基于Airpak的空調(diào)送風(fēng)方式對室內(nèi)熱環(huán)境影響分析

劉鑫，張欣，韓非，王海濤

(1.安徽建筑大學(xué) 環(huán)境與能源工程學(xué)院，安徽 合肥，230601；2.安徽兩淮建設(shè)有限責(zé)任公司，安徽 合肥，230088)

0 引言

空調(diào)能提供一個舒適健康且滿足工作、生活的室內(nèi)人工環(huán)境，多數(shù)空調(diào)是向房間送入和排出空氣，不同空間布局的房間、不同的送風(fēng)口、回風(fēng)口和排風(fēng)口的位置、不同送風(fēng)量等都影響著室內(nèi)空氣的流速分布、溫濕度分布和污染物濃度分布。在暖通空調(diào)領(lǐng)域，承載能量的載體是空氣，空氣在室內(nèi)流動的過程中，將其攜帶的能量與室內(nèi)空氣進(jìn)行交換，空調(diào)設(shè)計者應(yīng)組織空氣合理流動，以營造合理的室內(nèi)熱環(huán)境。因此，有必要預(yù)測不同空氣流動方式下，即空調(diào)在不同的送風(fēng)方式下，室內(nèi)的熱濕環(huán)境狀況。目前有四種預(yù)測空調(diào)房間內(nèi)空氣分布的方法:射流理論分析、模型實(shí)驗(yàn)、區(qū)域模型以及基于計算流體力學(xué)方法(CFD，computational fluid dynamics)的數(shù)值模擬。自20世紀(jì)40年代起，世界各地眾多學(xué)者以機(jī)械通風(fēng)房間送風(fēng)口的射流為研究對象，對其特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和理論研究，十幾年的時間內(nèi)，建立了一系列射流公式，并將其用于室內(nèi)空氣分布的預(yù)測，成為當(dāng)時最簡單的室內(nèi)空氣分布預(yù)測方法[1]。Zonal模型正式被提出的時間為1970年，源于對供暖房間溫度分層的研究分析[2]。此后，研究人員利用該模型對各種形式的房間和氣流形式進(jìn)行研究，對房間內(nèi)的自然通風(fēng)量、溫度分布等進(jìn)行預(yù)測，當(dāng)時提出該模型限于用于自然通風(fēng)，后期有學(xué)者根據(jù)研究結(jié)果提出該方法改進(jìn)后也可用于機(jī)械通風(fēng)[3]。以相似理論為理論依據(jù)的模型實(shí)驗(yàn)為預(yù)測房間空氣分布最可靠的方法，在等比放大或等比縮小的實(shí)物模型中，通過測量流體各物性參數(shù)，從而對室內(nèi)空氣分布作出預(yù)測[4]。利用CFD，可以對室內(nèi)空氣流動進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果能夠清晰反映空氣流動所形成的速度場、溫度場、濕度場以及有害物濃度場，為空調(diào)房間營造合理氣流組織，提高室內(nèi)空氣品質(zhì)等提供理論依據(jù)，為空調(diào)設(shè)計提供技術(shù)支持。

國內(nèi)，趙彬等以置換通風(fēng)房間為研究對象，利用CFD軟件對室內(nèi)的溫度場和速度場進(jìn)行數(shù)值模擬，根據(jù)模擬結(jié)果，對房間的空氣品質(zhì)、熱舒適性進(jìn)行評價，從而優(yōu)化置換通風(fēng)設(shè)計[5]?；瘉單簩Υ笮腕w育館不同送風(fēng)方式的節(jié)能效果和溫度場進(jìn)行比較，得出下送上回送風(fēng)方式優(yōu)于上送下回[6]；吳丹尼等通過模擬得出側(cè)送下回送風(fēng)方式中影響室內(nèi)室內(nèi)溫度場和溫度下降的主要因素[7]；李楊等對室內(nèi)柜式空調(diào)三種送風(fēng)角度進(jìn)行數(shù)值模擬，得出各自流場和溫度分布特點(diǎn)[8]；黃壽元等利用CFD軟件模擬得出柜式空調(diào)機(jī)組位于東墻中心時室內(nèi)溫度場和速度場的分布[9]；湯強(qiáng)等模擬三種不同送風(fēng)速度在固定送風(fēng)方式下的溫度場，表明送風(fēng)速度影響室內(nèi)熱環(huán)境[10]；劉彩霞等利用CFD軟件模擬某帶空調(diào)辦公室在開門和關(guān)門狀態(tài)下氣流組織變化，表明氣流組織對室內(nèi)區(qū)域的的熱環(huán)境產(chǎn)生影響[11]。

