（制冷及低温工程专业论文）壁挂式空调房间内流场温度场特性与人体热舒适的研究.pdf

山东大学硕十学位论文 摘要 随着我国经济的发展，家用空调器日益普及。由于空调器的使用而引 发的“空调综合症”和能源危机问题越来越引起人们的广泛关注，直接影 响着人们的身心健康和社会的发展。因此，研究不同送风参数下壁挂式空 调房间内流场和温度场的分布特性，探讨室内气流形式与热舒适的关系， 提出壁挂式空调器的合理使用方法，对改善入居环境、减少能源的消耗具 有重要的意义；探索人体热舒适的实验方法，建立不同热环境下的人体热 舒适评价模型，为进一步研究控制方法和控制策略提供理论基础，对房间 空调器的发展具有重要的意义。 本文首先以装有壁挂式空调器的实际房间为对象，利用自制的热电偶 和数采仪搭建的温度采集系统研究了不同送风参数下壁挂式空调器制冷运 行时室内气流及温度场分布特性。研究发现，导风板的旋转角度和送风速 度对于室内温度的降低速度有较大的影响；当导风板旋转角度为4 5 0 时， 室内温度下降的较快，各高度层面间的温差较小，人体的热感觉较好，房 间内的舒适程度较高；室内温度出现明显的下冷上热的分层现象；送风参 数的变化对壁面温度的影响很小，可以忽略不计。 在实验研究的基础上，本文以实验房间为模型，应用f l u e n t 软件对 壁挂式空调器制冷运行时室内不同送风参数下的流场和温度场分布特性进 行了数值模拟，并将其计算结果与实验结果进行了对比。通过研究分析表 明，数值模拟的结果能够正确地反映室内流场和温度场的分布特性，说明 本文所采用的模型是合理可行的；利用修正的空气分布特性指标( a d p i ) 和能量利用系数( e u c ) ，能够对不同送风参数下壁挂式空调房间内流场和 温度场的舒适性及房间能耗的经济性作出更加合理的评价；导风板旋转角 度越小，a d p i 值越大，房间内的舒适性越好；导风板旋转角度越大，e u c 值越大，房间能耗就越小，经济性就越好。 本文还采用上述数值模拟的方法，对壁挂式空调器制热运行时室内不 同送风参数下的流场和温度场分布特性进行了数值模拟。研究结果表明， 导风板的旋转角度和送风速度对于室内温度的上升速度有较大的影响：当 导风板旋转角度为1 0 5 0 时，室内温度上升的较快，各高度层面间的温差较 小，人体的热感觉较好，房间内的舒适程度较高：送风角度越大，回风温 山东大学硕十学位论文 度与室内平均温度的温差就越小；导风板旋转角度越大，a d p i 值和e u c 值越大，房间内的舒适性及房间能耗的经济性越好。 最后，根据热舒适理论，应用m a t l a b 软件编写了p m v 指标的计算程 序，定量分析了热环境因素对p m v 指标的影响，制定了人体热感觉的主客 观调查表，建立了神经网络人体熟舒适评判模型，并对其进行了实验验证。 研究发现，随着室内空气温度、相对湿度和平均辐射温度的增大，p m v 值 增大，且近似成一次线性变化；随着室内空气流速的增大，p m v 值急剧减 小；神经网络人体热舒适评判模型的预测结果与目标值是比较吻合的，可 以利用个体的学习样本来训练网络，能够解决不同的个体对相同环境的热 感觉差异问题，对发展“个性化”空调具有非常重要的意义。 本文对壁挂式空调房间内流场温度场特性和人体热舒适性进行了比 较系统的研究，以期为空调器的正确使用和空调器的功能优化等提供必要 的理论依据。 关键词：壁挂式空调器；流场；温度场；数值模拟；热舒适；神经网络 山东大学硕十学位论文 a b s t r a c t a i r - c o n d i t i o n e r sa r e b e c o m i n gm o r e a n dm o r e p o p u l a rw i t h t h e d e v e l o p m e n to fe c o n o m y ，a n dt h es o - c a u s e da i r c o n d i t i o n e rs y n d r o m ea n d e n e r g yp r o b l e m sc a u g h tm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n ，w h i c hc o u l da f f c c tp e o p l e h e a l t h d i r e c t l y t h e r e f o r e ， i ti s v e r yi m p o r t a n tt os t u d yt h ed i s t r i b u t i o n c h a r a c t c r i s t i c so fa i r f l o wa n dt e m p e r a t u r ef i e l du n d e rd i f f e r e n ta i rs u p p l i e s c o n d i t i o ni nar o o mw i t hw a l la i r - c o n d i t i o n e ra n dd i s c u s st h er e l a t i o n s h