典型實(shí)驗(yàn)房間空調(diào)氣流組織監(jiān)測方案設(shè)計(jì)研究

李 翠 蔡 煒 王曉東 趙 美 蔡 健

典型實(shí)驗(yàn)房間空調(diào)氣流組織監(jiān)測方案設(shè)計(jì)研究

李 翠 蔡 煒 王曉東 趙 美 蔡 健

（同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院 上海 200092）

有效地通風(fēng)和合理的氣流組織對(duì)于改善室內(nèi)空氣品質(zhì)，控制室內(nèi)污染物濃度，對(duì)實(shí)現(xiàn)健康建筑、舒適性空調(diào)有著重要的意義。室內(nèi)空調(diào)氣流組織方式多種多樣，對(duì)其效果的研究也很多，但是多集中在理論分析，而對(duì)氣流組織效果的監(jiān)測方面的研究較少，且監(jiān)測方法沒有一個(gè)完成的體系。首先對(duì)空調(diào)氣流組織現(xiàn)場監(jiān)測和評(píng)價(jià)方法進(jìn)行分析，得知現(xiàn)場檢測方法多以工程標(biāo)準(zhǔn)，只是對(duì)室內(nèi)氣流組織的應(yīng)用效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，并不能完全反映氣流組織的軌跡特征。其次，為了更好的反映不同時(shí)刻空調(diào)氣流組織的特征，建立氣流組織的監(jiān)測方法，以5m×3m×2.8m的一個(gè)典型實(shí)驗(yàn)房間為例，利用計(jì)算模擬方法，分析不同氣流組織形式下溫度、風(fēng)速等衰減特征，為室內(nèi)氣流組織現(xiàn)場智能監(jiān)測測點(diǎn)布置提供依據(jù)。

氣流組織；實(shí)驗(yàn)室；智能；監(jiān)測系統(tǒng)

0 引言

空調(diào)房間的氣流組織，是指確定合適的送（回）風(fēng)口形式、位置、規(guī)格、數(shù)量和送（回）風(fēng)風(fēng)量、風(fēng)速、溫度等參數(shù)，是關(guān)系著房間工作區(qū)的溫濕度基數(shù)、精度及區(qū)域溫差、工作區(qū)的氣流速度及清潔程度和人們舒適感覺的重要因素，是工程設(shè)計(jì)中必須著重考慮的一個(gè)重要環(huán)節(jié)[1]。室內(nèi)氣流組織直接影響室內(nèi)空氣的濕度、流速、相對(duì)濕度、潔凈度、舒適度。當(dāng)氣流組織設(shè)計(jì)不合理時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)室內(nèi)溫度冷熱分布不均，頭腳溫度梯度過大；流速過大，人員工作區(qū)處于冷風(fēng)直吹，冷感明顯；處于氣流死角，污濁空氣較難排出的情況。另外，空調(diào)室內(nèi)氣流組織不合理，還會(huì)造成空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備選型偏大，增加空調(diào)的運(yùn)行能耗和運(yùn)行成本，直接影響建筑節(jié)能[2]。合理的氣流組織能夠帶走室內(nèi)的污染物，降低污染物濃度和改善室內(nèi)空氣品質(zhì)，提高室內(nèi)的熱舒適性，保證實(shí)現(xiàn)健康舒適性空調(diào)，提高工作人員的工作效率，同時(shí)在節(jié)約建筑能耗上也有著重要的意義[3]。

另外，關(guān)于空調(diào)系統(tǒng)氣流組織目前尚無整體可視化監(jiān)測方案，導(dǎo)致無法根據(jù)用戶需求實(shí)時(shí)對(duì)氣流組織進(jìn)行有效調(diào)控。在智能化發(fā)展的信息時(shí)代，應(yīng)提高對(duì)氣流組織特征監(jiān)測研究?？照{(diào)氣流組織的監(jiān)測與工程現(xiàn)場檢測要求不同，更多的是關(guān)注氣流的走向，以及與室內(nèi)空氣混合的過程。通過氣流組織的可視化智能監(jiān)測系統(tǒng)，了解氣流組織的特性，同時(shí)也為提高空調(diào)能量的有效利用。

1 室內(nèi)氣流組織測量與評(píng)價(jià)

