基于置換通風的無管工位送風氣流組織特性

郇超　孫雪花　于群　趙玉嬌　屠冰冰

摘 要：建立了適用于無管工位送風與置換通風復合空調系統(tǒng)性能分析的CFD數(shù)值模型，并探討了工位送風參數(shù)及房間圍護結構傳熱對復合空調系統(tǒng)下室內熱舒適及空氣品質的影響。結果表明，與單置換通風相比，加入無管工位送風可顯著提高空調系統(tǒng)的負荷承擔能力及空調房間背景溫度，在合理的送風參數(shù)下，無管送風與置換通風復合系統(tǒng)可在約100 W/m2的圍護結構（如大面積玻璃幕墻）傳熱負荷下營造出人體可接受的熱環(huán)境。此外，與置換通風相比，復合系統(tǒng)下人體呼吸區(qū)內的空氣齡顯著降低，室內空氣品質較好。研究結果驗證了無管工位送風與置換通風復合系統(tǒng)在空調能效提升方面具有很好的潛力。

關鍵詞：工位送風;置換通風;熱舒適模型;空氣齡;計算流體動力學

中圖分類號：X 936?? 文獻標識碼：A?? 文章編號：1672-7312（2020）06-0596-06

A study on Air Distribution Performance of Ductless Task Ventilation in Conjunction with Displacement Ventilation

HUAN Chao1，SUN Xue-hua2，YU Qun3，ZHAO Yu-jiao1，TU Bing-bing4

（1.College of Energy Engineering，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China;

2.College of Humanities and Foreign Languages，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China;

3.The Engineering Design Academy of Changan University，Co.，Ltd.，Xian 710064，China;

4.College of Sciences，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China;）

Abstract：This study proposed a validated CFD model that is used to investigate the system performance of ductless task ventilation（DTV）in conjunction with displacement ventilation（DV）.Under DTV system，effects of air supply parameters of task ventilation as well as heat transfer of building envelope on the indoor thermal comfort and air quality was numerically evaluated.The results indicate that in comparison with DV，the handling load and room temperature could be significantly improved under DTV system.With an envelope（especially large curtain wall）heat transfer of 100 W/m2，acceptable thermal environment for indoor occupants could be achieved under DTV in the condition of reasonable air supply parameters.Furthermore，compared to DV，DTV system could effectively reduce the air age in the breathing zone of occupants and subsequently provide better inhaled air.This study manifests the considerable potential of DTV to improve the energy efficiency of an air conditioning system.

Key words：task ventilation;displacement ventilation;thermal comfort model;air age;computational fluid dynamics

0 引言當今，人們近80%～90%的時間處于室內環(huán)境中[1-2]，室內環(huán)境的質量已與人們的健康狀況及社會經(jīng)濟效益息息相關。不良的室內環(huán)境會使人胸悶、頭痛、咳嗽、工作效率降低[3-5]。通風空調系統(tǒng)作為控制室內環(huán)境參數(shù)的有效手段之一[6]，被廣泛地應用于現(xiàn)代建筑中，其主要目的是通過引入室外新風，在室內形成合理的氣流組織，有效地移除室內污染物及冷（熱）負荷，減少有害物在室內的囤積，從而為室內人員營造出舒適的熱環(huán)境及良好的空氣品質[7]。但是，在滿足了人們的健康及舒適性需求的同時，通風空調系統(tǒng)也造成了巨大的能源消耗。據(jù)統(tǒng)計，建筑能耗已占社會總能耗的20%～40%[8]，而建筑能耗中40%來自于暖通空調系統(tǒng)（HVAC）[9]。特別是隨著我國城鎮(zhèn)化進程的加快，由建筑空調系統(tǒng)所產生的能耗將更為驚人。因此，如何營造健康、舒適及低能耗的室內環(huán)境已成為“節(jié)能減排”策略中極為重要，也是亟待解決的環(huán)節(jié)。 置換通風作為空調室內常見的氣流組織方式之一，具有節(jié)能高效等優(yōu)勢，已被諸多學者廣泛研究[10-11]。置換通風的基本原理是將新鮮的空氣直接送入房間下部區(qū)域，并在地板附近形成一層較薄的空氣湖（距地面約0.1 m高度）。在熱浮升力的驅動下，房間內氣流向上呈浮升運動，攜帶污染物和熱量的氣流由房間上部排出，在室內形成溫度和污染物濃度分層分布的現(xiàn)象（如圖1所示）。然而，由其運行機理所致，這一空調系統(tǒng)首先冷卻了房間內熱源分布較少的下部區(qū)域，往往會使人體腿部和腳踝部產生不舒適感[12]。此外，該空調系統(tǒng)室內氣流主要受熱浮力驅動，送風速度不可過高，使該系統(tǒng)不適用于空調負荷較大的場合[13]。

