卡式風盤送風角度對室內(nèi)熱舒適度的影響分析

沈文增，莊兆意，李彬，王斌

1.山東建筑大學熱能工程學院,山東濟南250101

2.山東博物館機電設備部,山東濟南250014

隨著社會經(jīng)濟發(fā)展，人們對室內(nèi)環(huán)境品質的要求越來越高。據(jù)調查，人員在室內(nèi)活動的時間占比可達80%以上，通過調節(jié)空調送風參數(shù)來提高室內(nèi)空氣熱濕品質，達到更好的熱舒適性，對提高人們生活質量有重要意義。在設計過程中，空調位置及空調送風角度對室內(nèi)舒適性影響較大。如合理設計，可有效地改善室內(nèi)熱濕環(huán)境、提高室內(nèi)舒適度、降低空調能耗，從而節(jié)約建筑能耗及生態(tài)能源。而目前空調系統(tǒng)形式及末端的多樣性，使得對可調節(jié)送風角度的末端形式缺乏深入研究[1]。

辦公室是辦公人員長時間停留的場所，因而對其室內(nèi)熱舒適性及空氣質量要求很高。通過計算流體力學(computational fluid dynamics，CFD)方法，在設定某室內(nèi)環(huán)境參數(shù)下，通過對改變送風角度進行模擬，可有效對室內(nèi)溫度、速度場等指標進行綜合性評價，進而分析室內(nèi)空氣品質、熱舒適性。姚潤明等[2]利用CFD技術對空調房間進行數(shù)值模擬，分析了室內(nèi)PMV-PPD，為室內(nèi)舒適度的研究奠定了基礎；江億等[3]通過實驗研究為主，CFD技術模擬為輔，得出空調室內(nèi)空氣齡分布，并推導出室內(nèi)空氣齡的輸運方程。袁東升等[4]通過控制變量法對室內(nèi)氣流組織進行研究，在相同的室內(nèi)條件下，以氣流組織形式為變量，進行數(shù)值模擬，研究成果為空調房間的室內(nèi)熱舒適度及氣流組織形式的優(yōu)化提供參考。

本文利用Airpak 軟件對某建筑辦公室進行建模與數(shù)值模擬，設置空調參數(shù)(送風角度、溫度、速度等)，對比卡式風盤送風角度分別為30°、45°、60°、90°時對室內(nèi)熱濕環(huán)境的影響，總結出室內(nèi)熱舒適度分布特征，為合理選擇送風角度、調節(jié)室內(nèi)氣流組織，從而達到更高的熱舒適性提供依據(jù)，也為空調專業(yè)的設計、研發(fā)、系統(tǒng)優(yōu)化等提供了可靠的支撐。

1 數(shù)值模擬

1.1 物理模型

以某建筑內(nèi)辦公室為模型，利用Airpak 軟件進行1∶1比例建模，房間幾何尺寸為6 m×4 m×3 m(長×寬×高)；風盤采用某廠家生產(chǎn)的卡式四出風風盤，布置在房間中心位置，負責室內(nèi)4人工作區(qū)熱濕環(huán)境調節(jié)；每人配置一臺電腦；室內(nèi)布置4盞熒光燈。房間模型及卡式風盤示意圖如圖1、2所示。

圖1 房間物理模型

圖2 風盤示意

將整個辦公區(qū)域作為計算域進行四面體網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格尺寸0.15 m，網(wǎng)格單元數(shù)173 832，詳細外圍護結構、室內(nèi)器具尺寸參數(shù)與邊界條件見表1。

表1 房間模型參數(shù)

1.2 房間實驗參數(shù)

空調室內(nèi)空氣參數(shù)因室內(nèi)氣流流動和分布狀況的影響而發(fā)生變化，這些都取決于空調系統(tǒng)形式，包含送回風口的形式、尺寸、位置，送風溫度、送風速度、送風角度[5]等影響因素。故要達到良好的室內(nèi)熱舒適環(huán)境，就應結合建筑類型及空間構造，合理調整送風參數(shù)以達到良好的室內(nèi)熱舒適性。

夏季舒適性空調的室內(nèi)設計溫度建議值為24～28℃,設計相對濕度建議值為40%～60%，工作區(qū)溫差滿足ΔT≤3 ℃，風速v≤0.3 m/s[6-7]。按要求，此處取空調室內(nèi)設計狀態(tài)點參數(shù)為設計溫度25℃、設計濕度RH 55%、含濕量10.89 g/kg、焓值52.88 kJ/kg、送風溫差6℃。

經(jīng)負荷計算，得房間余熱2 250 W，余濕0.113 3 g/s，得送風狀態(tài)點參數(shù)為送風溫度19℃、送風含濕量10.56 g/kg、送風量0.33 kg/s、風口風速3.31 m/s。

風盤安裝在房間中部，送風角度由速度偏移量確定。室內(nèi)辦公人員取坐姿打字狀態(tài)：新陳代謝率[8]為63.965 W/m2；服裝熱阻采用夏季經(jīng)典穿搭為0.61 Clo?？紤]實際送風狀態(tài)，送風角度選取與水平方向夾角分別為30°、45°、60°、90°的情況進行模擬分析。