i p s b e t w e e nt h ei n d o o ra i r f i o wa n dt h e r m a lc o m f o r t ，t h u sb r i n gf o r w a r dt h e r e a s o n a b l eu s a g eo fw a l la i f c o n d i t i o n e rt oi m p r o v ei n d o o fa i rq u a l i t ya n d r e d u c et h ee n e r g yc o n s u m p t i o n t os e a r c hf b rt h ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c h m e t h o do fh u m a nt h e r m a lc o m f b r ta n de s t a b l i s ht h ee v a l u a t i o nm o d e lo f h u m a nt h e r m a lc o m f o r ti nd i f 如r e n tt h e r m a le n v i r o n m e n t sw i l la l s op r o v i d e i m p o r t a n tt h e o r e t i ci n s t r u c t i o nf b rt h ef h r t h e rp r a c t i c a lc o n t r o lm e t h o da n d s t r a t e g y o f i n d o o ft h e r m a lc o m f o r t ，a n dt h a tw i l lf a c 订i t a t et h e d e v e i o p m e n t o fr o o ma i r c o n d i t i o n e r i nt h i s p a p e r ，f i r s t l yt h ed i s t r i b u t i o n c h a f a c t e r i s t i c so fa i r n o wa n d t e m p e r a t u r ef i e l di na na c t u a lr o o mw i t hw a l la i r - c o n d i t i o n e rw e r es t u d i e d u n d e rd i f f b r e n ta i rs u p p l yp a r a m e t e r s ，s u c ha st h ea i r f l o wa n g l ea n ds p e e d w h e nt h ea i r - c o n d i t i o n e rw a sr u n n i n gf o rr e f r i g e r a t i o n t h ed i s t r i b u t i o n so f t e m p e f a t u r ew e r ed e t e c t e db yas e l f - m a d et e m p e r a t u r ea c q u i s i t i o ns y s t e m t h e e x p e r i m e n tr e s u i t ss h o wt h a tt h et e m p e r a t u r ef e d u c i n gf a t ei sa f f b c t e dg r e a t l y b yt h ea n 9 1 eo fa i rd e n e c t o r8 n d8 i rs u p p l ys p e e d w h e nt h ea n g l ew a s4 5 。，t h e r o o mt e m p e r a t u r er e d u c e dv e r yf a s t ，t h et e m p e r a t u r ed i f f c r e n c eb e t w e e n c o n t i g u o u sl a y e r sw a st h el e a s ta n dh u m a nt h e r m a lf e e lw a sq u i t ef i n e ，a n dt h e d e g r e eo fi n d o o rt h e r m a lc o m f o r tw a sq u i t eh i g h t h eu p p e rp a r to ft h er o o m i sh o tw h i l et h ei o w e rc o o i ，w h i c hs h o w sas t r a t i f i c a t i o np h e n o m e n o n t h e e f f e c to fa i rs u p p l yp a r a m e t e f so