地板送風(fēng)靜壓箱送風(fēng)均勻性研究

吳 姝 趙樹興 黃 隆 范 彬 安志紅 臧效罡

1天津城市建設(shè)學(xué)院能源與安全工程學(xué)院

2浙江華展工程研究設(shè)計(jì)院有限公司

3天津市城市建設(shè)規(guī)劃研究院

地板送風(fēng)靜壓箱送風(fēng)均勻性研究

吳 姝1趙樹興1黃 隆1范 彬2安志紅3臧效罡3

1天津城市建設(shè)學(xué)院能源與安全工程學(xué)院

2浙江華展工程研究設(shè)計(jì)院有限公司

3天津市城市建設(shè)規(guī)劃研究院

地板送風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)因其在熱舒適、室內(nèi)空氣品質(zhì)和節(jié)能性等方面的諸多優(yōu)點(diǎn)，在我國逐漸得到研究和應(yīng)用。本文采用CFD建立地板送風(fēng)靜壓箱模型，模擬分析了靜壓箱地板送風(fēng)系統(tǒng)靜壓箱高度、進(jìn)風(fēng)口位置及形狀對靜壓箱送風(fēng)均勻性的影響，可為工程設(shè)計(jì)提供參考。

地板送風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)均勻性靜壓箱高度

地板送風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)是利用架高地板的下部空間作為送風(fēng)靜壓箱，通過送風(fēng)靜壓箱上的地板送風(fēng)口將處理的空氣直接送到空調(diào)房間的工作區(qū)，因其所具有的節(jié)能性、靈活性、改善室內(nèi)熱舒適性及室內(nèi)空氣品質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)，近十年來在影劇院、體育館、辦公室等建筑中得到越來越多的應(yīng)用。但國內(nèi)應(yīng)用因起步較晚且缺少相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)范，還存在一定問題，因此，開展這方面的研究就顯得十分重要。地板靜壓箱送風(fēng)均勻性[1]（即每個(gè)地板送風(fēng)口都能送出相等的風(fēng)量）將直接影響到地板送風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的使用效果，而地板送風(fēng)靜壓箱的合理設(shè)計(jì)對于保證地板送風(fēng)均勻性至關(guān)重要。影響靜壓箱送風(fēng)均勻性的因素有很多，比如靜壓箱高度、進(jìn)風(fēng)口的位置和形狀、送風(fēng)口的密度及作用半徑等。本文重點(diǎn)研究了靜壓箱高度、進(jìn)風(fēng)口位置及形狀對送風(fēng)均勻性的影響。

本文采用地板送風(fēng)口送風(fēng)不平衡率χ作為衡量地板靜壓箱送風(fēng)均勻性的指標(biāo)。用式（1）表達(dá)：

式中：Ga為送風(fēng)口實(shí)際出風(fēng)量；Gd為送風(fēng)口設(shè)計(jì)風(fēng)量。

1 靜壓箱物理模型及網(wǎng)格劃分

建立靜壓箱物理模型如圖1所示。靜壓箱面積為82.26m2（9.07m×9.07m），共有16個(gè)送風(fēng)口，每個(gè)送風(fēng)口的設(shè)計(jì)風(fēng)量為158.4m3/h（靜壓箱的靜壓力為20Pa時(shí)每個(gè)送風(fēng)口的最大風(fēng)量為40～47L/s[2]，本文取中間值44L/s，即158.4m3/h），靜壓箱的總設(shè)計(jì)風(fēng)量為2600m3/h，進(jìn)風(fēng)口面積為0.24m2（1.1m×0.22m），進(jìn)風(fēng)口速度為3m/s。

圖1 靜壓箱物理模型

網(wǎng)格劃分：送風(fēng)口采用Quad/Tri網(wǎng)格單元，Pave網(wǎng)格類型；進(jìn)風(fēng)口及其他面采用Quad網(wǎng)格單元，Map網(wǎng)格單元；整個(gè)靜壓箱體采用Tet/Hybrid網(wǎng)格單元，TGrid網(wǎng)格類型[3]。這樣劃分網(wǎng)格容易成功。邊界條件設(shè)置：進(jìn)風(fēng)口為速度入口（velocity-inlet）；送風(fēng)口為壓力出口（pressure-outlet）；湍流模型為標(biāo)準(zhǔn)K-ε模型。使用的方程：連續(xù)性方程和動量守恒方程，方程的離散模式為二階迎風(fēng)格式。