國外，丹麥人P.V.Nielsen是第一個使用k-ε流體湍流模型用于室內(nèi)空氣流動模擬，他利用流體的函數(shù)公式和流體的渦旋公式的組合對封閉的二維流動方程進(jìn)行了數(shù)值求解[12]。Markatos等對大型電視播送室進(jìn)行CFD數(shù)值模擬，得出室內(nèi)三維流動和傳熱特性，為改善大空間的空調(diào)設(shè)計提供依據(jù)[13]。King Alan R等人利用CFD對高大空間、高負(fù)荷的房間進(jìn)行分層空調(diào)系統(tǒng)的研究，并與普通房間空調(diào)系統(tǒng)能耗作比較[14]。Lee和Kisup等人利用CFD分別討論了分層空調(diào)系統(tǒng)在風(fēng)口位置、空間類型等不同因素對空調(diào)效果的影響[15]。Zítek等人利用CFD技術(shù)對客機(jī)機(jī)艙內(nèi)的氣流組織進(jìn)行模擬，從而優(yōu)化機(jī)艙內(nèi)氣流組織形式的設(shè)計[16]。

前人的研究成果中，利用CFD模擬技術(shù)對各種類型的大空間，各種類型的氣流組織進(jìn)行過數(shù)值模擬，其模擬結(jié)果可以為改善大空間的熱環(huán)境和氣流組織形式提供依據(jù)。對于小型空間，如辦公室不同送風(fēng)方式下對室內(nèi)熱環(huán)境的影響研究較少，利用CFD模擬技術(shù)可對小空間內(nèi)空調(diào)所營造的室內(nèi)熱環(huán)境進(jìn)行模擬，揭示固定送風(fēng)方式下不同送風(fēng)速度、不同送風(fēng)角度對室內(nèi)熱環(huán)境的影響。本文利用Airpak軟件通過對辦公室內(nèi)常見頂部側(cè)送下回、底部側(cè)送側(cè)回、頂部下送側(cè)回的三種空調(diào)送風(fēng)方式進(jìn)行數(shù)值模擬，通過對模擬結(jié)果的對比分析，以選擇最適合該辦公室的空調(diào)送風(fēng)方式的氣流組織，為改善空調(diào)房間的熱環(huán)境設(shè)計提供方法和理論依據(jù)。

1 數(shù)學(xué)模型

在數(shù)學(xué)模型上，本文采用陳清焰教授在1998年提出的零方程模型[17](Zero Equation model)，該模型的基本思想是將湍流黏度歸結(jié)為當(dāng)?shù)仄骄俣群烷L度尺度的函數(shù)，此方程不需要求解微分方程，而是用代數(shù)關(guān)系式把湍流粘性系數(shù)與時均值相聯(lián)系，相對雙方程k-ε湍流模型，其處理室內(nèi)問題更容易收斂且節(jié)約計算資源。Airpak軟件也是基于零方程模型，并采用有限體積法(FVM，F(xiàn)inite Volume Method)離散的方法[18]，通過對流體流動的基本方程(連續(xù)性方程、能量守恒方程和動量守恒方程)的數(shù)值求解可以獲得流場內(nèi)各個位置上的基本物理量(包括溫度、濕度、壓力、速度、濃度等)的分布。根據(jù)實(shí)際情況及數(shù)值模擬需要，假設(shè)室內(nèi)空氣為不可壓縮流體，并且符合Bossinesq假設(shè)[19]；