nt h ew a l lt e m p e r a t u r ei s q u i t el i t t l e ，w h i c h c o u l db ei g n o f e d b a s eo nt h ee x p e “m e n ts i t u a t i o n ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o nt h r o u g hf l u e n t s o f t w a r ew a sc a r r i e do u tt os t u d yt h ed i s t r i b u t i o nc h a r a c t e “s t i c so fa i r f l o w i 山东大学硕+ 学位论文 a n dt e m p e r a t u r ef i e l du n d e rd i f f c r e n ta i rs u p p i yc o n d i t i o n sw h e nt h ew a l l a i r - c o n d i t i o n e r r e f r i g e r a t i o n c o m p a r e dw i t h t h ef o r e g o i n ge x p e r i m e n t a l r e s u l t su n d e rt h es i m i i a rc o n d i t i o n s ，t h ec o m p u t a t i o n a ls i m u l a t i o nr e s u l t sc a n r e n e c tt h ed i s t r i b u t i o nc h a r a c t e “s t i c so fa i r n o wf i e l da n dt e m p e r a t u r ef i e l d c o r r e c t l y w h i c hs h o w st h a tt h em o d e ii sr a t i o n a ia n df e a s i b l e t h et h e r m a l c o m f o r td e g r e ea n de n e r g yc o n s u m p t i o nu n d e rd i f f e r e n ta i rs u p p l i e so ft h e r o o mw i t hw a l la i r - c o n d i t i o n e rc o u l db ee v a l u a t e dm o r er e a s o n a b l yw “ht h e m o d i f i e da i rd i f h l s i o np e r f b r m a n c ei n d e x( a d p i )a n de n e r g yu t i l i z a t i o n c o e 塌c i e n t ( e u c ) t h es m a l l e rt h ea n g l eo ft h ea i rr e f l e c t o ri s ，t h el a r g e ri s a d p ia n dt h em o r ec o m f o r t a b l ei st h er o o m t h eb i g g e rt h ea n g l eo ft h ea i r r e n e c t o ri s ，t h el a r g e ri se u ca n dt h eh i g h e ri st h ee c o n o m i c a le f f i c i e n c y t h es a m en u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o dw a sa l s oc a r “e do u tt os t u d yt h e d i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fa i r f l o wa n dt e n l p e r a t u r ef i e l du n d e rd i f f c r e n ta i r s u p p l i e sw h e nt h ew a l la i 卜c o n d i t i o n e rw a sr u n n i n gf o rh e a t i n g i tw a sf b u n d t h a tt h et e m p e r a t u r ei n c f e a s i n gr a t ei sa f f 色c t e dg r e a t l yb yt h ea n g l ea n dw i n d s p e e d w h e nt h ea i rr e f l e c t o ra n g l ei s10 5 0 ，t