2 數(shù)學模型

本文采用Airpak 軟件內(nèi)置標準κ-ε模型，為便于計算室內(nèi)空氣流動狀態(tài)與換熱情況、對室內(nèi)狀態(tài)做以下簡化和假設：1)假設辦公室為封閉空間；2)不考慮門窗縫隙漏風、空氣滲透等影響；3)房間墻面、門窗設為定壁溫、定熱流密度，具體數(shù)值參考表1；4)室內(nèi)空氣擬處理為穩(wěn)態(tài)湍流流動，不可壓縮且符合Boussinesq 假設，其余物性取常數(shù)；5)忽略粘性耗散作用。

數(shù)值模擬過程所需要的流體流動與換熱的基本控制方程選用的是采用Launder 及Spalding 等提出的平均湍流能量模型：κ-ε雙方程湍流模型，控制方程[9-10]主要有以下4個：

1)連續(xù)性方程。對于不可壓縮流體，其流體密度為常數(shù)，方程可簡化為

3 結果分析

3.1 評價指標

文中熱舒適性評價指標按照《熱環(huán)境的人類工效學-通過計算PMV 和PPD指數(shù)與局部熱舒適準則對熱舒適進行分析測定與解釋》(GB/T 18049-2017)進行評價[11]，即PMV-PPD評價方法，其數(shù)值分別用PPMV和PPPD表示，依據(jù)溫度(T)、相對濕度( ΦRH)、風速(v)、空氣齡(t)等[12-15]指標進行綜合評價。舒適區(qū)間為-1≤PPMV≤+1，PPPD≤27%。PMV 用于評價室內(nèi)環(huán)境冷熱感，通過客觀的數(shù)字反映人體所處環(huán)境的冷熱感。一般遵守ASHRAE 7 分制[16]，如表2所示。PPD即預測不滿意百分數(shù)，一般不超過10%。

表2 PMV 熱感覺標尺

PMV-PPD熱舒適性評價指標是綜合考慮人體因素及所在環(huán)境因素后給出的[17]。人體因素包括人體活動程度、服裝熱阻等；環(huán)境因素包括室溫、空氣相對濕度和室內(nèi)空氣流速等。

Fanger 提出的通過兩者的定量關系及關系曲線來反映人體對熱環(huán)境的評價[18]，兩者定量關系為

空氣齡[19]是指空氣自進入房間開始至到達室內(nèi)某點所歷經(jīng)的時間。常用以評價室內(nèi)空氣品質，可用于綜合評價房間的通風換氣效果。

跟據(jù)ASHRAE Standard 55-2017[20]，PPMV=0時，人體熱感覺處于最舒適狀態(tài)，此時PPPD=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。本文把PPPD≤10%，-0.5≤PPMV≤0.5的人體感覺定義為舒適狀態(tài)，即表明在-0.5≤PPMV≤+0.5時，最多允許有10%的人感到不滿意。

3.2 最優(yōu)送風角度分析

模擬取人體坐姿狀態(tài)，測點高度Y分別取h1=0.1 m(人體腳踝處位置)、h2=0.7 m(人體坐姿中心處位置)、h3=1.1 m(人體坐姿頭部位置)、h4=1.7 m(人體站姿頭部位置)、h5=2.4 m(人員活動最大高度)，考慮外窗得熱影響及人體彼此間的熱影響選取3個觀測點，測點平面布置圖如圖3所示。在人體活動范圍高度0.1～2.4 m 內(nèi)，取近窗側觀測點1(1.2,Y,2)，主要考慮外窗得熱對室內(nèi)熱濕環(huán)境的影響；觀測點2(兩人距離中心)(3,Y,2.8)，主要考慮人體間輻射換熱與氣流阻擋的影響；遠窗側觀測點3(4.8,Y,2)，主要用于與近窗側數(shù)據(jù)做對比。

圖3 觀測點平面示意

分別以送風角度30°、45°、60°、90°進行模擬分析。室內(nèi)熱濕環(huán)境優(yōu)劣以室內(nèi)溫濕度、工作區(qū)風速為依據(jù)，以PMV-PPD作為最終評價標準，通過模擬得到不同送風角度下室內(nèi)3個觀測點在不同測點高度的PMV-PPD數(shù)據(jù)分布差異，如圖4～6所示。

圖4 觀測點1 PMV-PPD垂直分布

圖5 觀測點2 PMV-PPD垂直分布

圖6 觀測點3 PMV-PPD垂直分布

觀測點1在1～1.5 m 高度內(nèi)。PPD-PMV 趨勢分布一致，呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢。0.2≤PPMV≤0.8，5%≤PPPD≤20%，由于受電腦與人體散熱及窗戶得熱影響，局部熱量集中，相對于0.1～0.7 m、1.7～2.4 m 區(qū)間熱舒適性較差。

觀測點2在0.5～1.5 m 高度內(nèi)。90°垂直送風時，受桌面擋板作用，起到導流效果，將未經(jīng)充分熱交換的新風沿桌子平面送達觀測點2位置，造成局部熱舒適性較好。