2 靜壓箱高度對送風(fēng)均勻性的影響

在研究靜壓箱高度對送風(fēng)均勻性的影響時(shí)，本文一共設(shè)置了9種不同的靜壓箱高度，即100mm、110mm、120mm、150mm、200mm、220mm、250mm、280mm、300mm。根據(jù)所設(shè)置的靜壓箱高度，分別進(jìn)行了CFD模擬計(jì)算，最后得出各高度下送風(fēng)口不平衡情況如表1所示。

表1 靜壓箱高度對送風(fēng)均勻性的影響

由表1可以看出，隨著靜壓箱高度的增高，靜壓箱的送風(fēng)均勻性越來越好。這說明了，靜壓箱的送風(fēng)均勻性受到靜壓箱高度的影響，并且靜壓箱高度越大，送風(fēng)均勻性越好。

3 進(jìn)風(fēng)口位置對送風(fēng)均勻性的影響

在研究進(jìn)風(fēng)口位置對送風(fēng)均勻性的影響時(shí)，本文主要建立矩形進(jìn)風(fēng)口分別位于靜壓箱中央上吹、側(cè)面中部上吹、側(cè)面中部側(cè)吹三個(gè)位置的模型如圖1、圖2、圖3所示。選取靜壓箱高度220mm、250mm、280mm、300mm四種情況進(jìn)行模擬分析，模擬結(jié)果如表2。

圖2 側(cè)面中部（上吹）

圖3 側(cè)面中部（側(cè)吹）

表2 進(jìn)風(fēng)口位置對送風(fēng)均勻性的影響

從表2可以得出：當(dāng)進(jìn)風(fēng)口位于靜壓箱中央上吹時(shí)，隨著靜壓箱高度的增高，送風(fēng)口的不平衡率≤5%的個(gè)數(shù)逐漸增多，這就表明靜壓箱送風(fēng)均勻性越來越好；當(dāng)進(jìn)風(fēng)口位于靜壓箱側(cè)面中部上吹時(shí)，隨著靜壓箱高度的增高，其送風(fēng)口的不平衡率＞10%的個(gè)數(shù)越來越少，不平衡率逐漸趨近于5%，這也表明靜壓箱送風(fēng)均勻性也逐漸變好；當(dāng)進(jìn)風(fēng)口位于靜壓箱側(cè)面中部側(cè)吹時(shí)，隨著靜壓箱高度的增高，不平衡率大于10%的送風(fēng)口的個(gè)數(shù)居多，這說明靜壓箱的進(jìn)風(fēng)口不宜于處于靜壓箱的側(cè)面?zhèn)却?，否則會嚴(yán)重地影響靜壓箱的送風(fēng)均勻性，從而體現(xiàn)不出地板送風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)越性。

從以上分析中，靜壓箱的高度對靜壓箱送風(fēng)均勻性的影響是十分重要的，靜壓箱進(jìn)風(fēng)口位置對靜壓箱送風(fēng)均勻性的影響也與靜壓箱高度有一定的關(guān)系。從表2看出在相同靜壓箱高度時(shí)，進(jìn)風(fēng)口位于靜壓箱中央上吹時(shí)靜壓箱的送風(fēng)均勻性優(yōu)于進(jìn)風(fēng)口位于側(cè)面中部上吹的靜壓箱送風(fēng)均勻；同時(shí)也可以看出，當(dāng)進(jìn)風(fēng)口位于靜壓箱側(cè)面中部上吹時(shí)，隨著靜壓箱高度的增高，靜壓箱的送風(fēng)均勻性也越來越好，此結(jié)論在天津圖書館新館項(xiàng)目[4]中已得到驗(yàn)證。

4 進(jìn)風(fēng)口形狀對送風(fēng)均勻性的影響

為了研究進(jìn)風(fēng)口形狀對送風(fēng)均勻性的影響，本文設(shè)置了位于靜壓箱底面中央的圓形進(jìn)風(fēng)口與矩形進(jìn)風(fēng)口進(jìn)行對比分析，一共設(shè)置了10種不同的情況，其計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 進(jìn)風(fēng)口形狀對送風(fēng)均勻性的影響

從表3中可以看出，在靜壓箱高度為220mm、250mm、280mm時(shí)，圓形進(jìn)風(fēng)口的靜壓箱的送風(fēng)口的不平衡率≤5%的個(gè)數(shù)多于矩形進(jìn)風(fēng)口的靜壓箱，這說明，對于該模型靜壓箱高度h≤280mm時(shí)，圓形進(jìn)風(fēng)口的靜壓箱的送風(fēng)均勻性優(yōu)于矩形進(jìn)風(fēng)口的靜壓箱；在靜壓箱高度≥300mm時(shí)，圓形進(jìn)風(fēng)口的靜壓箱的送風(fēng)口的不平衡情況與矩形進(jìn)風(fēng)口的靜壓箱的送風(fēng)口幾乎相同，這說明，在靜壓箱高度h≥300mm時(shí)，圓形進(jìn)風(fēng)口的靜壓箱的送風(fēng)均勻性與矩形進(jìn)風(fēng)口的靜壓箱的送風(fēng)均勻性差不多。