h et e m p e r a t u r ei n c r e a s e sf a s t e s t a n dt h et e m p e r a t u r ed i f f e r e n c eb e t w e e ni a y e r si st h el e a s t ，m e a n w h i i et h e h u m a nt h e r m a lf c e li sq u i t ef i n ea n dt h et h e r m a lc o m f o r td e g r e ei sh i g h f u r t h e r m o r et h el a r g e rt h ea i rr e f e c t o ra n g i ei s ，t h el e s si st h et e m p e r a t u r e d i f f e r e n c eb e t w e e nt h er e t u r na i ra n dt h er o o ma v e r a g ea i rt e m p e r a t u r e t h e l a r g e ri st h ea n g l eo fa i rr e n e c t o r ，t h el a r g e ra d p ia n de u ca r e ，t h em o r e c o m f b r ta n dt h el e s se n e r g yc o n s u m p t i o na r e a c c o r d i n gt ot h e r m a lc o m f o r tt h e o r y ，ac o m p u t a t i o n a lp r o g r a mw h i c h c o u l dq u a n t i t a t i v e l ya n a l y s et h ee f 传c t so ft h e r m a le n v i r o n m e n t a lf a c t o r so n p r e d i c t e dm e a nv o t e ( p m v ) i n d e xw a sc o m p i l e db yu s i n gm a t l a bt e c h n i q u e b a s eo ns u b j e c t i v ea n do b j e c t i v eq u e s t i o n n a i r e sa b o u th u m a nt h e r m a lc o m f o r t ， t h en e u r a ln e t w o r k ( n n ) m o d e lo ft h e r m a lc o m f o r tw a se s t a b l i s h e da n d v a l i d a t e db ye x p e r i m e n t a lr e s u l t s i tw a sf b u n dt h a tt h ev a i u eo fp m v i n c f e a s e dw i t ht h er o o mt e m p e r a t u r e ，r e l a t i v eh u m i d i t ya n da v e r a g er a d i a t i o n t e m p e r a t u r e ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e mi sa i m o s to fd i r e c tp r o p o r t i o n t h e v a l u eo fp m vr e d u c e ds h a r p l ya sa i rs p e e di n c r e a s e d t h en np r e d i c t i o n r e s u l t sa r ea g r e e dw e l lw i t ht h et a r g e tv a l u e t h en nc o u l db et r a i n e db yu s i n g 山东大学硕十学位论文 i n d i v i d u a is t u d ys a m p i et os o i v et h et h e r m a lc o m f o r tp r o b l e mt h a td i f 传r e n t p e r s o n si nt h es a m et h e r m a le n v i r o n m e n th a v ed i f f e r e n tf e e l i n g ，w h i c hw i l lb e m o r eu s e f h lf b rt h ed e v e l o p m e n to fi n d i v i d u a la i f c o n d i t i o n e r t h ea i f n o