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空调保温房间室内热舒适的瞬态分析与改善

摘要：建筑围护结构上的隔热材料减少了太阳辐射带来的热量增益。并可为居住者提供良好均匀的舒适室内温度。本文采用计算流体力学（CFD）技术，对空调房间的屋面和外墙进行保温层岩棉铺设，并研究其对室内热舒适性能的影响。在这项研究中，通过提供毛层改善3%的室内热舒适指标PMV（PMV）。另外，最佳送风温度为空调机组良好的热舒适性预计在299 - 300 K的范围内。（26 - 27 C）。

1.简介

在建筑物中，热舒适是决定居住者健康和生产力的重要因素。由于90%的人把大部分时间花在大楼里，他们有兴趣在空调和空气冷却器中享受高成本的生活。此外，城市的建筑物主要在暖通空调（供暖、通风和空调）系统消耗了很大比例的电能。虽然空调单元控制了室内的温度并提供良好的室内舒适度，居住者仍受到许多健康相关的问题。比如鼻子过敏、症状鼻塞、鼻炎、眼睛发炎、咳嗽、胸闷胸痛、疲劳、头痛、皮疹等等。因此，在不牺牲热舒适性并不消耗能源的情况下，操作空调装置减少与健康有关的问题是非常有必要的。这可以通过在足够空气供应温度下操作空调机组来实现。此外，室内热舒适应在24小时内保持相同的值，无论太阳辐射的变化。

在许多建筑物获得热量的来源中，太阳辐射被认为是提高室内温度的主要因素。入射的太阳能被地表吸收为51%，反射4%；大气和云层吸收19%，分别反射26%。Vijayakumar等人指出，建筑物屋顶的热量传输约占房间总热量的50 - 70%。Chou等人还指出，在晴朗的天空条件下，屋顶上的太阳辐射产生的热量达到每平方米一千瓦。因此，空调和非空调建筑的屋顶和外墙都需要良好的隔热，以减少室内的热辐射。屋面和外墙的保温隔热也降低了空调系统的容量和建筑的年能耗。同时，特别是在季节间，它扩展了热舒适的时间而不依赖空调。在项研究中，许多研究工作已通过增加绝缘层，如相变材料，反射涂层，屋顶绿化等，以减少屋顶上的热量传输。巴里奥斯等人研究了单层和多层屋顶/墙壁结构在空调房间中的作用，并确定在屋顶/墙壁外部提供这样的保温层比在墙壁/屋顶的内侧放置绝缘层有更好的热性能。热传导系数（U值）的非保温屋面的范围从7.76（250毫米混凝土）到18.18 W/M2 K（100毫米混凝土）。因此，非绝缘屋顶传热大于屋面保温。Al Sanea Zedan 研究了绝缘层位置对建筑墙体稳态周期条件下的换热特性的影响。Halwatura和Jayasinghe研究了厚度对绝缘的影响（聚乙烯），认为加入一个2.5厘米厚的聚乙烯绝缘对大型混凝土屋面降低峰顶底温度在斯里兰卡的热带气候从42℃降到33℃。Alvarado等人研究了不同类型的绝缘混凝土屋顶原型的热性能，并发现铝反射器和聚氨酯绝缘的组合应用提供了一个与非绝缘屋顶原型相比热通量减少88%的方法。Ashok kumar和Suman实验证明了复合气候条件下墙体和屋面保温材料对室内热舒适性的影响。因此，本研究亦希望透过室内气流特性分析，提供一个空调室屋顶和墙壁的隔热层，以减少太阳辐射引起的热增益。

通过小型或全尺寸模型研究室内空气流动特性。 小尺寸模型受传热和空气流量比例因子的限制，而用于室内评估的全尺寸环境箱价格昂贵，实际实验耗时。 尽管如此，计算流体动力学（CFD）技术在设计和评估日本代代木国家体育场等全球大型空间建筑的室内空气流动特性，热舒适条件，烟雾条件或空气质量等方面起着重要作用。Galatsi竞技场在希腊，日本的关西机场，中国人民大会堂因此，本研究采用CFD工具分析空调机组各种工况下绝热空调房间的室内热舒适性。

2.房间模型和CFD方法

这项研究考虑了一个尺寸宽度=5米，高度=4米的隔离房间。这个传统的房间有一个屋顶厚0.15m的混凝土，0.02m厚的风化瓦和0.2m的壁厚。 后来，传统的房间通过在屋顶和墙壁上提供额外的木棉保温层进行了修改。 空调机组位于朝东的墙上，距离地面3米。 测试案例室的二维模型是通过笛卡尔坐标在Gambit软件中创建的，如图所示图1。 传统的房间通过三种方式即兴创作，如前所述表格1.

