靜壓箱對地板送風(fēng)氣流組織與溫度分層的影響

牛建磊，沈 翀，高乃平，董 昆

（1.香港理工大學(xué) 屋宇設(shè)備工程系，香港；2.同濟大學(xué) 機械與能源工程學(xué)院，上海201804；3.上海市建筑科學(xué)研究院，上海201108）

地板送風(fēng)系統(tǒng)將處理過的空氣通過位于架空地板下的靜壓箱送到工作空間，吸收余熱余濕后，在浮升力的作用下逐漸上升并卷吸周圍空氣，最終從位于上部空間的回風(fēng)口排出.大量研究表明，與傳統(tǒng)的全混送風(fēng)系統(tǒng)相比，設(shè)計合理的地板送風(fēng)系統(tǒng)能夠減少空調(diào)能耗［1-2］，提高熱舒適性［3］，并改善工作區(qū)域的空氣品質(zhì)［4］.

空氣溫度分層是地板送風(fēng)系統(tǒng)最主要的優(yōu)點之一［5］.然而，由于架空地板下靜壓箱中的空氣溫度較低，一般地板表面的溫度也明顯低于室內(nèi)空氣溫度以及室內(nèi)其他壁面溫度，導(dǎo)致該表面吸收室內(nèi)空氣和其他壁面的對流與輻射傳熱量，這部分熱量最終傳遞至靜壓箱內(nèi)的空氣中，使送風(fēng)溫度升高，分層特性衰減［6-10］.也就是說，部分室內(nèi)負(fù)荷被地板下的靜壓箱內(nèi)空氣承擔(dān)，而不是全部由風(fēng)口送風(fēng)承擔(dān).Jin等［6］的現(xiàn)場實測和模擬研究發(fā)現(xiàn)，靜壓箱的得熱分為架空地板的對流和輻射得熱以及靜壓箱內(nèi)其他設(shè)備（如電纜）的散熱，最終導(dǎo)致送風(fēng)口處送風(fēng)溫度的上升.Bauman等［11］研究發(fā)現(xiàn)靜壓箱的得熱與架空地板的保溫性能有很大關(guān)系，在保溫最不利的情況下靜壓箱內(nèi)的得熱可占室內(nèi)總負(fù)荷的40%.可見，靜壓箱內(nèi)的溫升會直接影響地板送風(fēng)的性能，已有的研究大多關(guān)注地板送風(fēng)系統(tǒng)室內(nèi)的氣流組織情況和能耗特性，對靜壓箱內(nèi)流動和傳熱的研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠.

靜壓箱是地板送風(fēng)區(qū)別于置換送風(fēng)和全混送風(fēng)的顯著特征.本文首先通過現(xiàn)場實地測量得到有靜壓箱存在時室內(nèi)的實際溫度分層效果，然后采用數(shù)值模擬的方法定量分析靜壓箱內(nèi)得熱對室內(nèi)熱環(huán)境的影響.

1 現(xiàn)場實測情況介紹

以西門子上?？偛看髽堑?層辦公室作為研究對象.該層辦公室采用變風(fēng)量地板送風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)，保持送風(fēng)溫度不變，通過調(diào)節(jié)送風(fēng)量來維持室內(nèi)溫度水平.系統(tǒng)分內(nèi)外2個區(qū)：內(nèi)區(qū)采用圓形旋流送風(fēng)口，其位置靠近人員座椅，內(nèi)部開度可調(diào)，附近人員可以根據(jù)冷熱感覺撥動擋板來進行局部環(huán)境的微調(diào)節(jié)，回風(fēng)口位于側(cè)墻頂部，為下送上回的空氣流型；外區(qū)采用矩形格柵送風(fēng)口，為下送下回空氣流型，室內(nèi)布置詳見圖1，圖中1為外區(qū)風(fēng)口，2為辦公桌，3為內(nèi)區(qū)風(fēng)口，A，B，C，D，E為測點，外側(cè)實線為外圍護結(jié)構(gòu)，虛線為內(nèi)外區(qū)假想分區(qū)線.其中，外區(qū)風(fēng)口靠近外窗，采用了帶可調(diào)二次回風(fēng)的送風(fēng)末端；內(nèi)區(qū)風(fēng)口靠近人員座椅，如圖2所示.回風(fēng)經(jīng)處理混合新風(fēng)后再送回靜壓箱，靜壓箱的高度為0.35m.大樓的外圍護結(jié)構(gòu)主要為雙層落地玻璃幕墻，內(nèi)置可根據(jù)陽光照射角度變化而自動調(diào)節(jié)的百葉.通過百葉開閉角度和送風(fēng)量的協(xié)調(diào)完成對室內(nèi)熱環(huán)境的控制.

