不同送、回風口位置對辦公室溫度場分布的影響

張亞南

（珠海格力電器股份有限公司，廣東省珠海519070）

0 引言

辦公室是辦公人員主要的工作場所，辦公室的熱舒適性對辦公人員至關重要［1］。合理的送、回風口布置不僅可以創(chuàng)造良好的室內辦公環(huán)境，還能在一定程度上減少能耗。目前空調設計為了美觀，送、回風口的布置一般為均勻分布，未考慮室內人員分布、負荷分布、太陽輻射等因素，導致室內溫度分布不均 （外墻側熱，內墻側冷）、人員舒適感差異較大。如今，CFD被廣泛應用于室內氣流組織研究，能夠準確的反映室內溫度的分布，本文利用Airpark軟件對珠海某辦公室進行氣流組織仿真模擬，探討不同送、回風口位置對辦公室溫度場分布的影響。由于標準 κ－ε方程簡單方便［2］，且Discrete Ordinates（DO）輻射模型常用于輻射的研究［3］，因此選取標準 κ－ε方程及 Discrete Ordinates（DO）輻射模型作為軟件的基礎設定。

1 數據采集

本文以珠海某辦公室為研究對象，該辦公室坐西朝東，共安裝4臺格力ZF系列風機盤管FP－68WA／G。為保證模擬數據的真實性，對送風口實際風速及送風溫度進行測試，使用儀器包括溫度自記儀及熱線風速儀，其參數范圍見表1，測試結果見表2。

表1 儀器參數

表2 送風口參數

2 風口簡化

對于CFD仿真模擬，風口的定義十分重要，送風口處的氣流分布對室內氣流分布有著決定性作用，不同的送風口類型由于其自身特點，定義方式也不同。為了仿真計算的方便，對風口進行簡化。該辦公室送風口為方形散流器，對于方形散流器簡化常處理為等面積的矩形風口，雖然能夠保證流量一致，但流出方向差異較大，劉剛等人提出速度矢量法簡化方形散流器，其基本思想以送風口喉部尺寸為送風口尺寸，并將其劃分為4個小的送風口，每個送風口的流出方向與實際出流方向一致［4］，如圖1。

3 物理數學模型

3.1 物理模型

本文選取的研究對象為夏季工況下珠海某辦公室，該辦公室坐西朝東，西側墻為外墻，如圖2所示。辦公室尺寸為11.9m（長）×10.5m（寬）×3m（高），辦公區(qū)域實際面積為123m2，辦公室西外墻窗戶面積較大，南內墻為玻璃幕墻，其相鄰房間為空調房間。共有8個方形散流器送風口，送風口實際尺寸為0.6m×0.6m，取喉部送風尺寸簡化后為0.42m×0.42m，4個回風口實際尺寸為0.6m×0.6m。共有20個燈罩，每個燈罩內有2個熒光燈管。

圖1 速度矢量法風口定義圖

圖2 辦公室物理模型圖

3.2 數學模型

為簡化計算，對辦公室作如下假設：

（1）辦公室內空氣流動為穩(wěn)態(tài)湍流流動。

（2）辦公室內空氣為低速流動，可視為不可壓縮流體且符合Bossinesq假設［5］。

（3）不考慮辦公室漏風影響。

（4）送風口速度、溫度分布均勻。

基于以上假設，其控制方程為［6］：

圖3 改進前溫度分布圖

式中：ρ為空氣密度 （kg／m3）—速度矢量；φ—速度分量u、v及w；Γφ－φ對應變量的擴散系數；Sφ－φ所對應變量的源項。

3.3 邊界條件

室內熱源均采用定熱流量邊界條件，送風口采用速度入口邊界條件，回風口采用自由邊界，壁面采用定熱流密度邊界條件，數值模擬計算邊界條件見表3。

表3 室內參數及邊界條件

3.4 網格劃分

采用六面體網格［7］，X、Y、Z方向網格單元最大尺寸為0.6，對送風口進行加密，網格數量為1784146。

4 模擬結果及分析

4.1 改進前模型模擬結果

對該辦公室現(xiàn)有模型進行模擬計算，其模擬結果見圖3。

圖3溫度分布截取截面分別為：X方向通過左邊第一列人體截面、X方向通過第二列辦公桌中心截面、X方向通過第三列辦公桌中心截面及Y方向通過人體呼吸區(qū)截面。從溫度分布圖可以看出靠近西外墻側溫度明顯高于東內墻側溫度，近東墻人體感覺到冷而近西墻側人員感覺較熱，溫差最大相差3℃，這是由于西面墻側辦公人員受太陽輻射影響。南墻到北墻溫度分布呈升高趨勢，最高溫度相差2℃，這是由于北墻側辦公人員距風口距離較遠，送風不能覆蓋該區(qū)域，只能靠室內擾動降低溫度。整體對比發(fā)現(xiàn)辦公室西北角辦公區(qū)域為最熱區(qū)域，因為西南角辦公人員受太陽西曬影響且送風口送風不能覆蓋此區(qū)域。