wf i e 】da n dt e m d e r a t u r ef i e l di nt h er o o mw i t hw a i l a i r c o n d i t i o n e ra n dt h eh u m a nt h e r m a lc o m f o r t d e g f e e w e r es t u d i e d s y s t e m a t i c a u y ，t h er e s e a r c hr e s u i t sw i i lb ev e r yh e l p f u lf o rt h ec o r r e c tu s ea n d i m 口r d v e m e n to fa i r c o n d i t i o n e r k e yw o r d s ：w a l la i rc o n d i t i o n e r ；a i r f l o wf i e l d ；t e m p e r a t u f ef i e l d ； n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ；t h e r m a lc o m f o n ；n e u r a ln e t w o r k v 山东大学硕十学位论文 符号 c p定压比热，肌g k 厶着装面积系数， g重力加速度，n 妇2 魄 乇 对流换热系数w m 2 o c 总的服装热阻值，c l o l c l o = o 1 5 5w m 2 湍流动能，m 2 s 2 湍流脉动长度，m 人体新陈代谢率，m e t 1 m e t = 5 8 1 5w m 2 压力，p a 水蒸气分压力，k p a 时间，s 送风温度， 空气温度， 希腊字母 p空气密度，k 咖3 热胀系数 s湍流耗散率，m 2 心 i ，运动粘度，m 2 s v i 符号表 室内设定温度， 着装人体表面平均温度， 黑球温度， 设定温度， 室内平均温度， 排风温度，m s 回风口的平均温度， 平均辐射温度， 测点的温度， 温度， 操作温度， 测点风速，m s 空气流速，m s 人体所作的机械功，w m 2 动力黏度，k g m s h 湍流黏度，蚝，m s 唬相对湿度， 气一屯一k一丁矗蚝k矿 七，肘 p只，岛毛 原刨性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：盏焦因! 1 日 论文作者签名：窈猃幽! 1 日 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：匆 丝盟! 导师签名： 历犀i 旌，皇& 煮 山东大学硕士学位论文 1 1 课题的提出 1 绪论 随着我国经济的发展，人民生活水平不断提高，家用空调器也日益普 及，仅2 0 0 3 年一年，国内就销售房间空调器1 7 5 0 万台，其中分体壁挂式 空调器约占销售量的6 2 吲。由于空调的使用而引发的咳嗽、头痛、流涕、 关节酸痛、头晕脑胀等“空调综合症”越来越引起人们的广泛关注，直接 影响着人们的身心健康。 另一方面，近年来，能源危机和夏季用电高峰电荒问题日益突出，设 备的节能就显得越来越重要。要想实现节能指标，除了空调系统的优化和 性能的改进之外，设备的合理使用也尤为重要。 近几年，国内外对室内气流组织形式主要采用以建筑空间为对象的计 算机数值模拟技术。对常见的上送下回、上送上回、下送上回、中部送风 等方式进行了广泛深入的研究，而对分体壁挂式空调器这种特殊风口位置 下的室内气流形式的研究报道较少，仅有美的集团的张智等人【2 j 对二维空 间内的壁挂式空调器在制冷制热工况运行时的室内气流及温度分布进行 了数值模拟。国内外对热舒适性的研究十分活跃，已经从传统数学方法对 热舒适的精确界定发展到用模糊综合评判和神经网络评判的第二阶段，但 目前国内还没有建立起标准的数据库和评价方法。 因此，研究壁挂式空调房间内不同送风参数下的室内流场和温度场特 性，探讨室内气流形式与热舒适的关系，提出空调的合理使用方法对改善 人居环境、减少能源的消耗具有重要的意义；探索人体热舒适的实验方法， 建立不同热环境下的热舒适评价模型，可为进一步研究控制方法和控制策 略提供理论基础，对房间空调器的结构改进和功能优化具有重要的意义。 1 2 课题的研究现状 1 2 1 室内气流组织形式的研究现状 1 2 1 1 国外研究现状 由于受到计算机技术的限制，直到1 9 7 4 年室内气流组织的数值计算才 应用于空调工程【3 】。1 9 8 6 年美国国家标准协会对世界范围内用c f d 山东大学硕+ 学侍论文 ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，简称c f d ) 模拟室内空气流动的发展情 况进行了总结，并成立了专门的研究机构，致力于室内空气流动的研究， 并将c f d 方法模拟室内空气流动的许多相关问题的结果发表在1 9 9 4 年的 a s h r a e 杂志上【4 1 。 