百葉風(fēng)口的對(duì)開(kāi)張角對(duì)室內(nèi)熱舒適性及能耗影響分析

劉鵬飛，陳煥新?，王江宇，雷艷杰，張軍，孫策

（1-華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖北武漢 430074；2-北京華譽(yù)能源技術(shù)股份有限公司，北京 100083）

0 引言

隨著社會(huì)的快速進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，人們的經(jīng)濟(jì)水平不斷提高，這也使得人們對(duì)生活環(huán)境有了更高水平的要求?，F(xiàn)如今，人們的大部分時(shí)間都是在室內(nèi)度過(guò)，而室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量的優(yōu)劣取決于室內(nèi)氣流組織的分布。我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]規(guī)定，舒適空調(diào)室內(nèi)溫、濕度參數(shù)如下：夏季溫度24 ℃～28 ℃，濕度40%～65%，空氣流速小于0.3 m/s。

1 模型的建立

1.1 物理模型

本文所研究的空調(diào)辦公室房間尺寸為5.5 m×4.0 m×3.5 m，中央空調(diào)的單層百葉風(fēng)口位于房間左側(cè)，其尺寸為0.8 m×0.2 m，回風(fēng)口尺寸0.8 m×0.2 m，辦公桌尺寸為2.0 m×1.5 m×0.8 m，書(shū)柜緊貼墻壁，對(duì)室內(nèi)氣流組織影響較小，故不予考慮，日光燈管由于體積較小，且一般白天不開(kāi)，故忽略。工作人員兩名，大部分時(shí)間人員靜坐在電腦前，而電腦體積較小，為簡(jiǎn)化模型，將電腦和人體一同等效為一個(gè)長(zhǎng)方體，等效尺寸為0.6 m×0.3 m×1.2 m，其熱流密度為100 W/m2，整體模型如圖1所示。

圖1 房間模型圖

1.2 風(fēng)口模型

空調(diào)通風(fēng)房間實(shí)際的送風(fēng)口幾何形狀很復(fù)雜，其入口的邊界條件往往難以直接描述。目前描述風(fēng)口的模型眾多，各有優(yōu)缺點(diǎn)，本文以“N點(diǎn)風(fēng)口動(dòng)量模型”為基礎(chǔ)，結(jié)合“局部定義法”來(lái)描述百葉風(fēng)口。

N點(diǎn)風(fēng)口動(dòng)量模型使用N個(gè)簡(jiǎn)單的開(kāi)口代替不同出流方向，從而簡(jiǎn)化對(duì)入流邊界條件的描述，對(duì)于N的取值，則需要視出流條件而定。但N點(diǎn)動(dòng)量風(fēng)口模型只能實(shí)現(xiàn)于清華大學(xué)自主開(kāi)發(fā)的三維通用CFD軟件STACH-3中，一般的CFD軟件或者傳統(tǒng)的流體流動(dòng)數(shù)值模擬算法都無(wú)法實(shí)現(xiàn)[21]。局部定義法則是傅斌在“N點(diǎn)風(fēng)口動(dòng)量模型”的基礎(chǔ)之上，使用相應(yīng)的算法，使之能夠在商用CFD軟件上實(shí)現(xiàn)。

在本文中，百葉風(fēng)口的尺寸為0.8 m×0.2 m，有效面積系數(shù)為0.75，出流方向分為兩種情況，即N=1和N=3。當(dāng)N=1時(shí)，出流方向角度為0°；N=3時(shí)，葉片對(duì)開(kāi)，目前市面上常見(jiàn)的對(duì)開(kāi)角度分別為20°、30°以及45°。圖2為典型百葉風(fēng)口送風(fēng)示意圖。

圖2 典型百葉送風(fēng)口送風(fēng)示意圖

1.3 數(shù)學(xué)模型

標(biāo)準(zhǔn)κ-ε湍流模型在工程運(yùn)用上的準(zhǔn)確性已經(jīng)得到了大量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，精度可靠，且對(duì)于大渦模擬等，計(jì)算量要小很多[11]。為此需要如下假設(shè)：

1）室內(nèi)空氣低速流動(dòng)，為不可壓縮流體且符合Boussinesq假設(shè)；

2）流動(dòng)為穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，在入口處送風(fēng)射流參數(shù)均勻，室內(nèi)空氣物性為定值；

