低溫送風(fēng)變風(fēng)量空調(diào)熱舒適性研究

黃忠杰，王亞林

(1.浙江省省直建筑設(shè)計(jì)院，浙江 杭州 310011；2.浙江省建筑設(shè)計(jì)研究院，浙江 杭州 310006)

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低溫送風(fēng)變風(fēng)量空調(diào)熱舒適性研究

黃忠杰1，王亞林2

(1.浙江省省直建筑設(shè)計(jì)院，浙江 杭州 310011；2.浙江省建筑設(shè)計(jì)研究院，浙江 杭州 310006)

摘要：以一個(gè)典型辦公房間為模型,通過(guò)對(duì)一款國(guó)產(chǎn)射流型低溫送風(fēng)口產(chǎn)品數(shù)值建模，對(duì)比研究了采用低溫送風(fēng)和常規(guī)風(fēng)機(jī)盤(pán)管散流器送風(fēng)這兩種不同送風(fēng)方式下，變送風(fēng)量工況時(shí)的房間速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)分布及舒適性指標(biāo)。結(jié)果表明，該類(lèi)型射流型風(fēng)口與變風(fēng)量空調(diào)結(jié)合，在較廣的送風(fēng)量變化范圍內(nèi)，均可實(shí)現(xiàn)很好的氣流分布和熱舒適性。

關(guān)鍵詞：低溫送風(fēng)；變風(fēng)量空調(diào)；熱舒適性

按送風(fēng)溫度的高低，低溫送風(fēng)空調(diào)通常可分為三大類(lèi)[1]。本文研究的低溫送風(fēng)是指送風(fēng)溫度范圍為6℃～8℃的第二類(lèi)低溫送風(fēng)，該送風(fēng)溫度適合與冰蓄冷技術(shù)結(jié)合，因而受到工程設(shè)計(jì)歡迎。

在低溫送風(fēng)發(fā)展早期，有人指出該系統(tǒng)的低溫射流容易下降到工作區(qū)，造成室內(nèi)人員的吹風(fēng)感，由于送風(fēng)溫度低這種不適感可能更為強(qiáng)烈[2]。出于以上顧慮，一些工程設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)低溫送風(fēng)工程時(shí)更傾向于采用帶風(fēng)機(jī)的混合動(dòng)力箱末端。但是，這種風(fēng)機(jī)動(dòng)力箱末端的小功率定速風(fēng)機(jī)甚至可完全抵消主送風(fēng)機(jī)因變頻調(diào)速節(jié)約的能耗，且小風(fēng)機(jī)的噪聲會(huì)降低室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量。

本文通過(guò)數(shù)值分析，力圖表明采用射流型低溫送風(fēng)口可實(shí)現(xiàn)很好的氣流分布和熱舒適性，并且指出其工況適用性，充分發(fā)揮低溫送風(fēng)的優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)空調(diào)末端系統(tǒng)的最優(yōu)節(jié)能效果。

1研究模型和方法

1.1空間與送風(fēng)布局模型

以位于杭州市錢(qián)江新城區(qū)域的某辦公大樓為研究背景，選取該大樓一側(cè)臨窗的典型辦公間為研究對(duì)象，其主體為長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)，尺寸為10.2 m×7.6 m×2.7 m(長(zhǎng)×深×高)。房間一面為通長(zhǎng)通高外窗(朝西)，其余三面均為內(nèi)墻。針對(duì)該研究對(duì)象，構(gòu)建了兩個(gè)送風(fēng)模型進(jìn)行研究。其中，模型一為該房間實(shí)際設(shè)計(jì)采用的低溫送風(fēng)模型，天花板上均勻布置6只低溫送風(fēng)口，使用一沿窗長(zhǎng)條型回風(fēng)口進(jìn)行回風(fēng)；模型二為對(duì)比模型，使用常規(guī)風(fēng)機(jī)盤(pán)管新風(fēng)系統(tǒng)，該模型采用典型設(shè)計(jì)，使用2只8#風(fēng)機(jī)盤(pán)管，300 mm×300 mm散流器送風(fēng)，200 mm×800 mm格柵風(fēng)口回風(fēng)。圖1為兩種模型的示意圖。

1.2風(fēng)口模型

低溫風(fēng)口模型參照該項(xiàng)目采用的國(guó)內(nèi)某品牌自主研發(fā)和制造的射流型方形低溫風(fēng)口建立。該風(fēng)口由復(fù)合材料一次成型，送風(fēng)芯體由許多圓形噴口組成，一次低溫風(fēng)以較高的速度經(jīng)過(guò)噴口，對(duì)周?chē)h(huán)境空氣產(chǎn)生強(qiáng)烈的誘導(dǎo)和卷吸，并形成二次風(fēng)。該風(fēng)口面板尺寸為600 mm×600 mm，頸部尺寸240 mm×240 mm。圖2給出了該低溫風(fēng)口的斷面示意圖。對(duì)于常溫散流器風(fēng)口，參照常見(jiàn)的普通型散流器建立模型，風(fēng)口頸部尺寸300 mm×300 mm，面板尺寸600 mm×600 mm。計(jì)算時(shí)，以風(fēng)口內(nèi)部噴口或風(fēng)口喉部斷面作為邊界條件，通過(guò)數(shù)值計(jì)算獲得風(fēng)口自身的流體力學(xué)特性，確保風(fēng)口出風(fēng)面流場(chǎng)更為接近真實(shí)情況。