g u o h u ig a n 【5 】利用c f d 技术对机械通风房间的室内环境和总的空气分 布系统的通风效率进行了预测，结果发现在供热和制冷两种情况下最有效 的空气分布方式是不同的；从室内空气品质( i n d o o r a i r q u a l i t y ，简称i a q ) 和能耗方面考虑，向上置换通风产生的空气分布方式较好，但从热舒适方 面讲要差一些。 q i n g y a nc h e n 等【6 7 】提出了一种零方程模型计算各种通风房问内的速 度、温度和污染物浓度分布的方法。该模型假设湍流粘性系数是长度和当 地平均速度的函数，计算速度比标准七一占模型至少快了十倍，计算结果与 标准i 一s 模型算出的结果基本吻合；2 0 0 1 年又进一步提出在通风房间中可 以采用双层湍流模型，即在， 8 0 的近壁区采用一方程模型，而在远离壁 面的区域则仍然采用标准七一占模型，可大大减少计算量。 w e i z h e nl u ，a n d r e wt h o w a r t h 等【8 】对供热房间进行了数值模拟和实 验测量，两者结果均表明由散热器产生的壁面射流对室内气流流动方式、 温度和污染物颗粒的分布有着很大的影响，尤其在靠近热源的区域，污染 物有可能集中于此，并且对人体产生有害的影响。 s l s i n h a ，r c a r o r a 等【9 】对暖空气流在不同高度的供热房间内的速度 和温度分布进行了研究，考虑了b o u s s i n e s q 假设下稳态层流的不可压缩流 动，得到了不同位置处入口和出口、不同格拉晓夫数和不同雷诺数情况下 的结果。 m b o j i c 等【1 0 j 对典型的装有窗式空调器的香港居民卧室内的流场和温 度场进行了模拟。他们分别对空调器处于三种不同位置情况下的有床和橱 柜的卧室进行了模拟，从热舒适性等方面进行了分析，最终得出了对人体 最有利的安放位置。 j u a na b a n t o 等【】对一个采用顶棚四方向射流器送风的计算机房进行 了模拟，重点研究了人体热舒适指标。结果表明边界条件和几何体的真实 形状( 如射流器入口) 对整个流场流体的流动方式有很强的影响。 1 2 1 2 国内研究现状 国内在此领域也有不少相关研究报道。八十年代末，汤广发等【心，1 3 1 对 2 山东大学硕十学位论文 二维层流室内自然对流进行了数值计算，并给出了其数值解；次年又用三 维紊流数值方法对水电站主厂房通风气流组织进行了数值模拟，并提出此 方法可对水电站厂房的通风进行优化设计，但在紊流模型的选取和边界条 件的处理上过于简化，以致与实际的流动情况有较大的偏差。 九十年代，一些研究者在前人的研究基础上，着重在湍流模型的选择 和边界条件的处理上做了一些研究。顾瑞英，武文斐【1 4 1 在热源表面温度给 定的条件下用k 8 两方程湍流模型求解了气流的速度和温度分布，考察了 送风方式( 上送下回、下送上回、侧送侧回) 、送风量、热源表面温度、热 源表面和壁体表面的黑度、室外环境通过壁体的传热等诸因素对室内气流 组织的影响。 近几年，利用c f d 来模拟暖通空调问题的研究明显增多。王智伟等【l 5 】 对内部有简单障碍物及边界条件不规则的物理问题进行了数值模拟和模型 实验，这两种方法的结果基本吻合。 赵彬等1 6 ，1 7 ，18 ，1 9 l 利用带浮升力效应的k 8 湍流模型和一个新零方程湍 流模型分别对某房间内空气的混合对流流动进行了数值模拟。通过比较发 现，新零方程湍流模型与实验数据吻合得更好且可以很快获得收敛解。并 对房间内等温流动、非等温流动进行了模拟，发现数值计算结果和实验数 据吻合得很好。考察和验证了新零方程湍流模型对暖通空调领域中流动和 传热问题的实用性和可靠性。同年，他又采用误差预处理法对室内空气流 动的离散代数方程组进行由粗到细网格上的迭代求解，并用该方法和传统 迭代法对室内空气等温和非等温流动分别进行模拟。对比结果表明误差预 处理算法可显著提高室内空气流动数值模拟的收敛速度。随后，他又提出 了应用于房间空气流动数值模拟的n 点风口动量模型，并利用n 点风口动 量模型、新零方程湍流模型及误差预处理数值算法对某采用百叶风口的办 公室内温度场和速度场进行了模拟计算，并与实验数据进行比较，提出了 实际工程指导通风空调气流组织设计和分析的简捷数值模拟方法。 徐丽等【2 0 】采用雷诺平均的n a v i e r s t o k e s 方程与r n g 的k 6 两方程湍 流模型，针对三种不同通风方式，对设障碍物、污染源和集中热源的房间 内三维速度场、温度场以及污染物c 0 2 的浓度分布进行了数值模拟，给出 了污染物质量组份的对流扩散方程。 荣庆兴等【2 1 】利用c f d 方法对带有地板辐射的地板送风空调系统制冷 运行时室内速度场和温度场进行了数值模拟。结果表明带有地板辐射的地 山东大学硕七学位论文 板送风空调系统与传统的地板送风空调系统相比，温度变化更小，热舒适 性更好。 李晓冬等【2 2 1 利用c f d 方法对大空间建筑室内空调温度场进行了数值 模拟，探讨了一种基于多区热质平衡模型的边界条件确定方法，建立了各 宏观“大控制体”内的热质平衡方程。 