1.2 方法 對(duì)照組孕產(chǎn)婦無(wú)定期產(chǎn)檢，按照個(gè)人意愿進(jìn)行保健措施。觀察組孕產(chǎn)婦嚴(yán)格按照下述原則執(zhí)行孕期保?。孩僭挟a(chǎn)婦早孕期首診時(shí)建立電子孕產(chǎn)婦保健系統(tǒng)檔案，并給予孕婦孕產(chǎn)期保健手冊(cè)；②定期發(fā)放相關(guān)宣傳資料，定期開(kāi)辦孕婦學(xué)校及講座；③制定產(chǎn)檢計(jì)劃，及時(shí)發(fā)現(xiàn)相關(guān)并發(fā)癥、合并癥并給予積極處理；④對(duì)胎兒實(shí)施監(jiān)護(hù)，了解胎兒宮內(nèi)生長(zhǎng)狀況、有無(wú)發(fā)育畸形等。

3）空調(diào)開(kāi)啟時(shí)，門(mén)窗一般都處于緊閉狀態(tài)，故不考慮漏風(fēng)的影響；

4）忽略四周墻壁及室內(nèi)物體的輻射熱，忽略能量方程中由于粘性作用引起的能量耗散。

2 網(wǎng)格劃分及邊界條件

2.1 網(wǎng)格劃分

辦公室空調(diào)房間送風(fēng)口為百葉風(fēng)口，辦公室內(nèi)實(shí)際的百葉風(fēng)口的尺寸為0.8 m×0.2 m，有效面積系數(shù)為0.75，所以模型中的百葉風(fēng)口尺寸為0.60 m×0.15 m。網(wǎng)格質(zhì)量的高低是影響計(jì)算精度的一個(gè)重大影響因素，高質(zhì)量的網(wǎng)格往往能夠加快收斂速度，得到更精確的解。本文借助網(wǎng)格劃分軟件ICEM，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分計(jì)算域，網(wǎng)格質(zhì)量最低為0.905，網(wǎng)格數(shù)量為920,915，圖3為網(wǎng)格劃分圖。

圖3 網(wǎng)格劃分圖

2.2 邊界條件的設(shè)置

1）入口邊界：送風(fēng)口定義為速度入口，根據(jù)《暖通空調(diào)送風(fēng)風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定百葉風(fēng)口的送風(fēng)速度為2.5 m/s～4 m/s，為了減小吹風(fēng)感，選取風(fēng)口頸部的送風(fēng)速度2.5 m/s，兩側(cè)風(fēng)口的出風(fēng)速度按照文獻(xiàn)[21]中的公式進(jìn)行計(jì)算，室內(nèi)設(shè)定溫度為26 ℃，送風(fēng)溫度為23 ℃，方向分別為0°、20°、30°、45°。根據(jù)相應(yīng)的公式計(jì)算出湍流強(qiáng)度I為4.20%，湍流粘度比ut/u為86.54。

2）出口邊界：回風(fēng)口定義為自由出流。

3）壁面邊界：空調(diào)房?jī)?nèi)壁面邊界設(shè)為恒溫邊界，按照如圖2所示方位，前面的墻壁由于直接吸收太陽(yáng)的輻射，溫度較高，溫度T為309.15 K，后墻靠近走廊，溫度T為301.15 K，其余四面墻壁由于和其他空調(diào)房間相連，均視為絕熱壁面；電腦與人同為熱源體，等效熱流密度為100 W/m2。辦公桌不散發(fā)熱量，僅作為障礙物處理。

4）計(jì)算模型選用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε兩方程紊流模型，近壁面區(qū)域選用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法，采用SIMPLE算法。

邊界條件設(shè)置完成以后，在空調(diào)房間內(nèi)設(shè)立3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，以便觀測(cè)房間內(nèi)流場(chǎng)的收斂情況，作為判斷收斂的主要依據(jù)。3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)分別為：point-1（2.75，2，1.1），point-2（1.25，2，1.1），point-3（4.25，2，1.1）。

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 室內(nèi)溫度場(chǎng)與速度場(chǎng)分析

由于人體的溫度敏感區(qū)位于頭部和腳踝處，室內(nèi)人員坐姿時(shí)頭部的高度約1.1 m，腳踝處高度約為0.1 m。因此，選取這兩個(gè)截面的溫度和速度分布來(lái)評(píng)判室內(nèi)的熱舒適度。