(1)室內(nèi)空氣的流態(tài)為穩(wěn)態(tài)紊流；

(2)忽略圍護(hù)結(jié)構(gòu)及室內(nèi)物體間的輻射換熱；

(3)室內(nèi)空氣為輻射透明體；

(4)不考慮門、窗縫隙的漏風(fēng)影響，認(rèn)為室內(nèi)與外界沒有空氣交換。

根據(jù)假設(shè)，基本的數(shù)學(xué)模型即控制方程通用形式:

式中:ρ為空氣密度(kg/m3)；U為速度矢量(在坐標(biāo) X、Y、X 的分速度分別為 u、v、w)；φ為通用變量，代表分速度(u、v、w；單位:m/s)及溫度(T；單位:K)等變量；Γ為廣義擴(kuò)散系數(shù)；S為廣義源。

2 物理模型及模擬方法

2.1 物理模型

本文以某大樓的辦公室為研究對象，該房間的幾何尺寸為:長(L)×寬(B)×高(H)=8.5 m×5.8 m×3.5 m，南墻有一扇2.05 m×0.95 m的門與走廊相連，門的側(cè)上方開有2扇1.15 m×0.55 m的小窗，窗橫向間距0.5m；北墻上開有6扇窗戶與室外環(huán)境相連，3扇1.15 m×0.55 m的小窗，窗橫向間距0.3 m，3扇1.55 m×1.35 m的大窗，窗橫向間距0.3 m，上下窗縱向間距0.25 m；東西面墻則與空調(diào)房間相連，故邊界條件可設(shè)為絕熱，辦公室內(nèi)有8名學(xué)生，處于坐狀態(tài)，每人配置一臺電腦，室內(nèi)2盞日光燈。具體辦公設(shè)備及人員分布的物理模型如圖1所示。

圖1 辦公室的三維物理模型

為選擇最合適的空調(diào)位置及送風(fēng)方式，針對此物理模型，本文選擇了三種常見的空調(diào)擺放位置及對應(yīng)的送風(fēng)方式，第一種為北墻頂部側(cè)送下回，空調(diào)的送風(fēng)口位于北墻的中心位置上，風(fēng)口中心軸線距頂棚0.5 m，如圖2中①圖；第二種為北墻底部側(cè)送側(cè)回，空調(diào)的送風(fēng)口位于北墻的中心位置上，風(fēng)口中心軸線距地面0.5 m，如圖2中②圖；第三種為中間頂部頂送側(cè)回，風(fēng)口位于房間的正中央，風(fēng)口斷面距頂棚0.5 m，如圖2中③圖。具體的模型如圖2所示。

圖2 空調(diào)在房間的不同擺放位置

2.2 模擬方法

除控制方程的選擇以及模擬假設(shè)外，對模擬結(jié)果好壞起決定性影響的就是邊界條件和網(wǎng)格劃分。因此在計算前應(yīng)該合理確定邊界條件以及進(jìn)行計算區(qū)域網(wǎng)格劃分。

2.2.1 邊界條件設(shè)置

邊界條件設(shè)置是否合理直接決定模擬的結(jié)果是否準(zhǔn)確，所以邊界條件的定義需要準(zhǔn)確合理。

入口邊界條件:固定送風(fēng)參數(shù)，送風(fēng)速度2.5 m/s，送風(fēng)溫度20℃；

出口邊界條件:采用局部單向化處理，即假定出口界面上的節(jié)點(diǎn)不影響第一個節(jié)點(diǎn)，如此便不需知道出口邊界的值，采用默認(rèn)ambient值，自由出流；