基于此，Melikov等學者在置換通風的基礎上，提出了無管送風與置換通風相結合的概念[14]，其示意圖如圖2所示。該系統(tǒng)下的辦公桌內嵌有送風管道，安置于桌面下部的風機充分利用置換通風室內的“空氣湖”，將“空氣湖”中的新鮮低溫氣流吸入，經(jīng)桌面嵌入式風管系統(tǒng)，最終由桌面上部的噴嘴送至人員呼吸區(qū)。該系統(tǒng)可進一步提高空調房間背景溫度，并能避免置換通風條件下室內人員“頭熱腳冷”的不舒適感。

針對工位無管送風與置換通風復合空調系統(tǒng)下的氣流組織方式，相關學者已圍繞送風溫差、送風量[15]、吸風口高度[16]及人員走動干擾等因素展開了一系列研究。然而，關于圍護結構傳熱對該復合空調系統(tǒng)性能的影響卻鮮有報道。為此，擬針對工位無管送風與置換通風復合空調系統(tǒng)，開展CFD數(shù)值模擬分析，探求其在不同圍護結構傳熱條件下的氣流組織特性。研究結果將為這一復合空調系統(tǒng)的負荷承擔能力預測及設計參數(shù)選取提供理論指導。

1 數(shù)值模擬方法

1.1 控制方程 諸多研究工作表明，RNG k-ε模型的適用范圍較廣，且在模擬室內氣流組織及熱對流等方面的準確性較高，模擬結果與實測數(shù)據(jù)較為接近，因此，本研究采用數(shù)值模擬采用RNG k-ε模型。 對于室內空氣流動，RNG k-ε模型中包含連續(xù)性方程、動量方程、能量方程、湍動能及其耗散方程、組分傳輸方程和空氣齡方程。這些方程的通用形式如下

（1）式中：ρ為空氣密度;為通用變量，可表示速度、溫度、空氣齡等變量，Г為有效擴散系數(shù);S為源項。

1.2 邊界條件 文中數(shù)值模擬研究中，采用二階迎風格式對方程進行離散，采用SIMPLE算法對壓力場和速度場進行耦合，對熱浮力的作用分析采用Boussinesq假設，采用DO（Discrete Ordinate）模型分析各圍護結構內壁面的輻射傳熱過程，采用標準壁面函數(shù)法來分析近壁面區(qū)域內的氣流運動。房間送、回風口分別采用速度入口和自由出流邊界，外圍護結構和室內熱源采用定熱流邊界。

1.3 模型驗證 文中采用既有的實驗數(shù)據(jù)[17]，對所建數(shù)值模型邊界條件進行驗證，結果如圖3、圖4所示。由圖3、圖4可知，對于室內氣流速度及溫度，實測數(shù)據(jù)和模擬計算值總體趨勢一致性較好，雖存在一定誤差，但在可接受范圍內，所采用的數(shù)值模擬方法可用于文中復合空調系統(tǒng)的性能分析及評價。