圖1　送風(fēng)模型示意圖

圖2　低溫送風(fēng)口斷面示意圖

1.3變工況場(chǎng)景

為考察空調(diào)負(fù)荷變化時(shí)送風(fēng)特性的變化，計(jì)算考慮了表1所示的四種負(fù)荷不同場(chǎng)景下的邊界熱流密度構(gòu)成和室內(nèi)平均含濕量數(shù)據(jù)(根據(jù)室內(nèi)散濕量、空調(diào)送風(fēng)含濕量計(jì)算得到)。

表1　計(jì)算場(chǎng)景表

1.4數(shù)值計(jì)算方法

考慮到高速射流過(guò)程是高度復(fù)雜的三維非穩(wěn)態(tài)過(guò)程，屬于紊流運(yùn)動(dòng)，數(shù)值計(jì)算選用RNG的k-ε紊流模型，該模型可提高快應(yīng)變流動(dòng)計(jì)算精度。

對(duì)于房間各壁面，取無(wú)穿透不可滑移條件。為簡(jiǎn)化問(wèn)題，使控制方程適用于本問(wèn)題，作如下假設(shè)：室內(nèi)流體為不可壓縮常物性牛頓流體；空氣密度采用Boussinesq假設(shè)，即流體密度僅依賴溫度變化，與壓力無(wú)關(guān)；在近壁面處采用非平衡壁面函數(shù)法。忽略熱輻射對(duì)氣流組織的影響。

使用前處理軟件ICEM對(duì)風(fēng)口內(nèi)部流道及房間進(jìn)行整體建模，劃分六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，使用CFD計(jì)算軟件Fluent對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行數(shù)值求解。

2氣流組織與熱舒適性評(píng)價(jià)

本文采用空氣分布特性指標(biāo)(ADPI)和預(yù)計(jì)平均熱感覺(jué)指數(shù)PMV(predictedmeanvote)分別作為氣流組織和熱舒適性評(píng)價(jià)方法。

2.1空氣分布特性指標(biāo)

與定風(fēng)量系統(tǒng)不同，變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的氣流分布特性隨送風(fēng)量的改變而變化，類(lèi)似的風(fēng)機(jī)盤(pán)管系統(tǒng)隨著風(fēng)量調(diào)節(jié)也如此。對(duì)于低溫送風(fēng)變風(fēng)量系統(tǒng)，由于空調(diào)送風(fēng)與室內(nèi)空氣溫差較常規(guī)系統(tǒng)大，送風(fēng)量小，其氣流分布是否均勻?qū)崾孢m性影響尤為顯著。

考慮到人員活動(dòng)范圍，將高度0.2～1.8m，距離外窗0.5m以上的區(qū)域定義為工作區(qū)，本文只考察該區(qū)域的ADPI。為分析更全面，對(duì)落在工作區(qū)的所有計(jì)算網(wǎng)格每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)都計(jì)入ADPI樣本點(diǎn)，并以網(wǎng)格體積作為權(quán)重參與計(jì)算。計(jì)算所得的ADPI見(jiàn)表2。分析表2可見(jiàn)，對(duì)于參與分析的二種設(shè)計(jì)方案，無(wú)論是低溫送風(fēng)變風(fēng)量系統(tǒng)還是風(fēng)機(jī)盤(pán)管散流器系統(tǒng)都有較理想的氣流分布特性。需要指出的是，即便在送風(fēng)量很小的場(chǎng)景下，雖然氣流卷吸作用減弱，但是使用射流型風(fēng)口的低溫送風(fēng)系統(tǒng)，其工作區(qū)ADPI指標(biāo)也未見(jiàn)有明顯惡化。

表2　不同場(chǎng)景下工作區(qū)ADPI指標(biāo)匯總

2.2熱舒適性與送風(fēng)能量利用率

以往文獻(xiàn)對(duì)空調(diào)末端送風(fēng)系統(tǒng)的能量利用率一般均以送風(fēng)能量利用率為標(biāo)準(zhǔn)。這種分析未將送風(fēng)中含有的冷熱量和速度綜合加以考慮，因此不能充分反映送入到空調(diào)區(qū)的冷量與人的冷熱感之間的關(guān)系。因此，有必要考察同樣冷量投入到空調(diào)區(qū)后不同送風(fēng)形式對(duì)應(yīng)溫度的影響和PMV的差異。若同樣的送風(fēng)能量進(jìn)入房間可以使人獲得更冷的感受，則我們認(rèn)為這種方式有較好的能量利用率，在工程實(shí)踐中獲得同樣的熱舒適性可以減少空調(diào)能量的投入。

