校园公共建筑节能设计及室内温度场仿真模拟

周佐喜

摘要：本文以校园教学楼为节能改造实例，使用ANSYS CFX仿真软件数值模拟空调课室温度场的分布变化情况对其空调课室课室内进行能耗分析，从建筑节能的角度分析其建筑设计的优劣，从空调智能控制改造两方面设计了其节能改造实施方案。

关键词：公共建筑；节约型校园；ANSYS CFX；空调节能；室内温度场；数值模拟

方案设计

本文建立与教学楼空调课室相一致的三维实际模型，用ANSYS CFX仿真软件数值计算其室内温度场的分布变化情况，通过仿真模拟分析结果为教学楼空调课室的节能改造提供依据和参考。

从多个角度出发仿真课室的温度场变化并作对比研究，研究各个因素对空调室内温度场变化分布的影响，分析研究力图找出影响空调课室温度场变化的各个影响因子及其所占比重，为空调制冷节能改造提供参考。

运用ANSYS12.0应用仿真软件进行数值模拟仿真研究[2][3]，运用其子模块ANSYS ICEM网格划分工具进行网格生成与处理[4]。运用ANSYS CFX进行数值运算[5]。建立了与校园教学楼空调课室相一致的三维实际模型。

1.1物理模型

模型课室尺寸为14.40m×12.00m×5m，课室中就座54人，选定身高为1.73m，体重为60kg，根据公式计算可得人体表面积为1.74231m，与物理模型中单个人体表面积1.74 m2基本符合。

1.2数学模型

本文采用用ANSYS CFX 数值模拟课室内温度场变化时采用标准

k-ε模型。

标准k-ε模型的湍动能k和耗散率ε方程为如下形式：

在上述方程中，Gk表示由于平均速度梯度引起的湍动能产生，Gb是用于浮力影响引起的湍动能产生；YM可压速湍流脉动膨胀对总的耗散率的影响。湍流粘性系数 。

1.3网格划分

本文运用ANSYS12.0应用仿真软件进行数值模拟仿真研究，运用其子模块ANSYS ICEM网格划分工具进行网格生成与处理。Tetra Meshing四面体网格适合对结构复杂的几何模型进行快速高效的网格划分，网格划分时，勾选smooth mesh 即对网格进行即光顺操作。是在气流入口、气流出口和窗玻璃面进行加密网格划分。模型网格生成完毕之后统计网格数量为455495个。

1.4边界条件的设定

设定合适的流体域Fluiddomain、Soliddomain参数以及合适的砖墙材料、窗户玻璃材料、入口边界条件、出口边界条件、玻璃窗加热面边界条件、人体表面散热边界、流固交界面的边界条件。

1.5仿真计算

使用ANSYS仿真软件对模型进行仿真计算。

主要研究结论如下：

1）研究结果表明，在北纬25度的广州地区高校教学楼课室，对于窗墙比数值较大的建筑物，当夏季太阳辐射强烈，室外温度达到30℃以上时，由于中午12：00后为中午休息空调停机。在下午第一节课上课（13：30）之前必须提前15分钟开启空调冷气给课室预冷才能保证课室大部分空间温度保持在28℃以下。分析课室内温度场、气流场结果表明，提前开启空调机组有利于冷风迅速均匀地布满整个课室。

2）广州地区校园建筑窗户大部分为南北朝向，只有极少数房间为东西朝向，太阳辐射强烈室外温度达30℃以上时，窗户东西朝向的建筑比窗户南北朝向的建筑冷负荷要大的多，特别是大窗墙比的建筑，在中午13：30-14：15这段时间，提前15分钟开启空调窗户东西朝向的房间现有的常规的制冷设备也无法负担室内人员正常教学和工作，若增加冷气设备，设备及冷气费用投资都不低；窗户东西朝向的房间通过装贴玻璃隔热贴膜可以有效地阻挡太阳辐射，降低室内温度，在中午13：30-14：15时间段可容纳54人的贴膜课室上课前15分钟提前开启空调使用原有常规的冷气设施可以提供20-30人正常教学；

3）对于空调房间而言，设计时回风口位置不宜与送风口处于同一水平面上，这样大量浪费冷气流量，由于冷空气易下沉，如若进风口设置在高处，回风口位置也不宜设置靠近地板过低的水平面上；

4）研究结果表明，对于人员密集聚会的公共建筑，当夏季室内原始温度过高时，为保证聚会开始时便有一个较舒适的温度环境，工作人员往往把空调的初始制冷温度設置得很低甚至是最低温度下限，而室内人员的密集座位空间设计（特别是剧院、会场与教室），由于密集的人员分布使得制冷空气无法均匀分布于室内各个方位，随着时间的推移，离制冷设备距离近得空间和较空旷空间的温度比密集空间的温度低得多。而密集空间才是真正需要制冷空气的空间，密集空间的温度一直难于降下来这就使得空调的制冷温度设置一直保持很低却没有很好的制冷效果。这也使距离制冷设备的近空间和室内空旷空间的温度很低，这与国家节能标准规定的所有公共建筑夏季空调温度设置不低于26℃的条文相背离。出于此，剧院、会场与教室等公共建筑的座位设计与空调送风口、回风口的布置对于空调节能的作用便显得尤为重要。

参考文献：

[1]王乐鹏，卢紫丁，陆青.我国公共建筑能耗调查研究综述[J].能源与环境，2013（1）：15-17

[2] 李鹏飞，徐敏义，王飞飞.精通CFD工程仿真与案例实战[M].北京：人民邮电出版社，2011.

[3] 周俊杰，徐国权，张俊华.Fluent工程技术与实例分析[M]北京：中国水利水电出版社，2010.

[4] 纪兵兵，陈金瓶.ANSYS ICEM CFD 网格划分技术实例详解[M].北京：中国水利水电出版社，2012.

[5] 孙纪宁.ANSYS CFX 对流传热数值模拟基础应用教程[M].北京：国防工业出版社，2010.