圖1 辦公室布置和測點位置示意Fig.1 The configuration of office layout and measuring locations

圖2 內(nèi)外區(qū)送風(fēng)風(fēng)口Fig.2 The rectangle diffuser in perimeter zone and round diffuser in inner zone

1.1 測量方案

共選取了5處測量地點，A，C，D，E位于送風(fēng)口上方，B遠(yuǎn)離送風(fēng)口，詳細(xì)位置見圖1.為了測量風(fēng)速衰減情況，在A，C，D，E位置的風(fēng)口正上方布置了7個風(fēng)速測點，高度分別為0，0.1，0.3，0.6，0.9，1.1和1.2m；為了測量室內(nèi)溫度分層效果，在各測量處的0.1，0.6，1.1，1.8，2.4m 高度布置溫度記錄儀.

溫度測量儀器為HOBO溫濕度自動記錄儀；風(fēng)速測量儀器為AMI300多功能手持風(fēng)量風(fēng)速儀，誤差為±0.01m·s-1.

測量時間為2011年9月2日7：00—19：00.測試時段內(nèi)室外溫度為28～32℃，天氣為多云.

1.2 測量結(jié)果

1.2.1 送風(fēng)溫度

(3) 若 G=Mp(n,m,1)則 G′= 〈c〉,G={aibjck:i=1,2,···,pn;j=1,2,···,pm;k=1,2,···,p},其中c∈ Z(G).設(shè)aibjck為G的一個p階元,則有(aibjck)p=(aibj)pckp=(aibj)p=1,由于

在本辦公室中，外區(qū)地板送風(fēng)系統(tǒng)通過風(fēng)機盤管控制送風(fēng)溫度；對于內(nèi)區(qū)地板送風(fēng)系統(tǒng)，經(jīng)空調(diào)系統(tǒng)處理過的空氣通過地板下靜壓箱后再由旋流型送風(fēng)口送出，存在溫升現(xiàn)象.

圖3給出了內(nèi)外區(qū)送風(fēng)溫度的逐時變化規(guī)律.可以看出，內(nèi)外區(qū)送風(fēng)溫度均從7：00開始逐漸升高，從14：00左右開始逐漸下降.但是，兩者的變化幅度和變化原因并不相同.內(nèi)區(qū)的送風(fēng)溫度變化較小，一天內(nèi)送風(fēng)的最大溫差僅為0.5℃，主要是室內(nèi)負(fù)荷變化和室內(nèi)氣溫變化引起的.而外區(qū)的送風(fēng)溫度一天內(nèi)最大差異達(dá)3.4℃.送入靜壓箱的空氣溫度相對恒定，外區(qū)風(fēng)口處溫度的升高主要是因為靜壓箱吸熱量不同造成的.如果按照送回風(fēng)溫差10～13℃計算，3.4℃的溫度差異說明地板下得熱占總負(fù)荷的分?jǐn)?shù)較大.該辦公室從16：00開始結(jié)束了太陽光的直射，輻射至靜壓箱的熱量有所減少，因此，在16：00至17：00之間外區(qū)送風(fēng)溫度有1.4℃的下降.

