馮璇 呂俊蒙 程勇 薛首志 陳金華
重慶大學(xué)土木工程學(xué)院
氣流組織對(duì)室內(nèi)舒適環(huán)境的營(yíng)造起至關(guān)重要的作用。層式通風(fēng)作為一種將空氣直接送至工作區(qū)的送風(fēng)方式[1],在夏季供冷工況下,可提供較好的熱舒適[2-4],并降低空調(diào)系統(tǒng)能耗[5],因而受到廣泛關(guān)注。
如今,層式通風(fēng)供冷的理論已較為成熟,但冬季供暖研究仍需要補(bǔ)充。相較于混合通風(fēng),層式通風(fēng)供暖具有節(jié)能,舒適性好[6]的特點(diǎn)。但由于冬季供暖氣流組織與夏季不同,兩種工況下對(duì)室內(nèi)環(huán)境的調(diào)控方案不同。
本文采用經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的CFD 數(shù)值模擬模型,以PMV,空氣齡,吹風(fēng)感及垂直溫差為優(yōu)化目標(biāo),分析送風(fēng)參數(shù)以及室外環(huán)境對(duì)層式通風(fēng)供暖房間舒適性的影響,同時(shí)驗(yàn)證基于正交設(shè)計(jì)得到送風(fēng)參數(shù)優(yōu)化方案的方法可為層式通風(fēng)工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)。
研究對(duì)象為重慶大學(xué)的實(shí)驗(yàn)艙,模擬環(huán)境為雙人辦公室,平面布置圖如圖1 所示。房間尺寸為5.06 m(X)×5.85 m(Y)×2.55 m(Z)。房間左墻為外墻,右墻及前后墻均為內(nèi)墻。外墻安裝有一扇尺寸為2.58 m(Y)×1.5 m(Z)的外窗。三個(gè)雙層百葉送風(fēng)口安裝在前墻1.3 m 高處,三個(gè)回風(fēng)口對(duì)應(yīng)安裝在送風(fēng)口正下方距地0.4 m 高處。6 個(gè)風(fēng)口尺寸均為180 mm×180 mm。天花板上安裝有3 支熒光燈,單支燈管發(fā)熱量為23 W。房間內(nèi)部熱源為三支熒光燈以及兩個(gè)模擬靜坐人體的假人,其尺寸為0.25 m(X)×0.40 m(Y)×1.20 m(Z)。每個(gè)假人內(nèi)部裝有100 W 的燈泡,用于模擬人體散熱。幾何模型如圖2。
圖1 實(shí)驗(yàn)艙平面布置圖
圖2 雙人辦公室?guī)缀文P褪疽鈭D
設(shè)置實(shí)驗(yàn)艙工況條件為:送風(fēng)口送風(fēng)角度為水平向下偏轉(zhuǎn)約30°,送風(fēng)速度為1.5 m/s,送風(fēng)溫度為26 ℃。實(shí)驗(yàn)艙共布置10 條測(cè)線,每條測(cè)線上距地面0.1 m、0.6 m、1.1 m、1.7 m、2.1 m、2.4 m 高度處布置測(cè)點(diǎn)。將SWEMA 03+萬向微風(fēng)速儀按照測(cè)點(diǎn)高度相應(yīng)布置在測(cè)桿上。按照每條測(cè)線測(cè)量12 分鐘、間隔10 分鐘逐一完成10 條測(cè)線所有測(cè)點(diǎn)的溫度以及速度測(cè)量。同時(shí),實(shí)驗(yàn)中通過熱電偶溫度自記儀WZY-1 完成實(shí)驗(yàn)艙三個(gè)送風(fēng)口溫度,三個(gè)回風(fēng)口溫度以及四個(gè)壁面溫度的測(cè)量。為了避免移動(dòng)測(cè)量?jī)x器導(dǎo)致室內(nèi)流場(chǎng)發(fā)生擾動(dòng)而對(duì)數(shù)據(jù)造成影響,各個(gè)測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速與溫度均在SWEMA 系統(tǒng)配套軟件顯示流場(chǎng)穩(wěn)定后進(jìn)行測(cè)量。