1.1 空調(diào)氣流組織測量方法

關(guān)于氣流組織特性的研究有理論分析和現(xiàn)場實(shí)測。理論層面的預(yù)測方法主要有：射流理論分析、模型試驗(yàn)、區(qū)域模型、計(jì)算流體力學(xué)（CFD）方法的數(shù)值模擬。射流理論分析方法始于上個(gè)世紀(jì)80年代，并于90年代建立了一系列射流公式用于室內(nèi)空氣分布的預(yù)測，但實(shí)際空調(diào)房間氣流組織形式變化多樣，采用射流公式計(jì)算勢必會(huì)帶來較大的誤差[5]。數(shù)值模擬方法于1974年，第一次使用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)CFD方法來模擬室內(nèi)空氣流動(dòng)狀態(tài)。CFD模擬方法是研究空調(diào)動(dòng)態(tài)問題的有效和經(jīng)濟(jì)的方法。它可模擬和預(yù)測室內(nèi)氣流組織的分布，并獲得室內(nèi)速度，溫度，濕度和有害物質(zhì)濃度的物理量分布的細(xì)節(jié)，具有成本低、速度快、數(shù)據(jù)完整、可以模擬各種不同工況等優(yōu)點(diǎn)，因而受到使用者的青睞[6]。

氣流組織現(xiàn)場測試常用方法有煙霧法和逐點(diǎn)描繪法。煙霧法將棉球蘸上發(fā)煙劑（如四氯化欽、四氯化錫等）放在送風(fēng)口處，煙霧隨氣流在室內(nèi)流動(dòng)。仔細(xì)觀察煙霧的流動(dòng)方向和范圍，在記錄圖上描繪出射流邊界線、回漩渦流區(qū)和回流區(qū)的輪廓，或者采用攝影法直接記錄氣流形態(tài)。煙霧法比較快，但準(zhǔn)確性差，只在粗測時(shí)采用。逐點(diǎn)描繪法是將很細(xì)的合成纖維絲線或點(diǎn)燃的香綁在測桿上，放在測定斷面各測點(diǎn)位置上，觀察絲線或煙的流動(dòng)方向，并在記錄圖上逐點(diǎn)描繪出氣流流型，或者采用攝影法直接記錄氣流形態(tài)。逐點(diǎn)測試方法比較接近于實(shí)際情況。

氣流組織的現(xiàn)場測量方法中，如溫度、濕度、風(fēng)速、濃度等為基本分布參數(shù)，一般實(shí)驗(yàn)室或現(xiàn)場監(jiān)測點(diǎn)的布置一般采用工程檢測方法或測量高度上以平均測試方法[7,8]。

1.2 空調(diào)氣流組織評(píng)價(jià)方法

在氣流組織的評(píng)價(jià)指標(biāo)中，如溫度、濕度、風(fēng)速、濃度等基本參數(shù)可直接進(jìn)行測量出來，而且大多數(shù)指標(biāo)必須以這些基本參數(shù)作為媒介，在此基數(shù)上進(jìn)行分析或計(jì)算。常用氣流組織的描述和評(píng)價(jià)主要從以下幾個(gè)方法：（1）描述送風(fēng)有效性的參數(shù)，送風(fēng)能否有效到達(dá)考察區(qū)域，以及到達(dá)該區(qū)域的空氣新鮮程度；（2）描述污染物排除有效性的參數(shù)，主要是污染物到達(dá)考察區(qū)域的程度，以及到達(dá)該區(qū)域的時(shí)間；（3）與舒適關(guān)系密切的有關(guān)參數(shù)[9]。在建筑中人員主要停留房間的氣流組織應(yīng)能滿足：氣流組織分布均勻，避免漩渦；公共建筑應(yīng)根據(jù)不同功能區(qū)域合理組織氣流，保證人員活動(dòng)區(qū)位于空氣較新鮮的位置；室內(nèi)污染物的空氣應(yīng)及時(shí)排出[10]。

室內(nèi)氣流組織的優(yōu)劣直接影響室內(nèi)熱環(huán)境的舒適性和空調(diào)設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)，同時(shí)也直接影響空調(diào)系統(tǒng)的能耗量。通常室內(nèi)工作區(qū)由余熱而形成的負(fù)荷只占全室總負(fù)荷的一部分；另一部分產(chǎn)生于工作區(qū)之上。良好而經(jīng)濟(jì)的氣流組織形式，應(yīng)在保證工作區(qū)滿足空調(diào)參數(shù)要求的前提下，使空調(diào)送風(fēng)有效地排出工作區(qū)的余熱，而不使工作區(qū)以外的余熱帶入工作區(qū)，從而達(dá)到不增加送風(fēng)量且提高排風(fēng)溫度的效果，直接排除這部分熱量，以提高空調(diào)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。為此引入評(píng)價(jià)室內(nèi)氣流組織經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)——能量利用系數(shù)：

