度處的PMV 剖面圖，上送下回空調(diào)方式夏季和冬季PMV 分布分別如圖3（a）、圖3（b）所示。

圖3 距地面1.5 m 處的PMV 分布圖

夏季空調(diào)工況下，溫室展廳距離地面1.5 m 高度處大部分區(qū)域-1＜PMV＜1，介于微暖與微涼之間，處于人體能接受的熱舒適度范圍內(nèi)。但是風(fēng)口正下方出現(xiàn)局部過冷現(xiàn)象，這是由于上部送風(fēng)的旋流風(fēng)口送風(fēng)速度較大，且冷空氣沉降導(dǎo)致速度衰減過慢，使得風(fēng)口垂直方向與風(fēng)口周圍區(qū)域之間有比較明顯的溫度分層。冬季空調(diào)工況下，1.5 m 高度處大部分區(qū)域-0.5＜PMV＜0.5，滿足了冬季展廳內(nèi)熱舒適要求。

2.2 側(cè)送下回空調(diào)方案模擬

同樣截取溫室展廳1.5 m 高度處的水平溫度剖面圖，側(cè)送下回空調(diào)方式夏季和冬季溫度分布分別如圖4（a）、圖4（b）所示。

圖4 距地面1.5 m 處的PMV 分布圖

冬夏季室內(nèi)1.5m 高度處的溫差均控制在1 ℃左右（近壁面除外），夏季空調(diào)工況的溫度場在23 ℃左右，冬季空調(diào)工況的溫度場在24.5 ℃左右，均滿足溫室室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度要求，達(dá)到了較好的氣流組織效果。

截取溫室展廳1.5 m 高度處的PMV 剖面圖，側(cè)送下回空調(diào)方式夏季和冬季PMV 分布分別如圖5（a）、圖5（b）所示。

圖5 距地面1.5 m 處的PMV 分布圖

夏季室內(nèi)1.5 m 高度處大部分區(qū)域-0.5＜PMV＜0.5（近壁面除外），冬室內(nèi)1.5 m 高度處0＜PMV＜1，均可滿足溫室內(nèi)人體熱舒適要求，達(dá)到了較好的氣流組織效果。

2.3 模擬結(jié)果比較分析

為比較上送下回與側(cè)送下回空調(diào)方式的氣流組織特點(diǎn)，取y=3 m、y=9 m 和y=12 m 三個(gè)截面距地面1.5 m 高度處的溫度、相對(duì)濕度、速度的平均值，分別作出不同工況下展廳1.5 m 處平均溫度，平均相對(duì)濕度和平均速度沿X 軸方向的變化曲線。

圖6 不同工況下展廳1.5 m 處平均溫度沿X 軸方向的變化曲線

1）從圖6 中可以看出不同工況下溫度沿X 軸方向的變化情況，側(cè)送下回空調(diào)方式的溫度場比較均勻，冬季溫差甚至在0.5 ℃以內(nèi)，基本達(dá)到25 ℃室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)，而夏天更是低于設(shè)計(jì)溫度2 ℃左右。冬季側(cè)送工況無論是從溫度還是均勻性角度，均優(yōu)于冬季上送工況，這是因?yàn)槎緹釟饬魃细‖F(xiàn)象，導(dǎo)致氣流下送困難，甚至送風(fēng)氣流在下送過程中被冷空氣中和。夏季上送工況擾動(dòng)較大，尤其是風(fēng)口正下方，與周圍區(qū)域相比，溫差甚至大于1 ℃。送風(fēng)高度越高、送風(fēng)速度越大，氣流場受到的擾動(dòng)越大、越不容易得到控制。

側(cè)送下回空調(diào)方式，也就是分層空調(diào)[6]，實(shí)際上承擔(dān)的負(fù)荷并不是全室空調(diào)的負(fù)荷，而為了與上送下回方式對(duì)比，設(shè)計(jì)時(shí)是按照全室空調(diào)負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算。因此，采用分層空調(diào)可以提高送風(fēng)溫度、減少送風(fēng)風(fēng)量，從而降低空調(diào)能耗。

2）從相對(duì)濕度變化曲線（圖7）來看，除了夏季上送工況中由于風(fēng)口往下直吹射程衰減太慢（送風(fēng)相對(duì)濕度為94%），導(dǎo)致送風(fēng)口正下方相對(duì)濕度偏大，其他工況均保持較好均勻性，且相對(duì)濕度均控制在60%-70%之間，滿足室內(nèi)濕度設(shè)計(jì)要求。

圖7 不同工況下展廳1.5 m 處平均相對(duì)濕度沿X 軸方向的變化曲線

3）為滿足冬季上送室內(nèi)溫濕度設(shè)計(jì)要求，上送旋流風(fēng)口為Φ630mm，而這一尺寸對(duì)于夏季送風(fēng)偏小，導(dǎo)致夏季送風(fēng)速度偏大，使得風(fēng)口正下方風(fēng)速接近1 m/s，可以通過調(diào)節(jié)旋流風(fēng)口送風(fēng)角度以解決夏季送風(fēng)局部過冷的問題。

在溫室內(nèi)，氣流流速保持在0.5 m/s 左右時(shí)，可以促進(jìn)植物的呼吸作用和蒸騰作用，氣流效果最佳，超過5.0 m/s 的風(fēng)速則會(huì)給植物造成物理障礙[7]。從圖8中速度變化曲線可以看到，除夏季上送工況風(fēng)口正下方區(qū)域，各工況速度分布均保持較好的穩(wěn)定性與均勻性。而側(cè)送下回與上送下回空調(diào)方式相比，冬季側(cè)送工況風(fēng)速在0.15 m/s 左右，夏季側(cè)送工況風(fēng)速也穩(wěn)定在0.3 m/s 左右，無論是從風(fēng)速還是穩(wěn)定性角度，均優(yōu)于上送下回方式。

圖8 不同工況下展廳1.5 m 處平均速度度沿X 軸方向的變化曲線

4）側(cè)送下回空調(diào)方式冬季PMV 值大于0，介于適中與微暖之間，表明冬季側(cè)送工況有較大的優(yōu)化空間。且夏季側(cè)送工況不存在明顯的局部過冷現(xiàn)象，因此綜合考慮側(cè)送方式效果更好。

3 結(jié)論

本文以高大空間溫室展廳為研究對(duì)象，模擬了上送下回、側(cè)送下回兩種空調(diào)方式下的室內(nèi)氣流組織，通過分析冬夏季不同送風(fēng)方式下工作區(qū)的氣流組織特點(diǎn)，綜合考慮冬夏季室內(nèi)溫度、相對(duì)濕度和速度分布狀況及人體熱舒適，得出結(jié)論：溫室展廳更適宜采用側(cè)送下回空調(diào)方式。因此，可以利用Airpak 軟件，通過調(diào)整分層空調(diào)的送風(fēng)高度、送風(fēng)角度、送風(fēng)速度等參數(shù)，進(jìn)一步對(duì)空調(diào)區(qū)的氣流組織形式進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)空調(diào)的設(shè)計(jì)和改進(jìn)具有一定借鑒意義。