摘要： 通过对空调系统末端装置散热元件自然对流数值模拟，比较分析了制热与制冷运行工况室内散热元件在不同位置下对温度场、流场和换热的影响，并就热舒适性作了基本分析。
1 引言
一般中央空调系统的末端装置如精加热器、风机盘管等散热元件在风量不大，风道尺寸较小时，可等效为等温的冷板体或热板体，空调系统的末端装置在室内的制冷或制热可抽象为方腔体内竖板的自然对流换热模型。研究空调系统的末端装置在室内布置情况对流动和换热的影响对末端装置布置优化、建筑节能以及人体的热舒适性都具有十分重要的意义。基于此，本文利用数值模拟方法模拟了末端装置在水平和竖直方向上不同位置时的流场、温度场分布以及换热能力大小，并对人体热舒适性影响作了分析。
2 物理模型和数值方法
物理结构和边界条件如图1示，上下墙面绝热，两相对壁面保持相同温度
，竖板温度为
，结构尺寸比例为
控制方程如下：
(1)
表示无因次时间，
为无因次速度向量, 
为无因次温度,
为无因次压力,
为重力加速度单位向量。
边界条件为：
(2)
初始条件在下文用到时给出。
数值计算采用基于原始变量的SIMPLE方法，对流扩散项采用QUICK方案离散。计算采用60（X）×60（Y）非均分网格，计算区域整体求解，Nu用两点插值公式计算。
3 计算结果与讨论
模拟Rayleigh 数为2.5
，不同水平比 
（
）和竖直比 
（
）位置放置制冷工况
( 
) 和制热工况 
( 
)的温度场和流场分布。
3.1 流场和温度场比较
图2—图3示出了在不同水平位置稳态时的温度场和流场分布，热板的热羽作用比冷板强，两侧壁等温线几乎垂直于上下壁面，这是由于近壁处的导热作用结果，冷板的温度分层现象比热板的强。图4—图5示出了在不同竖直位置稳态时的温度场和流场分布，显然不同竖直位置对温度场和流场分布影响较大。
3.2 换热能力比较
不同水平位置，冷板和热板的努谢尔特数
变化见图6，热板的平均比冷板的高约20%—39%，这是由于热板比冷板更易形成自然对流。
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(a) T1>T2 AL/HL=0.3 |
(b)T1 |
(a) T1>T2 AL/HL=1.3 |
(b)T1 |
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(c)T1>T2 AL/HL=1.3 |
(d)T1 |
(c) T1>T2 AL/HL=1.3 |
(d)T1 |
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(e) T1>T2 AL/HL=2.7 |
(f)T1 |
(e) T1>T2 AL/HL=2.7 |
(f)T1 |
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图2 不同水平位置流场 |
图3 不同水平位置温度场 | ||
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(a) T1>T2 BL/HL=2.0 |
(b)T1 |
(a) T1>T2 BL/HL=2.0 |
(b)T1 |
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(c) T1>T2 BL/HL=4.0 |
(d)T1 |
(c) T1>T2 BL/HL=4.0 |
(d)T1 |
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图4 不同竖直位置流场 |
图5 不同竖直位置温度场 | ||
图6 不同水平位置Nu 变化 图7 不同竖直位置Nu 变化
(a) case1 (b) case2
图8 制冷和制热时TD沿工作区变化曲线
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| (a) F=749 | (b) F=759 | (c) F=775 | (d) F=786 |
| 图9 Ra=1×105周期性变化流场 | |||
图10 Ra=1×105温度的周期性变化
无论是冷板还是热板靠近两侧壁的都比其他位置大。不同竖直位置时，由图7可见冷板和热板换热呈现相反的变化趋势，且存在一个最佳位置使得换热系数最大。
3.3 热舒适性分析
温差均匀是热舒适性要求之一，为了考察位置布置对制冷和采暖两种工况下温度均匀性影响，取散热元件在左下角位置（=0.3 and 
=0.3），记作case1，另外一种取在
=0.3 和 =2.0位置，记作case2。我们一般认为室内工作区的高度距离地面2米范围内，按面积加权计算区域平均温度，温差均匀性定义为：
(3)
其中
为节点
温度，
为节点所在区域面积。
沿X向某一截面在工作区高度范围内温差模拟结果见图8，可见，在case1情况下，制热比制冷工况室内温度更均匀，而在case2情况下，制热和制冷工况室内温度都很均匀。
另外，采用非稳态模型（初始条件取0）模拟制热装置对称放在室内中间位置（保持=0.3）动态热环境，发现在Rayleigh 数为1
时，流场呈周期性振荡，工作区高度范围内某点温度也呈周期性变化。结果如图9和图10示。
生理学方面已经证实，体温节律具有与外界环境温度的等时性，并且有证据表明体温的节律性变动是和适应性有关的，人生活在环境中，并且不断地与环境进行热交换，周围温度波动使人体温调节频繁，人类有一套完整的体温调节机制，外界温度改变，通过调节产热过程和散热过程，维持体温相对稳定。已有的实验研究表明[2][3][4]，气温的骤变会对人的健康构成危害，温度变化是影响热舒适的一个重要原因。而人体达到热舒适状态时，人体的机体处于无体温调节性活动是热舒适其中一个条件。室内温度的波动与振荡会使人们的行为活动能力下降，进而使人感到不舒适。所以应避免将末端装置对称布置。
4 结论
用作制冷的散热元件布置在室内上部位置且靠近两侧壁具有较好的制冷效果，而用作制热的散热元件布置在室内下方位置且靠近两侧壁具有较好的制热效果。同时用作制冷和制热的散热元件应布置在靠近侧壁的中间位置，且温度分布均匀，舒适性较好。放置在室内中间位置动态热环境模拟表明，室内温度为振荡变化，对人体的热舒适造成不利影响。
参考文献
[1] 帕坦卡著， 张政译. 传热与流体流动的数值计算. 北京：科学出版社，1984
[2] 陈丽明，袁成林，李军. 临床神经病学杂志，1999，12（3）：163-164
[3] 姚正明，傅善来. 上海预防医学杂志，2000，12（4）：194-196
[4] 姜殊荣，张利伯. 环境与健康杂志，1991，8（3）：75-77