那艳玲等【2 3 1 以计算流体力学( c f d ) 的模型为基础，采用有限容积法 对带有冷却顶板的置换通风系统和不带冷却顶板的普通置换通风系统的温 度场、气流分布及人体的热舒适性进行了模拟分析。模拟结果表明，冷却 顶板置换通风系统可以减小室内温度梯度，提高人体热舒适性。 薛若军等1 2 4 】应用k 8 湍流模型和数值模拟方法，对有内热源房间内的 4 种典型的气流组织形式( 上侧送风对侧下回方式、上侧送风同侧下回方 式、上侧送风同侧上回方式、散流器送风方式) 的三维温度场、速度场及 热舒适指标进行了数值模拟。 随着c f d 的优点越来越被人们认可，国内一些有实力的空调企业也开 始利用c f d 技术来做相应的研究。春兰研究所的陶建兴等人【2 5 】利用流场 仿真软件s t a r c d 对使用某型号四面出风壁挂式空调器的房间流场进行 了数值模拟，并与传统出风壁挂式空调器流场进行了对比，对其热舒适性 进行了评价，从而为产品开发和改进提供了依据。 美的集团的张智等【2 】采用非稳态求解方法，对二维空间的壁挂式空调 器在制冷制热工况运行时的室内气流及温度分布进行了数值模拟，获取了 在不同时间、不同导风板旋转角度和出风速度下的室内气流和温度分布， 并对其进行理论分析，为空调器的优化设计提供了理论依据。 从目前有关室内气流组织形式的研究文献来看： ( 1 ) 利用c f d 技术模拟室内气流组织特性是可行的。 ( 2 ) 对室内气流组织特性进行数值模拟的关键在于数学模型的选择和边 界条件的设定。 ( 3 ) 对典型的气流组织形式的研究较为广泛，而对特殊风口的研究报道 较少。 ( 4 ) 大多数的研究只考虑一个或几个因素( 如障碍物、内热源、辐射、 维数等) 的影响，数学模型都进行了不同程度的简化。 4 山东大学硕+ 学位论文 1 2 2 热舒适性的研究现状 1 2 2 1 国外研究现状 早在2 0 世纪初，一些发达国家的学者就已开始了对室内热环境的研 究。直到1 9 6 7 年丹麦学者p 0 f a n g e r 教授【2 6 ，2 7 1 发表了关于舒适方程的著 名论文，才建立了人体热舒适的整套理论。随后，又提出了p m v 、p p d 等 标准衡量尺度，经过实验验证了其准确性，为以后的研究工作提供了坚实 的理论基础。 七十年代后，世界各地都开展了人体热舒适的实验调查【2 引，通过这些 实验研究，得出很多室内热环境与人体热舒适之间的关系的结论，也制定 了一系列有关热舒适性的标准和指标( 如i s 0 7 7 3 0 - 1 9 9 4 ，a s h r a e s t a n d a r d 5 5 1 9 9 2 ) 。 近几年，一些学者开始对p m v 模型的简化和p m v 指标的预测展开了 研究。 i n t h o u t 【2 9 】依据f a n g e r 的p m v 模型提出了一种用于热舒适计算的计 算机模型，该模型能够很方便的进行热舒适计算，但其非线性方程的迭代 步骤使得计算程序过于复杂，实现实时控制较为困难。 s h e r m a n 【3 0 j 在f a n g e r 的p m v 模型的基础上，通过线性化辐射换热项， 提出了无任何迭代过程的p m v 指标的简化计算模型，该模型能对室内的热 舒适区做出准确的判断。 f e d e r s p i e l ，a s a d a 【3 l 】在f a n g e f 的p m v 模型的基础上，假设辐射换热 系数和热传递系数都是线性的，服装热阻和人体活动的新陈代谢率都是常 数，推导出由四个环境变量决定的热感觉指数的显式函数。然而，当这些 假设没有被考虑时，应用f a n g e r 的p m v 简化模型就会产生严重的错误。 m a r a h a m i 【3 2 1 利用低雷诺数k 8 湍流模型和g a g g e 的人体两节点模型， 模拟计算了在人体与环境热湿传递过程中人体周围的空气温度、湿度、流 速分布，模拟结果与对真人和暖体假人的实测结果相近。利用模拟计算的 结果，可准确预测各种室内热环境下人体的热感觉。 s a t t h a j a r i y a k u l 【3 3 】利用神经网络对人体热舒适进行了研究，提出了人 身变量和环境变量更宽的范围内判定热舒适p m v 指标的实际方法，并用其 前向神经网络模型与f a n g e r 的传统p m v 模型进行了比较。 山东大学硕十学何论文 1 2 2 2 国内研究现状 国内在人体热舒适领域的研究起步较晚。近几年的研究方向主要集中 在不同地区热舒适区的界定和评价模型的建立上。 赵荣义等1 3 4 】对北京8 8 户自然通风居民住宅进行了实验。现场测试了夏 季室内干球温度、相对湿度、风速等热环境参数，以问卷调查方式调查记 录了居民的热感觉，考察了居室热环境改善措施。调查结果表明，自然通 风条件下北京普通住宅的热环境基本上处于a s h r a e 舒适区之外。8 0 的 居民可接受的热环境对应的有效温度上限为3 0 ，对温度的敏感程度与其 他地区相近。贾庆贤【3 5 】调查了1 0 6 人在不同热环境下对吹风的主观感受， 发现现实生活中人们对随机及不确定的自然风的感受与对单调的机械风的 感受有较大的不同。 吕芳等【3 6 】用现场实验、问卷调查的方法对空调房间和非空调房间的人 体热舒适度进行了研究。