對(duì)于SWEMA 03+萬向微風(fēng)速儀,其風(fēng)速測(cè)量范圍為:0.05~10.00 m/s,測(cè)量精度為±0.03 m/s±3%(讀數(shù)值),最小誤差為±0.03 m/s??諝鉁囟葴y(cè)量范圍為10~40 ℃,精度為±0.2 ℃。對(duì)于熱電偶溫度自記儀WZY-1,其測(cè)溫范圍為-20~80 ℃,精度為±0.3 ℃。
為了簡(jiǎn)化計(jì)算,忽略對(duì)室內(nèi)流場(chǎng)影響較小的次要因素,對(duì)層式通風(fēng)空調(diào)室內(nèi)做以下假設(shè):1)室內(nèi)空氣流動(dòng)為不可壓縮的湍流流動(dòng),且滿足Boussinesq 假設(shè)。2)房間外墻為常壁溫。3)認(rèn)為房間始終保持微正壓,不考慮冷風(fēng)滲透。采用Discrete Ordinates(DO)輻射模型計(jì)算不同表面之間熱量傳遞。采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε 兩方程湍流模型預(yù)測(cè)層式通風(fēng)供暖室內(nèi)空氣運(yùn)動(dòng)[7]。
使用Airpak3.0.16 建立幾何模型。區(qū)域內(nèi)網(wǎng)格劃分采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。對(duì)熱源區(qū)域,如送風(fēng)口、人體、燈具、外壁面等處的網(wǎng)格進(jìn)行局部網(wǎng)格加密處理,以使計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確。對(duì)網(wǎng)格量為1338804、2696760、3799892 的三種模型進(jìn)行網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn),最終選擇計(jì)算網(wǎng)格數(shù)為2696760。
使用商業(yè)軟件Fluent9.2 進(jìn)行模擬計(jì)算。采用SIMPLE-C 算法耦合壓力速度。標(biāo)準(zhǔn)壓力項(xiàng)、動(dòng)量項(xiàng)、湍流能項(xiàng)、湍流耗散率項(xiàng)均為二階格式。能量收斂殘差設(shè)置為1×10-6,其余參數(shù)收斂殘差均為1×10-4。
本文初始條件與邊界條件設(shè)置詳見表1。
表1 初始條件與邊界條件
本文采用正交設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。設(shè)置了4種不同的影響因素:送風(fēng)角度A、送風(fēng)溫度B、送風(fēng)速度C、壁面溫度D。為保證應(yīng)對(duì)冬季供暖房間負(fù)荷變化,工況設(shè)計(jì)需覆蓋常見冬季送風(fēng)工況,因此設(shè)置各因素4 個(gè)不同水平數(shù)如表2 所示。根據(jù)4 因素4 水平的設(shè)計(jì),選取正交表L 16(44),共計(jì)16 種模擬工況。完整的正交設(shè)計(jì)表如表3 所示。
表2 各因素水平數(shù)示意表
表3 正交設(shè)計(jì)表
本文選取PMV、空氣齡、吹風(fēng)感、垂直溫差作為判斷室內(nèi)舒適性的標(biāo)準(zhǔn)。
PMV(預(yù)測(cè)平均熱感覺投票):表示人體熱感覺的評(píng)價(jià)指標(biāo)[8]。由于本文研究中室內(nèi)人員多為坐姿,因此本文將1.1 m 高處,即坐姿頭部位置的PMV 用于熱舒適評(píng)估。在計(jì)算PMV 時(shí),采用了典型的冬季服裝水平(即1.0 clo)和辦公室內(nèi)近乎久坐的活動(dòng)水平(即1.1 met),相對(duì)濕度設(shè)定為40%[9]。PMV 的詳細(xì)計(jì)算可參考ASHRAE-55[9]。