圖3 送風(fēng)溫度隨時間的變化Fig.3 The change of supply air temperature with time

1.2.2 溫度場

圖4顯示了測點B處溫度分層效果隨時間的變化情況.在各個時間段內(nèi)上熱下冷的溫度分層現(xiàn)象確實存在，其中最大的上下溫差為1.0℃，符合熱舒適要求.在13：00—15：00時間段，最大豎直溫差僅為0.3℃，溫度分層效果較差.在該時間段，靜壓箱內(nèi)的空氣溫升占全部溫升的38.0%.從13：00—15：00時間段至17：00—19：00時間段，由于送風(fēng)溫度降低，溫度分層效果又逐漸恢復(fù).

圖4 測點B溫度分層效果Fig.4 The variation of stratified air distribution effect with time at the measuring point B

此外，由于該系統(tǒng)采用了變風(fēng)量調(diào)節(jié)，即通過調(diào)節(jié)送風(fēng)量來適應(yīng)負(fù)荷的變化.因此，在負(fù)荷逐漸增大和靜壓箱送風(fēng)溫度逐漸升高的雙重作用下，送風(fēng)量被調(diào)大，進一步影響了溫度分層效果.

1.2.3 速度場

圖5給出了送風(fēng)口正上方的風(fēng)速衰減曲線.可以看出在測點A，C2個外區(qū)風(fēng)口上方的送風(fēng)速率較大，均大于3m·s-1，這是因為該辦公室外區(qū)承擔(dān)了圍護結(jié)構(gòu)冷負(fù)荷與日射冷負(fù)荷.不過由于湍流度較高，速率衰減比較快，在1.0m高度處都衰減至0.5 m·s-1以下，而且外區(qū)離辦公區(qū)域距離較遠(yuǎn)，人員活動較少，因此不會產(chǎn)生吹風(fēng)感.較大的初速率說明了較大的送風(fēng)量和冷量，較快的衰減速率說明送風(fēng)氣流與周圍空氣混合良好，該辦公室的外區(qū)送風(fēng)運行效果比較理想.

圖5 風(fēng)口上方風(fēng)速變化曲線Fig.5 The variation of air speed above the diffuser

內(nèi)區(qū)主要承擔(dān)了照明和人員冷負(fù)荷，負(fù)荷較小，因此送風(fēng)速率較小，在0.3m高度就已經(jīng)衰減至0.2 m·s-1以下.因此，雖然靠近人員工作區(qū)域，但是也不會引起吹風(fēng)感.

1.3 實測總結(jié)

通過對已經(jīng)投入使用的地板送風(fēng)工程實例進行測量分析發(fā)現(xiàn)，在實際應(yīng)用中靜壓箱內(nèi)空氣溫升明顯，約占總溫升的38.0%，在設(shè)計中不能忽略.溫度分層效果與整體溫度水平受到送風(fēng)溫度與送風(fēng)量的影響，送風(fēng)溫度越高、送風(fēng)量越大時分層效果越差、整體溫度越高.合理的內(nèi)外分區(qū)調(diào)節(jié)營造出了良好的氣流組織，避免了吹風(fēng)感.

2 數(shù)值模擬

為了進一步深入研究靜壓箱對室內(nèi)空氣流動與熱力分層的影響，建立辦公室模型進行數(shù)值模擬分析，考察靜壓箱對室內(nèi)熱平衡、空氣流動和溫度場的影響.

2.1 物理模型

如圖6，建立一個采用地板送風(fēng)的典型辦公室模型，長、寬、高分別為5.0，4.5，2.6m，其中靜壓箱高度為0.3m，辦公室朝南開窗，窗長5.0m、高1.5 m，室內(nèi)布置有1只柜子、4只頂燈（每盞60W）、2臺電腦（每臺100W）、2名人員（人體發(fā)熱按75W計），各熱源強度參照 ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)［12］，綜合考慮外墻得熱后熱負(fù)荷指標(biāo)為35W·m-2.送風(fēng)口均為圓形旋流散流器.邊界條件設(shè)置見表1.

圖6 模擬辦公室示意圖Fig.6 Configuration of the simulated office

表1 邊界條件設(shè)置Tab.1 The settings of boundary condition

考慮不同送風(fēng)溫度、送風(fēng)速率和有無靜壓箱的影響，一共設(shè)置了6個工況，詳細(xì)設(shè)置見表2.