觀測點3處于房間標準室內(nèi)，受外窗得熱及電腦散熱直接影響較小，熱舒適性較好，在45°送風時，基本保持PPMV=0，PPPD=5%。

從圖4～6可以看出，在3個觀測位置的不同測點高度，PMV-PPD分布具有協(xié)同一致性，對比觀測點1、3可以明顯得出，外窗得熱對室內(nèi)熱濕環(huán)境有明顯影響，遠窗側舒適度優(yōu)于近窗側，可以通過適當采取遮陽措施改善。根據(jù)人體最佳舒適度評價標準可以看出，送風角度優(yōu)劣排序為45°＞30°＞60°＞90°。大角度送風 時，氣流直接送入人體工作區(qū)，風速未經(jīng)充分衰減，未與室內(nèi)熱空氣進行充分熱交換，空間冷熱不均，體表吹風感強，熱舒適性較差；小角度送風時，雖能有效降低人體吹風感，但制冷范圍集中在房間中上部，射流不易到達底部空間，與底層空間熱交換不足。整體來看，遠窗側熱舒適性最優(yōu)，最差的為近窗側，這是由于外圍護(主要是外窗得熱)傳熱導致局部升溫形成熱壓，阻礙送風氣流的到達，導致近窗側制冷效果降低。從近窗側向遠窗側方向，整體熱舒適性漸好。

3.3 制冷工況送風角度45°熱舒適性分析

以送風角度45°為例，圖7為房間中心(XOY平面，Z=2 m)截面處氣流組織分布。受近窗側熱壓影響，部分送風氣流受阻，且受回風口影響，易發(fā)生射流短路，未能充分到達外圍護處，造成制冷效果降低，空間熱舒適性降低。房間內(nèi)側送風通順，在送至房間內(nèi)壁后下降，部分通過回風排出，一部分沿低層空間流動后通過回風口排出，氣流組織與制冷效果較好，舒適性較好。

圖7 Z=2 m 時氣流組織分布

受氣流組織分布影響，空間溫度、速度分布會發(fā)生變化進而影響人體熱舒適度與空氣品質。45°角度送風時，房間進深方向(XOY截面，Z=2.8 m)人體截面處速度、溫度、相對濕度、PMV-PPD、空氣齡分布云圖如圖8、9所示。

圖8 Z=2.8 m 人體截面處溫度、速度、濕度分布云圖

圖9 Z=2.8 m 人體截面PMV-PPD、空氣齡分布云圖

在送風角度為45°時，由圖8的速度、溫度、濕度分布云圖，我們可得到以下數(shù)據(jù)：風速0.07 m/s≤v≤0.1 m/s；工作區(qū)溫度23.67℃≤T≤25.38℃；溫差ΔT≤3℃；相對濕度54.6%≤ ΦRH≤57.1%；5.0≤PPPD≤9.08；-0.14≤PPMV≤0.44。在人體表面與電腦附近受散熱、散濕與熱輻射影響，局部不適，整體滿足公共建筑節(jié)能設計標準GB 50189-2015對熱舒適性的要求。圖9中，空氣齡分布與氣流組織分布相同，受近窗側熱壓影響，空氣齡相較于室內(nèi)遠窗側數(shù)值偏高，從近窗側到室內(nèi)遠窗側區(qū)域，空氣齡數(shù)值逐漸降低，258.8 s≤t≤300.6 s。

送風以45°射流角送出后，風速較高，與壁面接觸向下送風，并與回流作用形成空間渦旋，速度較低，在到達人體坐姿頭部高度Y=1.1 m 的過程中，經(jīng)過充分速度衰減與熱交換，速度與溫度等參數(shù)均達到人體適宜標準。受外圍護傳熱影響，外墻、外窗處溫度較室內(nèi)高，形成局部熱壓，阻礙送風氣流的到達，氣流組織分布較差，熱舒適性較差，沿近窗側到遠窗側，房間進深方向，氣流組織分布趨于合理，制冷效果變好，熱舒適性漸好。

4 結論

本文選取某小型辦公室為例，采用Airpak 軟件進行模擬計算，針對房間內(nèi)溫度、風速、濕度分布，按照PPD-PMV 標準進行分析，在制冷工況下，得出以下結論：

1)在人員最大活動范圍高度0.1～2.4 m 內(nèi)，卡式風盤最優(yōu)送風角度為45°，當采用45°送風角度時，射流經(jīng)過充分速度衰減與熱交換，室內(nèi)熱舒適性最好，其他依次為30°、60°、90°。

2)受近窗側熱壓影響，水平方向沿X軸房間進深方向熱舒適性漸好；可適當采取外窗遮陽措施降低對室內(nèi)熱濕環(huán)境影響。

3)送風角度為45°時，工作區(qū)溫度23.67℃≤T≤25.38℃，ΔT≤3℃；相對濕度54.6%≤ ΦRH≤57.1%；風速0.07 m/s≤v≤0.1 m/s；-0.14≤PPMV≤0.44，滿足公共建筑節(jié)能設計標準GB 50189-2015對熱舒適性的要求；5.00%≤PPPD≤9.08%；258.8 s≤t≤300.6 s，人體舒適度好，空氣品質較高。