空氣齡越小,代表該處的空氣越新鮮。計(jì)算空氣齡時(shí),仍以離地面1.1 m 的高度,人員坐姿呼吸區(qū)位置為準(zhǔn)。吹風(fēng)感小于20%,被認(rèn)為是可接受的[4],否則吹風(fēng)感導(dǎo)致的局部不舒適會(huì)帶給人體嚴(yán)重的熱不舒適性。本文吹風(fēng)感采用ASHRAE-55[9]的計(jì)算方法,仍將1.1 m 高處、人員坐姿頭部的吹風(fēng)感用于熱舒適評(píng)估。對(duì)于垂直溫差,由于頭部與踝部對(duì)溫度較為敏感,當(dāng)頭部與踝部的溫差超過3 ℃會(huì)造成人體不舒適。本文的垂直溫差選擇距離地板以上1.1 m 與0.1 m,即坐姿頭部與踝部的空氣溫差為熱舒適評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。
在與實(shí)驗(yàn)相同的條件下,通過CFD 模擬計(jì)算得到各個(gè)測(cè)點(diǎn)的空氣溫度與風(fēng)速。將其與測(cè)量值及其標(biāo)準(zhǔn)偏差進(jìn)行綜合比較。比較結(jié)果(以測(cè)線9 為代表)如圖3 和4 所示,預(yù)測(cè)結(jié)果與測(cè)量值的變化規(guī)律基本一致,說明該模擬方法能較好地模擬層式通風(fēng)供暖工況下室內(nèi)氣流的速度場(chǎng)與溫度場(chǎng)。
圖3 實(shí)驗(yàn)與模擬溫度驗(yàn)證
圖4 實(shí)驗(yàn)與模擬速度驗(yàn)證
在不同送風(fēng)參數(shù)的組合工況下,室內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)分布不同,進(jìn)而導(dǎo)致了室內(nèi)PMV、空氣齡、吹風(fēng)感、垂直溫差指數(shù)存在差異。依據(jù)正交表,對(duì)16 種工況進(jìn)行模擬,模擬結(jié)果如表4 所示。
表4 模擬工況舒適性指標(biāo)結(jié)果表
利用極差分析法[10]對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析,見表5。表中用R 表示極差,代表任一列因素各水平的試驗(yàn)指標(biāo)最大值與最小值之差。kij表示第i 列“j”水平所對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)指標(biāo)的平均值。根據(jù)kij的大小可以判斷因素的優(yōu)水平,優(yōu)水平的確定與試驗(yàn)指標(biāo)有關(guān),對(duì)于PMV、空氣齡、吹風(fēng)感、垂直溫差這4 項(xiàng)指標(biāo),均為其絕對(duì)值越小越好,因此應(yīng)選擇指標(biāo)小所對(duì)應(yīng)水平作為優(yōu)水平。
表5 正交設(shè)計(jì)極差分析結(jié)果表
從表5 中比較四種因素的極差R 值大小可以看出各送風(fēng)參數(shù)與壁面溫度對(duì)舒適性的影響,R 值越大,代表各因素對(duì)結(jié)果的影響越大。
依據(jù)表5 直觀分析,以PMV 為評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí),影響因素由大到小排列為:送風(fēng)溫度(0.5193)>送風(fēng)角度(0.4867)>壁面溫度(0.372)>送風(fēng)速度(0.1407)。優(yōu)水平組合為A2B3C3D1,即送風(fēng)角度取20°,送風(fēng)溫度取27 ℃,送風(fēng)速度取1.2 m/s,此時(shí)壁面溫度為10 ℃。
以空氣齡為評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí),影響因素由大到小排列為:送風(fēng)角度(620.469)>送風(fēng)速度(579.1227)>送風(fēng)溫度(111.7815)>壁面溫度(57.1447)。優(yōu)水平組合為A1B1C4D1,即送風(fēng)角度取0°,送風(fēng)溫度取23 ℃,送風(fēng)速度取1.8 m/s,此時(shí)的壁面溫度為10 ℃。