表2 各工況的風(fēng)口溫度、送風(fēng)速率和回風(fēng)溫度Tab.2 The supply air temperature，supply air speed and return air temperature of each condition

2.2 數(shù)值模型

采用RNG k-ε模型模擬室內(nèi)湍流、SIMPLEC算法耦合壓力與速率、二階上風(fēng)差分對對流項進行離散、二階中心差分對擴散項進行離散、S2S（surface to surface）模型計算輻射傳熱.經(jīng)網(wǎng)格獨立性驗證，采用約58萬個網(wǎng)格進行計算，以非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格為主.

2.3 模擬結(jié)果

2.3.1 熱平衡

表2給出了不同工況下的送風(fēng)溫度、速率和回風(fēng)溫度.對于沒有靜壓箱的工況，空氣直接從地板送風(fēng)口送出，送風(fēng)溫度即為空氣經(jīng)空調(diào)系統(tǒng)處理后進入室內(nèi)的溫度；而對于有靜壓箱的工況，送風(fēng)溫度因空氣在靜壓箱內(nèi)吸熱而升高，在3種工況下分別升高了5.9℃，5.1℃和4.5℃.流入靜壓箱的空氣溫度越低，則溫升越明顯；流量越小、流速越慢，溫升亦越明顯.送入室內(nèi)的空氣在靜壓箱內(nèi)有明顯的溫升，表明靜壓箱自身承擔(dān)了一定的冷負(fù)荷，其占總負(fù)荷的分?jǐn)?shù)分別為44.4%（工況1）、47.7%（工況2）和43.7%（工況3）.對比現(xiàn)場實測得到的38.0%，模擬工況中靜壓箱承擔(dān)的負(fù)荷分?jǐn)?shù)更高，部分原因在于模擬中受到太陽直接輻射的地板面積占總面積的分?jǐn)?shù)比現(xiàn)場實測時大.

對比有無靜壓箱工況的回風(fēng)溫度，發(fā)現(xiàn)有靜壓箱的工況其回風(fēng)溫度均比同類型無靜壓箱的工況高0.5℃.這說明靜壓箱的存在導(dǎo)致了辦公室整體負(fù)荷稍稍增大.3種工況負(fù)荷增大的分?jǐn)?shù)（即回風(fēng)溫升占總溫升的分?jǐn)?shù)）分別為3.9%，4.8%和5.1%.該部分增加的負(fù)荷主要來自于靜壓箱側(cè)的外墻得熱，占總負(fù)荷的5%左右.

2.3.2 速度場和溫度場

取房間中部（Z=2.25m）豎直截面作為典型研究對象，圖7與圖8分別給出了其在工況1、工況2中的速度分布與溫度分布.

對比有無靜壓箱時同一工況的速度矢量圖，可以看出在沒有靜壓箱時，氣流從送風(fēng)口射出后，在上升過程中不斷卷吸周圍空氣，進行熱量、動量交換并逐漸衰減，室內(nèi)流場分布比較規(guī)則，射流核心清楚可見，方向豎直向上.而在有靜壓箱時，空氣不再規(guī)則地豎直向上射出，而是呈放射狀向四周流出，類似于倒錐形.有靜壓箱時左右2個送風(fēng)射流速度矢量圖也并不完全對稱，說明左右2個風(fēng)口附近靜壓箱內(nèi)的流動不一致，架空地板下方幾何結(jié)構(gòu)對稱而流場并不對稱.對比有無靜壓箱時同一工況的溫度場，發(fā)現(xiàn)有靜壓箱時溫度分層效果被衰減，而且工作區(qū)整體溫度高于無靜壓箱時的工況.在靜壓箱內(nèi)部，靠近上層的空氣溫度較高，顯然受到了地板傳入的熱量影響.對比工況1與工況2的溫度場，發(fā)現(xiàn)隨著送風(fēng)速率的升高，豎直溫度梯度減小.