壁面邊界條件:北邊的圍護(hù)構(gòu)件有太陽照射，初始溫度為環(huán)境溫度30℃，其他壁面與相鄰空調(diào)區(qū)域相連，可認(rèn)為為絕熱壁面；

熱流邊界條件:電腦熱流量為90 W/臺；日光燈熱流量為35 W/盞；人體模型為坐姿，熱流量為75 W/人。

已知環(huán)境溫度為30℃。本文的其他邊界條件如表1所示:

2.2.2 網(wǎng)格劃分

以整個辦公室作為計算區(qū)域，在笛卡爾直角坐標(biāo)系下劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格的疏密對計算精度和模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性產(chǎn)生重要影響。由于以三位空間作為計算區(qū)域，網(wǎng)格劃分采用六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)為26*40*16，網(wǎng)格單元最大尺寸為0.32 m，送風(fēng)口附近，流速大且溫度變化大，網(wǎng)格劃分較密，其他區(qū)域網(wǎng)格疏密一致。

表1 模擬計算的邊界條件

3 室內(nèi)環(huán)境評價方法

3.1 PMV-PPD指標(biāo)

綜合考慮了人體主觀和客觀環(huán)境的因素，人體主觀因素包括人體活動程度、服裝熱阻等，客觀環(huán)境因素為室內(nèi)空氣溫度、空氣濕度和空氣流動速度等，其為評價熱環(huán)境較全面的指標(biāo)[20]。PMV指標(biāo)即預(yù)測平均評價，代表同一環(huán)境條件下多數(shù)人的熱感覺，但由于人體間的差異，其不能全面的反映所有人的熱感覺。故Fanger提出采取與PPD指標(biāo)(人群對熱環(huán)境不滿意的百分?jǐn)?shù))相結(jié)合的方式，通過兩者的定量關(guān)系及關(guān)系曲線來反映人體對熱環(huán)境的評價[21-22]，兩者定量關(guān)系為:PPD=100-95exp[-(0.03353PMV4+0.2179PMV2)]。當(dāng)室內(nèi)熱環(huán)境處于最佳的熱舒適狀態(tài)時，PMV=0，PPD為5%，表明即使室內(nèi)熱環(huán)境處于最佳的舒適狀態(tài)時，仍存在5%的人感到不滿意。ISO07730推薦PMV-PPD指標(biāo)的范圍為PPD≦10%，-0.5≦PMV≦0.5，并稱之為舒適狀態(tài)，表明室內(nèi)熱環(huán)境處于舒適狀態(tài)時，允許有10%的人感到不滿意[23]。本文使用的Airpak軟件嵌入了PMV-PPD的計算程序，可以直接得到室內(nèi)環(huán)境的PMV值和PPD值的分布云圖，進(jìn)而可以直接評價整個房間的舒適度。

表2 PMV熱感覺標(biāo)尺

3.2 空氣齡

指空氣從房間進(jìn)風(fēng)口到達(dá)室內(nèi)某一點(diǎn)所需的時間，該點(diǎn)的空氣齡是指該點(diǎn)處所有微團(tuán)空氣齡的均值，故空氣齡反映房間空氣新鮮程度。此外，還反映房間去除污染物的能力，平均空氣齡小的房間，能夠很好的排除污染物。因此空氣齡可以作為衡量房間空氣新鮮程度與通風(fēng)換氣能力的指標(biāo)。Airpak提供了評價室內(nèi)空氣品質(zhì)的空氣齡分布云圖，根據(jù)模擬結(jié)果，可直觀的反映和評價室內(nèi)空氣的新鮮程度[24]。

4 模擬結(jié)果及分析

4.1 模擬結(jié)果

在空調(diào)不同擺放位置及送風(fēng)方式下，通過Airpak的模擬得到辦公室內(nèi)溫度、空氣齡及PMV值和PPD值的分布云圖。本文的人體模型身高為170 cm，當(dāng)其處在坐立狀態(tài)時，其口鼻附近空間里的空氣距地高度大概實(shí)測在1.2 m附近，即呼吸帶高度為1.2 m。故為了便于比較，本文選取的是同一個平面y=1.2 m處各指標(biāo)的計算結(jié)果，即1.2 m高處溫度、空氣齡及PMV值和PPD值的分布云圖，如圖3至圖5所示。