式中，t、t、t分別為室內(nèi)工作區(qū)空氣平均溫度、送風(fēng)溫度及排（回）風(fēng)溫度。

1.3 室內(nèi)氣流組織評(píng)價(jià)案例分析

為了探測空調(diào)氣流組織現(xiàn)場特征，選定一個(gè)9.6m×9m×3.5m辦公室，測定柜式空調(diào)氣流組織效果，并采用能量利用系數(shù)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性能評(píng)價(jià)，能量利用系數(shù)計(jì)算公式如公式（1）。需要分別在室內(nèi)工作區(qū)、送回風(fēng)口處測溫度，為了提高氣流的可視性，在送風(fēng)口處放置一個(gè)二氧化碳發(fā)生器。溫度測量儀器一般采用熱電偶，工作區(qū)溫度一般參考室內(nèi)環(huán)境測試方法，采用多點(diǎn)布置取其平均值（測試數(shù)據(jù)見表1），并通過計(jì)算求得。溫度測點(diǎn)布置圖如圖1所示。

圖1 氣流組織工作區(qū)測點(diǎn)布置圖

表1 氣流組織工作區(qū)溫度測試值

注：測點(diǎn)布置：梅花狀（如圖1所示）。

2 典型空調(diào)氣流組織實(shí)驗(yàn)室監(jiān)測方案設(shè)計(jì)

為了提高室內(nèi)氣流組織的應(yīng)用效果，以5m×3m×2.8m的一個(gè)典型實(shí)驗(yàn)房間為例，利用計(jì)算模擬方法，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)，模擬不同氣流組織形式下溫度、風(fēng)速等衰減特征，分別對(duì)頂側(cè)送下側(cè)回和上側(cè)送下側(cè)回兩種氣流組織形式進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，送風(fēng)速度為2.5m/s，送風(fēng)溫度16℃。頂送風(fēng)口位于頂板正中央，側(cè)面送風(fēng)口靠近長邊側(cè)墻頂部中間位置，回風(fēng)口位于長邊側(cè)墻，風(fēng)口距地面30cm，具體如圖2所示。通過兩種不同形式為氣流組織模擬結(jié)果的分析，為氣流組織現(xiàn)場智能監(jiān)測測點(diǎn)布置提供依據(jù)。不同送風(fēng)氣流下的溫度、速度等分布特征如下。

2.1 頂送側(cè)下回式氣流組織動(dòng)態(tài)特征

分別取=2.5m處寬度截面，=1.5m處長度截面和=0.75m高度水平截面上，分析頂側(cè)送風(fēng)氣流組織下溫度變化情況，具體特征如下。

對(duì)頂送側(cè)下回的氣流組織，溫度在x、y截面上的變化成對(duì)稱分布，具體如圖3、圖4所示。不同時(shí)刻下，溫度具有明顯變化。如在=0.75m高度的水平面上，除風(fēng)口正下方，其他區(qū)域的溫度變化從四周向中間逐漸降低。整個(gè)氣流組織下，溫度變化很快，約在0.1s就可以滿足室內(nèi)工作區(qū)溫度要求，具體如圖5所示。

圖3 X=2.5m處寬度截面處的溫度分布情況

Fig.3 The temperature distribution at the width section at X=2.5m

圖4 Y=1.5m處長度截面處的溫度分布情況

Fig.4 The temperature distribution at the length section at Y=1.5m

圖5 Z=0.75m處水平截面上的溫度分布情況

Fig.5 Temperature distribution on the horizontal section at Z=0.75m

2.2 側(cè)上送側(cè)下回式氣流組織動(dòng)態(tài)特征

分別取=2.5m處寬度截面，=1.5m處長度截面和=0.75m高度水平截面上，分析側(cè)上送風(fēng)氣流組織下溫度變化情況，具體特征如下。

對(duì)側(cè)上送側(cè)下回的氣流組織，溫度在y、z截面上的變化成對(duì)稱分布，具體如圖6、圖7所示。在=0.75m高度的水平面上，除風(fēng)口正下方，其他區(qū)域的溫度變化從四周向中間逐漸降低，具體如圖8所示。整個(gè)氣流組織下，溫度變化很快，約在0.1s就可以滿足室內(nèi)工作區(qū)溫度要求，不同時(shí)刻下同溫度變化是需要重點(diǎn)監(jiān)控的。

圖6 側(cè)上送X=2.5m處寬度截面處的溫度分布情況

Fig.6 The temperature distribution at the width section at X=2.5m for side supply air

圖7 側(cè)上送Y=1.5m處長度截面處的溫度分布情況

Fig.7 The temperature distribution at the length section at Y=1.5m for side supply air

圖8 側(cè)上送Z=0.75m處水平截面上的溫度分布情況

Fig.8 Temperature distribution on the horizontal section at Z=0.75m for side supply air

2.3 不同氣流組織形式下的風(fēng)速分布特征

兩種不同氣流組織形式下的風(fēng)速分布如圖9和圖10所示，由圖可以看出，對(duì)于氣流組織風(fēng)速的分布主要關(guān)注風(fēng)口下不同高度風(fēng)速變化情況。風(fēng)速變化主要集中在頂送風(fēng)風(fēng)口正下方，側(cè)上送風(fēng)水平方向逐漸變小。