圖4～圖7分別為對(duì)開(kāi)角度為0°、20°、30°和45°時(shí)室內(nèi)溫度場(chǎng)與速度場(chǎng)的分布情況。

圖4 對(duì)開(kāi)角度為0°時(shí)溫度和速度分布云圖

圖5 對(duì)開(kāi)角度為20°時(shí)溫度和速度分布云圖

圖6 對(duì)開(kāi)角度為30°時(shí)溫度和速度分布云圖

圖7 對(duì)開(kāi)角度為45°時(shí)溫度和速度分布云圖

3.2 室內(nèi)熱舒適性評(píng)價(jià)——PMV評(píng)價(jià)

預(yù)測(cè)平均熱感覺(jué)指標(biāo)PMV，是丹麥FANGER教授在人體熱平衡方程的基礎(chǔ)上，通過(guò)收集1,396名受試者的冷熱感覺(jué)資料后，提出的用于評(píng)價(jià)人體熱舒適性的一個(gè)數(shù)值指標(biāo)[22]。

ISO以及ASHRAE等組織依據(jù)FANGER教授的PMV-PPD指標(biāo)，規(guī)定室內(nèi)熱環(huán)境的舒適標(biāo)準(zhǔn)為-0.5＜PMV＜0.5，相應(yīng)的PPD為PPD＜10%。而我國(guó)很多學(xué)者認(rèn)為,上述指標(biāo)要求太高，在我國(guó)大部分地區(qū)難以實(shí)現(xiàn)，而且亦無(wú)必要。所以一般認(rèn)為可以接受舒適熱環(huán)境的PMV為-1.0＜PMV＜1.0，相應(yīng)的PPD小于26%。因此，通過(guò)FLUENT中相應(yīng)的功能，將PMV值超過(guò)小于-1或大于1的區(qū)域切除。圖8為不同對(duì)開(kāi)角度下截面Z=1.1 m處的PMV云圖。

觀察云圖容易發(fā)現(xiàn)，對(duì)開(kāi)角度為20°時(shí)，截面的PMV值基本上全部位于-1～1之間，并且PMV值分布也較為均勻，在工作人員附近的PMV值大部分位于-0.4～0.4，PMV接近1或-1的區(qū)域也很少，熱舒適性在水平面上是4種對(duì)開(kāi)角度中是最好的；當(dāng)對(duì)開(kāi)角度為0°時(shí)，左下角有小塊區(qū)域不符合要求，結(jié)合圖4(b)的風(fēng)速分布分析，由于送風(fēng)口垂直于風(fēng)口送風(fēng)，導(dǎo)致左下角和右上角均出現(xiàn)送風(fēng)死角，而外墻的溫度較內(nèi)墻高，這才導(dǎo)致了左下角的PMV值過(guò)大；當(dāng)對(duì)開(kāi)角度為30°時(shí)，靠近外墻的工作人員附近以及外墻附近有一部分不符合；當(dāng)對(duì)開(kāi)角度為45°時(shí)，整體上是符合要求的，但是工作人員附近有小部分區(qū)域偏離設(shè)定值。

圖8 不同對(duì)開(kāi)角度下截面Z=1.1 m處的PMV云圖

為進(jìn)一步分析室內(nèi)垂直方向上的熱舒適性，選取Y=1 m（工作人員附近）截面處的PMV云圖進(jìn)行分析。圖9是不同對(duì)開(kāi)角度關(guān)于截面Y=1 m處的PMV云圖。

觀察圖9可以看出，在側(cè)送側(cè)回的通風(fēng)方式下，氣流從上部沿直線方向進(jìn)入室內(nèi)，部分冷空氣從風(fēng)口進(jìn)入房間以后，逐漸沉降地面，另一部分冷空氣沿著循環(huán)路徑與室內(nèi)空氣進(jìn)行換熱，然后受熱力影響上升到房間上部，形成下部適中，中上部稍暖的空氣分層現(xiàn)象。這種現(xiàn)象同樣反映到PMV值上，即房間中上部的PMV值高，下面的偏低。并且可以看到，對(duì)開(kāi)角度為20°時(shí)，除去接近天花板處的PMV過(guò)低之外，其余區(qū)域的PMV值的分布是非常均勻的，而天花板附近并不是工作區(qū)，所以在垂直方向上同樣是20°度最為合理。