1.4 評價指標 為了評價無管工位送風與置換通風復合空調系統(tǒng)相關性能，根據(jù)熱舒適標準ISO-7730及ASHRAE 55，采用PMV指標對室內熱舒適進行分析;采用空氣齡來表征室內空氣品質。其中PMV是由Fanger教授提出的熱舒適模型，用于綜合預測人體的熱舒適性，該模型表示了人體在特定活動水平下的自身產熱量與人體向環(huán)境散熱量之間不平衡率的指標，其數(shù)值與諸多參數(shù)有關，如空氣溫度、流速、相對濕度、平均輻射溫度、服裝熱阻及人體新陳代謝率等，數(shù)值大小客觀反映了人體在環(huán)境中的熱反應程度，數(shù)值越大，人體熱感越明顯，反之則人體冷感明顯。ASHRAE 55中指出滿足人體熱舒適要求時，PMV數(shù)值應在-0.7～0.7。空氣齡則是指通風過程送入室內的空氣分子通過某特定點時所需要的時間，某點空氣齡數(shù)值越低，表明送風氣流流至該處的時間越短，空氣則越新鮮。

1.5 工況選取模型中空調房間示意圖如圖2所示，房間尺寸為3.9 m×2.9 m× 2.6 m（長×寬×高），新鮮氣流由房間右側墻體下方的風口送入，并在近地面形成“空氣湖”，受熱后進行浮升運行，在浮力及頂部排風口抽吸作用下，經(jīng)由頂部排風口排出。人體附近“空氣湖”中的新鮮氣流由桌內風機吸入，并由桌面工位送風口直接送至人體呼吸區(qū)，其中工位送風口是直徑為0.1 m的圓形噴口。各模擬工況下的邊界條件列于表1，其中ts為房間置換通風送風溫度;Qe為圍護結構傳熱量;v為無管工位送風口出風速度。所有工況下，房間換氣次數(shù)ACH為6.6 次/h，房間內熱源為285 W，由3部分構成：①人體發(fā)熱65 W;②電腦發(fā)熱80 W;③室內照明發(fā)熱140 W。當工位風口送風速度為0時（如工況1），則房間氣流組織形式為單獨的置換通風。

2 結果與討論

2.1

工位送風速度及圍護結構傳熱對室內PMV影響

圖5所示為房間送風溫度ts為19 ℃、換氣次數(shù)為6.6 h-1時，不同工況下y=1.45 m斷面的PMV分布。對比圖5（a）、（b）可發(fā)現(xiàn)，除去人員頭部前側區(qū)域外，兩圖無明顯差異，其中單置換通風條件下（圖5（a））人員頭部前側區(qū)域PMV值接近-0.9，而工位送風裝置開啟后（圖5（b）），人員頭部前側區(qū)域PMV值降至-1.2。這主要是由于工位送風裝置的局部送風增加了人體頭部區(qū)域的氣流擾動，有效降低了該區(qū)域內的PMV值。上述結果表明，與單置換通風相比，無管工位送風對全室整體的PMV值無顯著影響，但對人體頭部區(qū)域的局部熱舒適有較大影響。這表明了無管工位送風與置換通風復合空調系統(tǒng)具有在高溫空調環(huán)境下營造舒適熱環(huán)境的潛力，但是一定要合理選擇工位送風速度，若速度過大，則會引發(fā)室內人員的吹風感。此外，對比圖5（b）、（c）可發(fā)現(xiàn)，對于復合系統(tǒng)而言，在保持其余邊界條件不變情況下，當圍護結構傳熱由0增加至300 W后，全室PMV值將發(fā)生顯著變化。當圍護結構傳熱量為0 W時（圖5（b）），人體附近區(qū)域PMV均為負值，人體處于冷感狀態(tài);當圍護結構傳熱增加為300 W時（圖5（c）），人體附近區(qū)域PMV值均變?yōu)檎?，表明人體處于熱感狀態(tài)。這主要是由于隨著圍護結構傳熱的增大，圍護結構內壁面溫度也隨之增加，致使人體所受輻射溫度升高;同時，圍護結構傳熱還會使室內溫度升高，上述因素綜合作用，使室內PMV值升高，增加了人體熱不舒適的風險。