基于以上分析發(fā)現(xiàn)辦公室送回風口存在兩大問題：

（1）該辦公室送回風口采用均勻布置，但實際負荷分布并不是均勻分布，這就導致西外墻側供不應求，而東內墻側供大于求，造成室內人員的不舒適感。

（2）送回風口均勻布置然而人員并非均勻布置，南墻側人員被送風口覆蓋面積較小，導致南墻側溫度高于北墻側，尤其是受太陽輻射的西北角溫度明顯高于無人員分布的東北角，最高溫差高達5℃。

上述問題是暖通設計的通病，設計人員在負荷計算后進行選型，設計圖紙時為了美觀性通常采用均勻分布，但室內負荷、人員等的分布并不是均勻的，采用均勻分布并不是送回風口的最佳布置方式，均勻布置將會導致負荷量需求大的區(qū)域得不到滿足，負荷量需求小的地方供大于求?；谠搯栴}對該辦公室送、回風口位置重新布置，此次布置的改進點如下：

（1）將送回風口向西外墻側移動，使可能多的風量覆蓋到西外墻側人員，同時減小了東內墻側的風量。

（2）將靠近南墻側的送風口移至南墻側桌子中間的正上方，保證有足夠的風量覆蓋到靠近南墻側人員。

4.2 改進后模型模擬結果

針對上節(jié)的改造點對室內送回風位置進行調整，調整后模型如圖3。改進后模擬結果如圖4。

圖4 辦公室改進后物理模型圖

圖5 改進后溫度分布圖

圖5溫度分布截取截面分別為：X方向通過左邊第一列人體截面、X方向通過第二列辦公桌中心截面、X方向通過第三列辦公桌中心截面及Y方向通過人體呼吸區(qū)截面。將圖5與圖3溫度分布進行對比，改進后室內溫度分布明顯優(yōu)于改進前。從改進后溫度分布圖可以看出靠近西外墻側溫度與東墻側溫度趨于均勻，溫差縮小至0.8℃。南墻與北墻溫度最高溫溫差縮小至0.4℃，說明調整后送風可以覆蓋該區(qū)域。整體發(fā)現(xiàn)辦公室西南角辦公區(qū)域與東北角區(qū)域溫差縮小至1.5℃。對辦公室風口位置改進后，溫度分布整體趨于均勻，水平最大溫差在1.5℃內，整體區(qū)域較為舒適。

5 結論

本文利用Airpark軟件對珠海某辦公室不同送、回風口位置進行仿真模擬，分析比較得出如下結論：

（1）送回風口均勻布置并不是最佳布置方式。室內送回風口均勻布置時，室內溫度分布并不均勻，會導致負荷需求大的區(qū)域溫度過高；負荷需求小的區(qū)域溫度過低，從而導致兩個區(qū)域的人員都不舒適，最大溫差高達5℃。

（2）進行送回風口位置設計時要綜合考慮室內布局、人員分布、外墻位置、太陽輻射等，使負荷需求與風量覆蓋成正比。改造后室內溫度分布均勻，最大溫差由5℃縮小至1.5℃。

（3）對于非均勻布置的辦公室，在進行風口圖紙設計前應先進行仿真模擬，找出最佳風口位置以保證辦公室溫度分布的均勻性。

參考文獻：

［1］仉洪云，陳次昌，魏存祥，等.空調送風角對辦公室氣流組織影響的數值研究 ［J］.建筑熱能通風空調，2008，27（4）：52－55.

［2］Launder B E，Spalding D.The numerical computation of turbulent flows［J］.Computer methods in applied mechanics and engIneerIng，1974，3（2）.269－289.

［3］Modest M F.Radiative heat transfer［M］.Academicpress，2013.

［4］劉剛，吳春燕.方形散流器風口速度場數值模擬［J］.東華大學學報 （自然科學版），2003，29（6）：27－29.

［5］Lin Z，Chow TT，Tsang CF，et al.Stratum ventilation—A potential solution to elevated indoor temperatures［J］.Building and Environment.2009，44（11）.

［6］譚雙，孫麗穎.辦公室應用輻射供暖加新風系統(tǒng)的氣流組織研究 ［J］.流體機械，2016（10）：59－64.

［7］狄育慧，王善聰.利用Airpark模擬室內氣流組織的誤差分析 ［J］.西安建筑科技大學學報 （自然科學版），2013，45（1）：73－78.