圖9 不同對(duì)開(kāi)角度關(guān)于截面Y=1 m處的PMV云圖

分析對(duì)開(kāi)角度為0°的截面，新風(fēng)射流從風(fēng)口進(jìn)入室內(nèi)以后，它與周?chē)o止流體之間存在速度不等的間斷面，間斷面一般會(huì)受到不可避免的干擾，從而失去穩(wěn)定而產(chǎn)生渦旋，卷吸周?chē)黧w進(jìn)入射流，同時(shí)不斷移動(dòng)、變形、分裂產(chǎn)生紊動(dòng)，其影響逐漸向內(nèi)外兩側(cè)發(fā)展形成自由紊動(dòng)的混合層。卷吸和摻混的結(jié)果就導(dǎo)致射流斷面不斷擴(kuò)大，而流速則不斷降低，流量沿程增加。在這期間，部分低溫氣流向下沉降，較多的氣流仍繼續(xù)沿著原來(lái)的方向繼續(xù)流動(dòng)，最終撞擊到墻壁，致使大部分氣流沿墻壁向下流動(dòng)，沿地板回流至回風(fēng)口。而工作人員的工作區(qū)域偏離中軸面較遠(yuǎn)，冷空氣進(jìn)入室內(nèi)后，大部分氣流的循環(huán)路徑都是圍繞在中軸面附近，只有少部分氣流能夠循環(huán)經(jīng)過(guò)工作人員上方，吸熱有限。而且剛剛從風(fēng)口出來(lái)的射流由于速度較快，冷氣流沉降時(shí)間有限，氣流向下沉降的不多，但射流軸心速度衰減較快，所以后半段的冷空氣沉降要比前半段多，這就解釋了為何截面左中部的PMV偏高。

3.3 能耗分析

根據(jù)模擬的結(jié)果，導(dǎo)出4種工況下各壁面的熱流量，匯總于表1。

對(duì)比4種工況的熱流量，可以發(fā)現(xiàn)，不同工況下各壁面熱流量相差較大。由于4種工況下，只有對(duì)開(kāi)角度不同，其余各條件都是相同的，除了前后壁面有熱流的進(jìn)出，其它四面都是絕熱面，沒(méi)有熱流量的進(jìn)出，所以前后壁面的熱流量的高低可以用來(lái)定性地分析該房間的能耗。工況二（20°）的熱流量是最少的，工況一（0°）熱流量最多。這說(shuō)明，在對(duì)開(kāi)角度為20°的情況下，房間的能耗是最小的，當(dāng)對(duì)開(kāi)角度為0°時(shí)，能耗是最大的。并且可以發(fā)現(xiàn)，隨著送風(fēng)角度的變大，總熱流量是先減小后增加的，可能在0°～30°下存在一個(gè)極小值。

表1 不同工況下壁面的熱流量（W）

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)夏季一典型辦公室內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，比較百葉風(fēng)口在不同對(duì)開(kāi)角度下室內(nèi)溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)、PMV分布以及能耗，得出以下結(jié)論：

1）通過(guò)數(shù)值模擬，得到了室內(nèi)溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)及PMV熱舒適性指標(biāo)，根據(jù)這些指標(biāo)可以對(duì)室內(nèi)熱舒適性進(jìn)行直觀且科學(xué)合理的預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)；

2）通過(guò)定性分析4種工況下的能耗，得出當(dāng)對(duì)開(kāi)角度為20°時(shí)的能耗是最低的。并且發(fā)現(xiàn)隨著送風(fēng)角度的變大能耗隨之變化的規(guī)律，在0～30°，可能存在一個(gè)對(duì)開(kāi)角度，使能耗最低；

3）本文通過(guò)對(duì)比4種工況，對(duì)特定模型下室內(nèi)熱舒適性進(jìn)行比較，得出當(dāng)對(duì)開(kāi)角度為20°時(shí)，室內(nèi)溫度以及速度分布比較均勻，熱舒適性是最優(yōu)的，并且能耗最小。而對(duì)于其他的對(duì)開(kāi)角度，或多或少都存在部分區(qū)域不符合標(biāo)準(zhǔn)。

由于條件所限，本文未對(duì)模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，但本文的模擬結(jié)果可以為相關(guān)工作人員提供借鑒，為優(yōu)化室內(nèi)流組織設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)和科學(xué)指導(dǎo)，從而優(yōu)化室內(nèi)的氣流組織設(shè)計(jì)。

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