在Gambit软件中创建的模型与大小为0.01 m的四边形网格相匹配，并导入到FLUENT软件中以求解计算域。 这个网格结构与结果无关，因为它通过用更多数量的单元重复测试来验证。 建筑材料的材料属性在中给出表2.

2.1假设

（1）复合屋顶的热传导是一维的，并且最终的影响被忽略。

（2）屋顶材料的导热率被认为是恒定的，并且不随温度变化。

（3）界面阻力被忽略。

（4）门窗关闭，漏风被忽略。

（5）东墙面是外墙，另一面是内墙

（6）相邻的房间没有空调机组。

（7）来自空调机组的空气供应的参数值是恒定的。

2.2流动和传热的控制方程

控制流体流动的基本方程是质量守恒，动量和能量守恒。

质量守恒

保持动力

x方向上的动量方程由方程

y方向的动量方程由方程

图1 测试案例室的计算模型。

其中mx，my和mz分别是x，y和z方向的速度分量，q是密度，t是时间，g是重力，le是有效粘度，P是压力，Ri是源项对于分布式电阻，sufx i是x，y和z，s是粘性损失。

节约能源

图2 晨奈的5月份太阳辐射和日照温度数据。

其中Cp是均匀的特定热量，To是总体温度

Qv是体积热源，/是粘性热量。

热量穿过屋顶和墙壁

其中，q是密度，Cp是特定热量，k是热量

电导率，q是表面热量（电源）强度

图3 温度prole跨屋顶有和没有绝缘。

图4带绝缘和不带绝缘的裸露墙上的温度探头。

T是温度，t是时间，h是对流传热系数，r是Stefan-Boltzmann常数，e是表面的发射率，T1是周围温度。

2.3

边界条件和解决方法

屋顶表面和东面墙壁暴露在太阳辐射下。 5月份的太阳辐射数据被收集，通过公式转换成Tsolair。并显示在图2.

其中Ta是外表面的环境温度a，吸收率q，太阳辐射和对流传热系数。

空调机组的供气温度规定为293 K，速度为3 m / s，相对于逆时针方向采用20°的角度。 假设人类和电器产生的热量为100w / m\。 采用K-e湍流模型来定义湍流的湍流性质。 湍流强度和长度尺度分别定义为4.4％和0.1 m。 房间域最初是在稳定状态下用双精度分离求解器进行分析的。 稍后，它在瞬态下用一个二阶隐式方法解决24小时的一个完整周期。 所有的情况都迭代到10的收敛水平。 上述数值模拟通过Pasupathy和Velraj进行的实验预测进行了验证。 在此验证中，由Pasupathy和Velraj制作的同一屋顶模型在GAMBIT软件中建模，并且具有相同的边界条件

图5 屋顶和天花板平均温度为24小时

图6暴露的墙外表面和内表面的平均温度24小时。

应用。 将屋顶表面底部的数值模拟温度与实验预测进行比较并进行验证

3. 传热跨越天花板和墙壁

预测并显示了隔热和非隔热房间的天花板和墙壁的温度变化图3。 在这个图中，房间A，B和C的房顶温度分别为10小时，14小时和18小时。 在时间= 10小时，房间A的温度从屋顶到屋顶变化为314K至298K。对于房间B和C，温度变化分别为322K至293.6K和323.9K至293K。 类似地，对于房间A，B和C，在时间= 14小时的温度变化分别为321K至300.5K，331至294K和334K至293K。 在第18小时时，温度从311.3 K降低到天花板302.2K，314K至294.6K和316K至293K。因此，在10-18小时的时间范围内，室内温度的变化几乎可以忽略不计，并且保持恒定为293K，并且相对低于其他房间A和B.对于B和C房间的情况，屋顶温度比A房间要高，这是由于B房间和C房间存在绝热层，这严重限制了热量传递到天花板，从而导致在绝缘层上的局部加热。 显示了沿着朝东的侧壁的有和没有绝缘的房间的温度曲线在10小时和14小时的时间内显示图4。 对于房间C，从墙外表面到内表面的温度变化为307-298K，而对于具有绝缘材料的墙，变化从311K到293K。这表明绝缘材料的存在降低了内表面温度5K。此外，房间A，B和C的天花板和屋顶的平均温度也预计为一个完整的24小时，并且显示在图5。 屋顶的平均温度在6小时内基本保持不变，在333 K时剧烈上升至13小时，之后在类似的趋势下下降。 对于房间A，平均最高温度降至8小时，最低温度为297.5K。之后，温度从297.5K上升至302.2K，时间为18小时，再次摔倒。对于房间B，温度从293.5 K到293.4 K直到8小时的时间，并升高到第19小时293.62 K。对于C室，最高温度从293.4 K下降到293.3 K直到第7小时，在7和12小时之间几乎不变，在第20小时上升到峰值293.46 K。从该图可以推断，对于具有隔热材料的房间，一个完整的24小时天花板的平均温度几乎恒定，并且对于没有房间的房间，达到最高温度的时间也从17小时变为20小时并分别用绝缘材料。预测房间C和D的墙壁外表面和内表面的平均温度，如图所示图6。 外表面温度几乎恒定至6小时，之后在第12小时显着上升至310K，中午后线性下降。 房间C和D的墙壁内表面温度是恒定的; 然而，房间D的温度相对较低只有3K。