圖3 北墻頂部側(cè)送下回

4.2 室內(nèi)溫度分布的對比分析

模擬結(jié)果表明空調(diào)三種送風(fēng)方式下，室內(nèi)的溫度情況均比較好，其中圖3北墻頂部側(cè)送得到的溫度主要集中在22.4℃左右，但在西北角溫度稍高，出現(xiàn)溫度分布不均勻的現(xiàn)象，人員會感到不適，北墻底部側(cè)送側(cè)回得到的溫度分布集中在24.5℃，且出現(xiàn)南北分界的狀況，有微小的溫度差，1℃左右，人體能夠接受。對于中間頂部頂送側(cè)回方式得到的人員所在區(qū)域的溫度集中在22.4℃，最重要的是室內(nèi)溫度分布較為均勻。綜上分析對比故中間頂部頂送側(cè)回營造的溫度分布效果最佳，室內(nèi)溫度均勻。

4.3 PMV-PPD值及空氣齡的對比分析

圖3所示北墻頂部側(cè)送下回方式得到的PMV值集中在0.5到0.7，少部分區(qū)域出現(xiàn)0.4接近微暖的狀態(tài)，室內(nèi)大體區(qū)域PPD值在8%左右，中間出現(xiàn)PPD值為6%的區(qū)域；圖4所示北墻底部側(cè)送側(cè)回得到PMV值則集中在0.3左右，但門處出現(xiàn)PMV值為負(fù)的微涼區(qū)域，靠近空調(diào)附近的PPD值為6%左右，遠(yuǎn)離空調(diào)區(qū)域值為10%左右，出現(xiàn)波動；圖5所示中間頂部頂送側(cè)回的到PMV值集中在0.3至0.5，較為接近適中的狀態(tài)，PPD值在9%左右，波動性較小。所以相比較而言，中間頂部頂送側(cè)回的方式的PMV值處于適中的狀態(tài)，PPD值波動較小，故優(yōu)于另外兩種。

圖4 北墻底部側(cè)送側(cè)回

圖5 中間頂部頂送側(cè)回

4.4 空氣齡的對比分析

通過觀察三個空氣齡的分布圖發(fā)現(xiàn)，圖3所示北墻頂部側(cè)送下回方式得到的空氣齡大致在230～290 s范圍，靠近空調(diào)出空氣齡小，在門處空氣齡高達(dá)430 s；圖4所示北墻底部側(cè)送側(cè)回空氣齡大致在270～370 s范圍，主體集中在310左右；圖5所示中間頂部頂送側(cè)回方式空氣齡大致在180～350 s范圍，主體分布在200左右。根據(jù)空氣齡的定義，空氣齡越小，房間內(nèi)的空氣越新鮮，故中間頂部頂送側(cè)回優(yōu)于其他兩種方式。

5 結(jié)論

通過對某辦公室北墻頂部側(cè)送下回、南墻底部側(cè)送側(cè)回、中間頂部頂送側(cè)回三種不同位置及送風(fēng)方式下室內(nèi)的溫度、PMV-PPD值及空氣齡的綜合對比分析。結(jié)果表明，當(dāng)將空調(diào)室內(nèi)機(jī)放在室內(nèi)中間的頂部，且采用頂送側(cè)回的氣流組織時，能營造出合理的溫度場，且PMV-PPD、空氣齡指標(biāo)優(yōu)于其他兩種方式。室內(nèi)人員能獲得較佳的熱舒適性。該模擬結(jié)果可以為小空間的合理氣流組織設(shè)計提供參考依據(jù)。