圖6匯總了在房間送風溫度ts為19 ℃、換氣次數(shù)為6.6 h-1時，不同工位送風速度及圍護結構傳熱負荷條件下，人體前側區(qū)域的PMV值計算結果。其中圍護結構不同的傳熱負荷，是根據(jù)西安地區(qū)夏季氣象參數(shù)，結合冷負荷系數(shù)法計算而得。由圖可知，隨著圍護結構負荷增大，室內PMV值也隨之增大。對于單置換通風（即工位風速為0），當圍護結構熱負荷大致超過50 W/m2時，其室內人體附近PMV值也超出了熱舒適標準的限值要求（-0.7～ 0.7），即超出了空調系統(tǒng)的負荷承擔范圍;加入無管工位送風裝置后，當工位送風速度在0.7～0.9 m/s范圍內變化時，大部分工況下室內PMV值處于舒適區(qū)范圍內，滿足熱舒適標準要求。以上結果則表明單置換通風的負荷承擔能力有限，在置換通風基礎上加入無管工位送風裝置后，若能選擇合理的送風參數(shù)，則可顯著提高空調系統(tǒng)的負荷承擔能力。由圖6還可發(fā)現(xiàn)，當圍護結構熱指標處于100 W/m2以內時，通過調節(jié)送風參數(shù)，無管工位送風與置換通風復合空調系統(tǒng)均可營造出人體可接受的熱舒適環(huán)境。

2.2工位送風速度及圍護結構傳熱對空氣齡影響

圖7為房間送風溫度ts為19 ℃、換氣次數(shù)為6.6 h-1時，不同工況下y=1.45 m斷面的空氣齡分布。在圖7（a）、（b）、（c）中，房間內空氣齡整體上呈現(xiàn)出下部低、上部高的分布特性，這主要是由于置換通風特點所致。置換通風系統(tǒng)下新鮮低溫氣流從房間底部風口送入，沿著地面鋪開，受熱后在密度差的作用下緩慢浮升。因此，房間底部的空氣齡最小，空氣最新鮮。 對比圖7（a）、（b）可發(fā)現(xiàn)，圖7（a）中人員呼吸區(qū)的空氣齡約為575 s，而圖7（b）中人員呼吸區(qū)的空氣齡約為379 s，減小了196 s，已非常接近房間底部空氣齡，表明與單獨的置換通風相比，工位無管送風可顯著減小人員呼吸區(qū)內的空氣齡，提高人體可吸入空氣品質。

此外，對比圖7（b）、（c）可發(fā)現(xiàn)，對于文中的復合送風系統(tǒng)，圍護結構傳熱對室內空氣齡也會產生一定影響。圖7（b）中，圍護結構為絕熱，人體呼吸區(qū)空氣齡約為379 s，當圍護結構熱負荷增加至300 W時，保持其他邊界條件不變，人體呼吸區(qū)內空氣齡也隨之增大至418 s。主要原因是由于圍護結構傳熱使室內空氣溫度升高，送風冷氣流受熱作用增強，可較快的產生浮升運動，致使送風氣流運動至人體附近區(qū)域的速度減緩，從而增加了人體呼吸區(qū)附近氣流的空氣齡。

3 結語

1）與單置換通風相比，加入無管工位送風后對全室整體熱舒適無顯著影響，但對人體頭部區(qū)域的局部熱舒適影響較大。該復合系統(tǒng)在進一步提高房間空調溫度、降低空調能耗方面具有可觀的發(fā)展?jié)摿Α?2）與單置換通風相比，加入無管工位送風后的復合系統(tǒng)在空調負荷承擔能力上具有明顯優(yōu)勢，特別是當存在高強度圍護結構傳熱（如大面積玻璃幕墻）時，該負荷系統(tǒng)仍然具有較好的室內熱舒適營造能力。 3）文中復合系統(tǒng)高效利用了置換通風房間“空氣湖”中的新鮮氣流，與單置換通風相比，該復合系統(tǒng)下人體呼吸區(qū)內的空氣齡可降低100 s以上，顯著提高了人體可吸入空氣品質。

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（責任編輯：張 江）