以吹風(fēng)感為評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí),影響因素由大到小排列為:送風(fēng)速度(4.2217)>送風(fēng)溫度(2.0503)>壁面溫度(1.9297)>送風(fēng)角度(1.3235)。優(yōu)水平組合為A3B4C1D4,即送風(fēng)角度取40°,送風(fēng)溫度取29 ℃,送風(fēng)速度取0.9 m/s,此時(shí)的壁面溫度為16 ℃。
以垂直溫差為評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí),影響因素由大到小排列為:壁面溫度(0.8105)>送風(fēng)速度(0.8105)>送風(fēng)角度(0.787)>送風(fēng)溫度(0.6838)。優(yōu)水平組合為A4B1C4D4,即送風(fēng)角度取60°,送風(fēng)溫度取23 ℃,送風(fēng)速度取1.8 m/s,此時(shí)的壁面溫度為16 ℃。
值得注意的是,壁面溫度表征室外氣象,無法進(jìn)行人為調(diào)節(jié)。因此在優(yōu)化時(shí),將壁面溫度固定為某值,通過調(diào)節(jié)送風(fēng)參數(shù)對(duì)送風(fēng)方案進(jìn)行優(yōu)化。綜合考慮到壁面溫度對(duì)各舒適性指標(biāo)的影響程度不同,且各舒適性指標(biāo)最佳時(shí)壁面溫度不同,優(yōu)化工況設(shè)置壁面溫度為14 ℃。
對(duì)于多指標(biāo)評(píng)價(jià)正交試驗(yàn)分析,在確定優(yōu)化方案時(shí),可采用綜合平衡法[11],即先對(duì)每個(gè)指標(biāo)分別進(jìn)行單指標(biāo)的直觀分析,再對(duì)各指標(biāo)的分析結(jié)果進(jìn)行綜合比較和分析,從而得出較優(yōu)方案。
對(duì)本文模型進(jìn)行分析,擬確定優(yōu)化工況為A2B3C1或A2B3C4。在模擬中發(fā)現(xiàn)送風(fēng)速度(C)對(duì)空氣齡、吹風(fēng)感影響較大,就空氣齡而言,C 因素的1 水平和4 水平,吹風(fēng)感均已達(dá)到舒適性要求,因此選擇可使空氣齡較佳的4 水平。最終選擇的優(yōu)化工況為A2B3C4,即送風(fēng)角度20°、送風(fēng)溫度27 ℃、送風(fēng)速度1.8 m/s、壁面溫度為14 ℃。
以此條件下對(duì)模型進(jìn)行模擬驗(yàn)證,結(jié)果見圖5。
圖5 優(yōu)化方案模擬結(jié)果
通過模擬結(jié)果,得到該優(yōu)化工況的PMV 為0.15、空氣齡為385s、吹風(fēng)感為6.7%、垂直溫差為1.2 ℃。該優(yōu)化工況的PMV 處于-0.2~0.2、吹風(fēng)感<10%、垂直溫差<2 ℃,均達(dá)到了ISO 7730 A 級(jí)舒適性等級(jí)[12]。經(jīng)過參數(shù)優(yōu)化后,將模擬結(jié)果與優(yōu)化前進(jìn)行對(duì)比,優(yōu)化工況的空氣齡最小。從而驗(yàn)證了正交設(shè)計(jì)方法,通過綜合平衡法確定優(yōu)化方案的可靠性,證實(shí)通過正交設(shè)計(jì)確定優(yōu)化工況的方法是可行的。
本文針對(duì)一個(gè)層式通風(fēng)供暖小型辦公房間,采用正交設(shè)計(jì)的方法分析了不同因素對(duì)室內(nèi)舒適性的影響,得出如下結(jié)論:
1)對(duì)PMV 影響最大的送風(fēng)參數(shù)為送風(fēng)溫度,對(duì)空氣齡影響最大的送風(fēng)參數(shù)為送風(fēng)角度,對(duì)吹風(fēng)感影響最大的送風(fēng)參數(shù)為送風(fēng)速度,對(duì)垂直溫差影響最大的送風(fēng)參數(shù)為壁面溫度。
2)當(dāng)壁面溫度為14 ℃,優(yōu)化方案為送風(fēng)角度20°、送風(fēng)溫度27 ℃、送風(fēng)速度1.8 m/s。通過Fluent 模擬驗(yàn)證后,發(fā)現(xiàn)通過綜合平衡法得到的優(yōu)化工況,各項(xiàng)舒適性指標(biāo)達(dá)到ISO 7730 A 級(jí)舒適性要求。