研究结果表明：非空调房间人体的舒适区域要宽 于空调房间的舒适区域，认为f a n g e r 的热舒适评价指标和g a g g e 的新有效温 度指标能够合理的解释空调房间的舒适度，但不能准确地反映在非空调房 间内人体的热舒适度；与a s h r a es t a n d a r d5 5 1 9 9 2 中的人体热舒适区相 比，天津人的人体热舒适区更宽一些；与世界其它地方的研究结果相比， 天津人的不满意率比较低。这些表明天津人对热环境的要求相对于其它地 方低一些，对热环境更容易满足。此外，蒋薇等【2g 】人以天津大学学生为对 象，进行了实验室研究。 王昭俊等【3 7 3 8 l 采用现场实验，问卷调查的方法对严寒地区冬季采暖时 室内的人体热舒适状况进行了研究，并又对其进行了模糊综合评判。研究 结果对照i s 0 7 7 3 0 及a s h r a e 5 5 1 9 9 2 舒适标准，仅有6 0 的居民所处的热 环境在热舒适范围内，但热环境接受率高达9 1 7 。说明人们对热环境的心 理期望值较低，故对超出热舒适范围的室内温度也能接受。 王怡等【3 9 】利用模糊数学的统计方法对夏季自然通风状态下的室内热 环境进行了研究。连之伟等1 4 0 】建立了空调房间热舒适模糊综合评判模型。 赵博等【4 1 】采用问卷调查和实验研究的方法对夏季室内热环境对人员 的热舒适影响以及人体皮温与热舒适的关系进行了研究，并引入人工神经 网络理论，对人体热感觉状况进行了评判。 从目前有关人体热舒适的研究文献来看： ( 1 ) 目前一些学者对居住在不同气候、不同地理环境中的不同种族的人 6 山东大学硕+ 学位论文 们进行了相关的研究，并对被国际普遍公认的i s 0 7 7 3 0 标准和 a s h r a e 5 5 1 9 9 2 标准的普遍适用性提出了质疑。 ( 2 ) f a n g e r 的p m v 模型计算过程比较复杂，实现实时控制较为困难，一 些学者对其进行了简化，但计算结果不是很理想。 ( 3 ) 关于人体热感觉的研究从传统数学的精确界定发展到模糊预测的阶 段，为实现实时控制奠定了理论基础。 ( 4 ) 对人体热舒适的研究普遍采用问卷调查和实验研究的方法。 ( 5 ) 不同地区的人的热感觉会略有不同。 ( 6 ) 国内目前尚未建立具有区域差异的热感觉数据库和标准评价方法。 1 3 本文的主要研究内容 本文以装有壁挂式空调器的实际房间为对象，采用实验研究、数值模 拟和理论分析相结合的方法，对壁挂式空调房间内流场和温度场分布特性进行详 细的研究。此外，本文还采用问卷调查、现场测试和理论分析相结合的方 法对不同热环境下的人体热感觉状况开展初步的研究，为今后的工作奠定 基础。论文的主要工作包括以下几个方面： ( 1 ) 以实际房间为模型，通过改变空调的送风参数对壁挂式空调器制冷 运行时室内气流及温度场特性进行实验研究。 ( 2 ) 用数值计算的方法，研究不同送风参数条件下三维空间内壁挂式空 调器制冷制热运行时室内流场和温度场的分布。 ( 3 ) 探索不同送风参数条件下室内气流形式与人体热舒适的关系。 ( 4 ) 采用问卷调查、现场测试和理论分析的方法，开展人体热舒适实验， 建立人体热舒适的评价模型。 7 山东大学硕十学位论文 2 壁挂式空调器制冷运行时温度场特性的实验研究 空调器运行时。如何使房间快速降温或快速升温，且在此过程中具有 较高的舒适性，是目前空调研究的热点问题之一。研究房间内气流流动和 温度分布十分必要，因为它影响着室内热量交换和温度变化。 本章以分体壁挂式空调器为研究对象，考查送风角度及送风风速与室 内温度下降所需时间及其温度变化之间的关系，测定其温度场的分布，并 藉此验证和补充数值模拟的结果。 2 1 实验设计 2 1 1 实验环境与测点布置 本实验是在某实验楼三层的一问长宽高分别为5 5 3 m 3 4 6 m 3 6 m 的实际房间内进行。采用分体壁挂式空调器，其额定制冷量为3 3 0 0 w ，循 环风量为4 5 0 m 3 ，h ，空调器室内机装在西墙，距离南墙o 4 6 m ，距离地面 2 2 m 。实验房间的位置示意图和房间布置分别见图2 1 和图2 2 。 矗魍 直田 庸离 戮 囊闺瘩棚 寡朝 嘉筒 ， 蝽( 南) 窗户 骞阍 i 襞番盛挂式l 赛闰 蠹墙( 袁) 1 空镉韵赛慧、r 、均墒c 嚣) 1ij i 兰属 走 魂墙北) 霉 房闰亮闰 崮 ( a ) 实验楼( b ) 实验房间的位置 图2 - l实验房间的位置示意图 室内测点的布置主要依据i s 0 7 7 3 0 【4 2 】和a s h r a e 5 5 1 9 9 2 f 4 3 1 热舒适标 准和房间的布局确定，在y = 1 6 4 m 的垂面上选取z = o 1 m ，z = o 6 m ，z = 1 1 m ， z = 1 7 m ，z = 2 5 m 五个高度上的2 5 个点布置热电偶，其测点分布见图2 3 。 壁面温度的变化依据多点测量求平均值的方法，采用红外辐射温度计 测得。 8 山东大学硕十学位论文 图2 2 实验环境布置图 2 5 +2 0 + 1 5 +1 0 +5 + 2 4 + 9 +1 4 +9