4. 室内舒适的房间与修改屋顶/墙壁

图7沿中线24 h的平均温度变化。

图8 时间为2,8,14和20小时的房间A，B，C和D的预测平均投票（PMV）轮廓。

沿着中线X1 X2和Y1Y2的平均温度在房间A，B，C和D预测24小时，并且显示在图7。 中线X1X2，Y1Y2分别平行于朝东和朝东的墙壁，距离分别为2米和2.5米。 对于房间A，X1X2的平均温度在时间= 0小时约为294K，并且稍微下降到第8小时。 从8小时到14小时，平均气温逐渐上升到294 K，从14小时到24小时几乎不变。 对于房间B，X1X2中线的平均温度几乎恒定在293.8 K左右，比A房间要小。在C房间，平均温度进一步降低了0.2°C并保持恒定在293.6 K.房间C和D除了在6时和17时之间之外显示出几乎相似的趋势。 在此期间，房间D显示比房间C温度相对较低的温度。沿着中线Y1Y2的平均温度在房间A中显示显着变化。平均温度从在时间为 0小时时是294.6K，到第8小时为294.25K，第8小时后温度线性增加至第18小时为295.8K，随后在一个循环结束时逐渐下降。 然而，其他房间B，C和D显示在一个完整24小时内温度几乎恒定，其值分别为293.79K，293.68K和293.66K。图8显示了房间A，B，C和D在第二，第八，第十四和第二十小时的预测平均投票（PMV）轮廓。 PMV值由Fanger的热量计算得出。

舒适等式在等式

PMV = 0：303e\

0：028）（M W）3:05times;10\1/2 5733

- 6：99（W）\] 0：42（M）（W）58:15]

- 1：7times;10\M5867 p）0：0014M34（Ta）

- 3:96 x 10\ffrac12;eTcl 273THORN;eTr 273THORN;]

- fCLhceth;clTa。g

其中M =代谢率，W =完成工作，pascal是周围空气的蒸汽压力，fcl =衣服因子，Tcl =衣物表面温度，Tr =平均辐射温度，hc =对流换热系数。 在等式2.28中，代谢率= 70W / m\，完成功= 30W，衣服的热阻= 0.11（m\K）/ W和相对湿度，RH = 50％。

图9房间A，B，C和D的平均室内PMV 24小时。

图10 ACin的平均室内PMV值为293-302 K

图11 平均室内PMV调整后的ACin值

服装的温度（Tcl）由公式 如下所示：

对流换热系数可以由公式

平均辐射温度（Tr）由平均壁温计算，因为壁温之间没有显着差异。

其中Ti是第i个壁处的温度值，Fp i是从网格的p面到可见表面i的辐射形状因子。

PMV值的范围为 3.0至3.0，对应于热和冷的热条件。 然而，在这项研究中，PMV值达到了3以上，表明室内冷却介质更高。 对于房间A，在第二小时，靠近或向东的墙壁的几个部分的PMV为2.9，其余部分达到3.2的PMV。 在第8小时，整个房间的内部，除了从靠近东墙的小部分，其PMV都是

3.2。 然而，在第14小时，靠近屋顶，西墙和oor的区域的PMV为3.2，其余部分为2.9。 在第20小时，整个室内的PMV为2.9，这表明14小时时的高太阳辐射在20小时的时间内相对较不舒适。

对于其他房间B，C和D，室内PMV值几乎相同

在所有的时间都是相似的和恒定的 3.2。 这个图5不足以比较舒适性能

在具有绝缘的房间中，因此预测并显示整个24小时的平均室内PMV图9

在图9，房间A的平均室内PMV值是 2.96时间= 0小时，发现显着降低到3.0 全文共7578字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

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