下面給出h=220mm靜壓箱截面z=110mm和h=300mm靜壓箱截面z=150mm時(shí)的壓力和速度分布圖，如圖4～11所示。

圖4 h=220mm截面z=110mm壓力分布圖（矩形）

圖5 h=220mm截面z=110mm速度分布圖（矩形）

圖6 h=220mm截面z=110mm壓力分布圖（圓形）

圖7 h=220mm截面z=110mm速度分布圖（圓形）

圖8 h=300mm截面z=150mm壓力分布圖（矩形）

圖9 h=300mm截面z=150mm速度分布圖（矩形）

圖10 h=300mm截面z=150mm壓力分布圖（圓形）

圖11 h=300mm截面z=150mm速分布圖（圓形）

從以上分析可以知道，圓形進(jìn)風(fēng)口靜壓箱的送風(fēng)均勻性優(yōu)于矩形送風(fēng)口靜壓箱的送風(fēng)均勻性。

5 結(jié)論

1）地板送風(fēng)靜壓箱高度對靜壓箱送風(fēng)均勻性影響最為明顯。地板送風(fēng)靜壓箱高度越大，地板送風(fēng)靜壓箱的送風(fēng)均勻性就越好。就平面尺寸一定的靜壓箱而言，其靜壓箱高度存在一個(gè)低限值。譬如本文所建立的靜壓箱模型，其靜壓箱高度h≥150mm時(shí)送風(fēng)均勻性較好；而當(dāng)靜壓箱高度h＜150mm時(shí)，其送風(fēng)均勻性明顯變差。

2）地板送風(fēng)靜壓箱的進(jìn)風(fēng)口位置對其送風(fēng)均勻性也有明顯影響。模擬分析表明：進(jìn)風(fēng)口位于靜壓箱中央上吹時(shí)送風(fēng)均勻性優(yōu)于側(cè)面中部上吹及側(cè)吹。

3）地板送風(fēng)靜壓箱的進(jìn)風(fēng)口形狀對其送風(fēng)均勻性也有一定的影響。模擬分析表明：圓形進(jìn)風(fēng)口的送風(fēng)均勻性優(yōu)于矩形進(jìn)風(fēng)口的送風(fēng)均勻性。但考慮到圓形進(jìn)風(fēng)口施工方面帶來的困難，一般建議選用矩形進(jìn)風(fēng)口。

[1]范彬.地板送風(fēng)系統(tǒng)的模擬與實(shí)驗(yàn)研究[D].天津:天津城市建設(shè)學(xué)院,2012

[2]連之偉,馬仁民.下送風(fēng)空調(diào)原理與設(shè)計(jì)[M].上海:上海交通大學(xué)出版社,2006

[3]王福軍.計(jì)算流體動力學(xué)分析—CFD軟件原理與運(yùn)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004

[4]安志紅,趙樹興.天津圖書館新館空調(diào)設(shè)計(jì)[J].暖通空調(diào),2012, 42(2):22-25

The Stud y o f Plenunm Cham be r A ir Sup p ly Unm ifo rm ity o f Unde r-floo r A ir Dis tribu tion Sys tem

WU Shu1,ZHAO Shu-xing1,HUANG Long1,FAN Bin2,AN Zhi-hong3,ZANG Xiao-gang3
1Schoolof Energy and Safety Engineering,Tianjin InstituteofUrban Construction
2 Zhejiang Huazhan Instituteof Engineering Research Design
3 Tianjin InstituteofUrban Construction Planning

The underfloor air distribution system has been gradually applied for its advantages on thermal com fort indoor air quality and energy saving.CFD was carried out to build amodelof static pressure box in the UFAD system in this paper.Then the influence of the plenunm chamberheight,the distribution and the shape of the air distributor on the uniform ity of theairwere simulated and analyzed.The resultssuggestways to thedesign of thissystem.

underfloorairdistribution system,uniformity of theair,plenunm chamberheight

1003-0344（2014）02-064-4

2013-4-30

吳姝（1987～），女，碩士研究生；天津城市建設(shè)學(xué)院成德齋508（300384）；E-mail:ws13752672475@126.com