圖9 頂上送風(fēng)氣流組織風(fēng)速分布特征

圖10 側(cè)上送風(fēng)氣流組織風(fēng)速分布特征

Fig.10 Characteristics of wind velocity distribution in upper side air distribution

2.4 室內(nèi)氣流組織監(jiān)測方案制定

借助軟件模擬，分析計(jì)算模擬結(jié)果可以很容易獲得氣流組織的變化特征，以及不同時(shí)刻下的動(dòng)態(tài)特征，和室內(nèi)溫度達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)刻等。基于上述模擬結(jié)果，綜合室內(nèi)氣流組織工程評(píng)價(jià)，制定室內(nèi)氣流組織監(jiān)測方案，考慮必須同時(shí)滿足頂送和側(cè)上送風(fēng)需要，室內(nèi)溫度監(jiān)測點(diǎn)布置如下。兩種不同送風(fēng)形式下，室內(nèi)氣流組織的測點(diǎn)布置以空間均勻分布為基礎(chǔ)，兼顧溫度變化需求，制定布點(diǎn)方案。

圖11 室內(nèi)氣流組織監(jiān)測點(diǎn)布置示意圖

Fig.11 Schematic diagram of indoor air distribution monitoring point layout

以頂送側(cè)下回為例，為了提高室內(nèi)氣流組織的監(jiān)測效果，=2.5m處的寬度截面是氣流組織分布比較明顯的區(qū)域。高度方向可均勻布置4-7個(gè)點(diǎn)，寬度方向和長度方向上，以中心為主要布測區(qū)，成對(duì)稱布置，至少布置三列布點(diǎn)，每列至少3個(gè)點(diǎn)，示意圖如圖11所示。

3 結(jié)論

工程標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于室內(nèi)氣流組織舒適性評(píng)價(jià)主要考慮氣流的均勻性和平均溫度分布特性，是一個(gè)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果，氣流組織實(shí)驗(yàn)室監(jiān)測中無法直接引用，應(yīng)根據(jù)房間及空調(diào)氣流形式設(shè)計(jì)專門的監(jiān)測方案，為實(shí)驗(yàn)觀察人員提供一個(gè)可視化的現(xiàn)場觀測效果。因此，氣流組織實(shí)驗(yàn)室智能監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，首先應(yīng)結(jié)合計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果，制定氣流組織監(jiān)測方案；其次利用信息化、智能化技術(shù)，選擇高精度的儀器儀表，或高清攝像技術(shù)，實(shí)時(shí)記錄氣流組織的相關(guān)參數(shù)，精準(zhǔn)監(jiān)測氣流組織分布特征；另外，在氣流組織特征觀測時(shí)，與常規(guī)室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測要求不同，需要在短時(shí)間內(nèi)監(jiān)測到整個(gè)風(fēng)口氣流走向、特征。因此，還需要結(jié)合發(fā)煙裝置要?dú)饬鹘M織可視化效果更好，從而更好的提高實(shí)驗(yàn)效果。通過對(duì)氣流組織室實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場實(shí)測分析基礎(chǔ)上，進(jìn)一步完善智能監(jiān)測要求，為氣流組織有效利用提供依據(jù)。

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Design and Research of Air Distribution Monitoring Scheme for Air Conditioning in Typical Experimental Rooms

Li Cui Cai Wei Wang Xiaodong Zhao Mei Cai Jian

( School of Mechanical Engineering Tongji University, Shanghai, 200092 )

Indoor air quality can be improved through effective ventilation and reasonable air distribution, and indoor pollutant concentration controlled has a great significance for realizing healthy building and comfortable air conditioning. Indoor air organization form is diverse, and each form has its own characteristics. For the air distribution, many research focus on the theoretical analysis, few study on the actual effect of air conditioning monitoring, and there is no complete system for intelligent monitoring. In this paper, field monitoring and evaluation methods are analyzed firstly, and the field test method is mostly engineering standard, it is not possible to evaluate the inhomogeneity of indoor temperature distribution. Based on the experimental study of air distribution, the design of intelligent monitoring system for air distribution in air conditioning building is studied. A 5m x 3m x 2.8m typical room is built, the characteristics of different air distribution patterns were simulated in software, and the temperature, wind speed are analyzed dynamically. The measurement points of different environmental parameters are arranged according to the air flow characteristics, and the field test results used to verify. Compare with the existing field monitoring standard method to perfect the intelligent monitoring design method. This study provides a basis for the monitoring design of indoor air flow.

air distribution; intelligent monitoring; field test; laboratory room

TU831

A

1671-6612（2020）02-164-06

李 翠（1982-），女，博士，E-mail：licui20140718@#edu.cn

2019-06-12