圖3～6分別給出了不同風(fēng)量負(fù)荷率場(chǎng)景下，離地1m高度截面處，兩種送風(fēng)模型的PMV指標(biāo)分布圖。左列為低溫送風(fēng)，右列為風(fēng)機(jī)盤(pán)管送風(fēng)。由圖可知，在離地1m高度處，兩種送風(fēng)系統(tǒng)均能達(dá)到讓人滿意或者基本滿意的空調(diào)環(huán)境。但是低溫送風(fēng)方式使人主觀感受更加涼快(PMV指標(biāo)更低)，且滿意度相對(duì)風(fēng)機(jī)盤(pán)管更高，尤其在空調(diào)負(fù)荷較低(送風(fēng)量也較低)的工況時(shí)這種情形更加明顯，此時(shí)的風(fēng)機(jī)盤(pán)管送風(fēng)系統(tǒng)更趨向于濕熱感，見(jiàn)表3。

圖3　Z=1.0 m高度PMV分布圖(一)

圖4　Z=1.0 m高度PMV分布圖(二)

圖5　Z=1.0 m高度PMV分布圖(三)

圖6　Z=1.0 m高度PMV分布圖(四)

場(chǎng)景場(chǎng)景描述加權(quán)平均|PMV|-0.5≤PMV≤0.5的點(diǎn)占整個(gè)工作區(qū)的比例/%-1≤PMV≤1的點(diǎn)占整個(gè)工作區(qū)的比例/%1-1低溫風(fēng)口100%0.22044793.0100.01-2低溫風(fēng)口75%0.20091195.7100.01-3低溫風(fēng)口50%0.22020195.6100.01-4低溫風(fēng)口25%0.4389973.5100.02-1散流器100%0.5725836.2096.522-2散流器75%0.477254.6796.742-3散流器50%0.446764.4996.752-4散流器25%0.93010.0474.36

3結(jié)語(yǔ)

使用CFD方法計(jì)算分析了不同負(fù)荷率場(chǎng)景下，變風(fēng)量低溫送風(fēng)系統(tǒng)與常規(guī)散流器風(fēng)機(jī)盤(pán)管系統(tǒng)氣流特性和室內(nèi)熱舒適性的差異。結(jié)論如下：

1)變風(fēng)量低溫送風(fēng)系統(tǒng)與常規(guī)散流器風(fēng)機(jī)盤(pán)管系統(tǒng)都能獲得讓人滿意的氣流分布指數(shù)(ADPI)，得益于低溫送風(fēng)系統(tǒng)更好的除濕能力;其所能獲得的熱感覺(jué)指數(shù)(PMV)要明顯優(yōu)于常規(guī)散流器風(fēng)機(jī)盤(pán)管系統(tǒng)。對(duì)于同樣的冷量供應(yīng)，低溫送風(fēng)使人主觀感受更加涼快，有利于降低空調(diào)能耗。

2)空調(diào)送風(fēng)量的變化，對(duì)房間ADPI指標(biāo)的影響不大，但是對(duì)PMV指標(biāo)的影響相對(duì)明顯，尤其是在較低風(fēng)量時(shí)，常規(guī)散流器風(fēng)機(jī)盤(pán)管系統(tǒng)的PMV指標(biāo)迅速惡化。相比較而言，變風(fēng)量低溫送風(fēng)系統(tǒng)在低送風(fēng)量條件下，仍能取得較好的PMV指標(biāo)。

3)選擇合適的送風(fēng)口形式和布置方式，是變風(fēng)量低溫送風(fēng)系統(tǒng)成功運(yùn)行的重要條件之一。對(duì)于本文所研究射流型低溫送風(fēng)口，它可在較大的送風(fēng)量變化范圍內(nèi)，取得良好的送風(fēng)效果。小風(fēng)量、多風(fēng)口的設(shè)計(jì)方法，在本文研究的工程項(xiàng)目中得到了成功應(yīng)用。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]BerglundLD.Comfortcriteriainalow-humidityenvironment.EPRITR-104373[S].ElectricPowerResearchInstitute,PaloAlto,CA, 1994.

[2]嚴(yán)德隆，張維群.空調(diào)蓄冷應(yīng)用技術(shù)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1997:245-247.

收稿日期：2016-01-27

作者簡(jiǎn)介：黃忠杰(1984—)，男，浙江樂(lè)清人，工程師，從事暖通設(shè)計(jì)工作。

中圖分類(lèi)號(hào)：TU834.5+2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1008-3707(2016)05-0055-05

Study on Thermal Comfort of Low-temperature VAV System

HUANG Zhongjie1, WANG Yalin2