圖9進一步給出了各工況中水平截面的平均溫度隨高度的變化關(guān)系.對于沒有靜壓箱的工況，室內(nèi)呈現(xiàn)明顯的豎直溫度分層，而在采用了靜壓箱后，不僅溫度分層特性被衰減，低層工作空間的溫度也整體升高2℃以上.同時提高送風(fēng)溫度和送風(fēng)量時分層特性也會減弱，這與現(xiàn)場實測結(jié)果及其他學(xué)者［6-10］的觀點相符.

綜合室內(nèi)速度矢量圖與溫度場可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)靜壓箱存在時地板送風(fēng)口送風(fēng)溫度升高，從而導(dǎo)致人員工作區(qū)的溫度也相應(yīng)升高，進而使上熱下冷的豎直溫度梯度減小.當(dāng)送風(fēng)量增大時，送風(fēng)速率增大，動能增大、湍流度升高，使室內(nèi)空氣混合作用加強，也導(dǎo)致了溫度分層特性衰減.

圖7 Z＝2.25m豎直截面速度矢量Fig.7 Vector diagrams of the vertical section Z＝2.25m

圖8 Z＝2.25m豎直截面溫度場Fig.8 Temperature field of the vertical section Z＝2.25m

從靜壓箱的溫度場來看，在流速較低的工況1b中，靜壓箱內(nèi)存在明顯的上熱下冷溫度梯度，而在流量較大的工況2b中，僅在靜壓箱中間偏下位置存在低溫區(qū)，說明隨著流量流速增大，靜壓箱內(nèi)空氣的混合作用加強.工況2b比工況1b的流量增加了1/3，但是兩者最終的送風(fēng)溫度為21.9℃和21.2℃，僅相差0.7℃；而兩者的回風(fēng)溫度為29.3℃和26.7℃，相差2.6℃，這說明流量、流速的增加對于送風(fēng)溫度、人員工作區(qū)域的溫度降低效果并不顯著.對比工況2b與工況3b，兩者的流量相同，而工況3送入靜壓箱的溫度比工況2高1.5℃，兩者的送風(fēng)溫度分別為21.2℃和22.3℃，相差1.1℃；兩者的回風(fēng)溫度分別為26.7℃與27.8℃，也相差1.1℃，這說明改變空氣處理溫度對于靜壓箱內(nèi)的空氣混合度影響較小，室內(nèi)整體溫度發(fā)生改變，溫度曲線近似平移，梯度變化不大.

圖9 水平截面平均溫度隨高度變化曲線Fig.9 The variation of average temperature of horizontal sections at different heights

3 結(jié)論

采用現(xiàn)場實測和數(shù)值模擬的方法研究架空地板下靜壓箱對地板送風(fēng)系統(tǒng)室內(nèi)速度場、溫度場和熱平衡的影響，得到以下結(jié)論：

（1）靜壓箱會導(dǎo)致送風(fēng)溫度偏高，溫度分層特性衰減，人員工作區(qū)整體溫度升高，從而削弱地板送風(fēng)相對于全混送風(fēng)的優(yōu)勢.

（2）靜壓箱內(nèi)的空氣溫升承擔(dān)了約40%左右的室內(nèi)冷負(fù)荷，架空地板的防漏和保溫尤其重要.

（3）增大送風(fēng)量會同時增強靜壓箱內(nèi)以及室內(nèi)的空氣混合度，導(dǎo)致豎直溫度梯度減小.

（4）合理的內(nèi)外分區(qū)調(diào)節(jié)使氣流組織更加合理，有效避免吹風(fēng)感.

在現(xiàn)有的研究和工程設(shè)計中大多忽略了靜壓箱對室內(nèi)熱平衡和流場、溫度場的影響，導(dǎo)致實際應(yīng)用效果與設(shè)計時不符，室內(nèi)氣流組織的效果不如預(yù)期.有必要在本文基礎(chǔ)上進一步分析架空地板上下表面的傳熱特性，明確其在實際工程中的保溫要求，以保證地板送風(fēng)的整體性能.

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