工位送風(fēng)口形式對(duì)辦公室內(nèi)氣流分布的影響研究

孫麗穎 ,吳 靈,郭昊霖*, 文志東,賀 征

(1.哈爾濱工程大學(xué) 航天與建筑工程學(xué)院， 哈爾濱150001; 2.湖南省建筑設(shè)計(jì)院有限公司，長(zhǎng)沙 410006)

在辦公建筑中，工作人員在室內(nèi)度過的時(shí)間超過80%，辦公環(huán)境的空氣品質(zhì)及舒適性直接影響人們的工作效率和身體健康.因此，如何通過合理的氣流組織實(shí)現(xiàn)室內(nèi)良好的舒適性和空氣品質(zhì)有必要進(jìn)行深入的研究.

工位送風(fēng)是一種控制工作區(qū)微環(huán)境的送風(fēng)方式，它既能有效補(bǔ)充新風(fēng)又可以提高排出污染物的效率，辦公室內(nèi)采用工位送風(fēng)在提供高質(zhì)量室內(nèi)環(huán)境的同時(shí)，又有節(jié)能潛力，近年來越來越被專家學(xué)者們所關(guān)注.關(guān)于應(yīng)用工位送風(fēng)的辦公室內(nèi)氣流分布前人已有很多相關(guān)研究.李戈[1]利用ANSYS CFX軟件對(duì)五種桌面式個(gè)性化送風(fēng)方式進(jìn)行研究，研究結(jié)果表明，當(dāng)個(gè)性化送風(fēng)溫度在21～22 ℃之間、送風(fēng)量在30～90 m3/h之間、背景溫度在27～28 ℃之間時(shí)工位熱舒適性較好，不滿意率較低.王月梅[2]提出胸部送風(fēng)的工位空調(diào)方式，并對(duì)24名受試者利用主觀投票的方法得出人體熱感覺在采用胸部工位送風(fēng)的工況下比背景環(huán)境更加偏向于中性與涼，同時(shí)提出了胸部工位送風(fēng)的合理參數(shù).任雨婷與端木琳等人[3]利用等效溫度對(duì)于工位空調(diào)所產(chǎn)生的非均勻熱環(huán)境情況下的整體熱感覺以及局部熱感覺進(jìn)行了研究，通過熱感覺以及等效溫度得出了工位送風(fēng)的等效溫度舒適區(qū).劉飛[4]等人對(duì)辦公室空調(diào)風(fēng)口傾角對(duì)溫度場(chǎng)的影響進(jìn)行了研究.王駿順[5]對(duì)桌面送風(fēng)冬季適宜的工位送風(fēng)參數(shù)進(jìn)行了分析.李紅擴(kuò)、龍杰、端木琳等人均從不同角度對(duì)工位送風(fēng)的參數(shù)進(jìn)行了相關(guān)研究，得出了適宜的工位送風(fēng)參數(shù)[6-8].郭爽[9]等人對(duì)背景溫度及送風(fēng)參數(shù)對(duì)人體舒適性的影響進(jìn)行了研究，并推薦工位送風(fēng)的速度不宜超過1.0 m/s.Aleksandra Lipczynska[10]通過模擬兩人辦公室對(duì)冷卻吊頂與個(gè)性化通風(fēng)進(jìn)行了研究，通過與傳統(tǒng)的通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)使用個(gè)性化送風(fēng)與冷卻吊頂相結(jié)合對(duì)于提高熱舒適具有顯著作用.Marta Chludzińska[11]對(duì)人前方的矩形個(gè)性化送風(fēng)孔板的穿孔形狀進(jìn)行了研究，針對(duì)320 mm×150 mm矩形風(fēng)口上的的六種孔口進(jìn)行了分析，得出小孔尺寸為5 mm時(shí)獲得的冷卻效果最好.

通過相關(guān)文獻(xiàn)可以看出，很多學(xué)者對(duì)工位送風(fēng)進(jìn)行了研究，但是對(duì)工位送風(fēng)口形式對(duì)辦公室內(nèi)空氣品質(zhì)與人員熱舒適性的影響研究卻相對(duì)較少，因此，本文選取一小型辦公室作為研究對(duì)象，應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)方法對(duì)辦公室采用工位送風(fēng)時(shí)的氣流分布進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)不同的工位送風(fēng)口形式進(jìn)行對(duì)比分析，進(jìn)而給出較為適宜的工位送風(fēng)口形式，以期為工位送風(fēng)在辦公室中的設(shè)計(jì)應(yīng)用提供技術(shù)參考.

1 模擬計(jì)算

1.1 物理模型

本文的研究對(duì)象為哈爾濱某四人辦公室，采用輻射板與工位送風(fēng)復(fù)合系統(tǒng).辦公室的尺寸為6.3 m×4.2 m×3.6 m(長(zhǎng)×寬×高).輻射板設(shè)置在側(cè)墻與隔板處,工位送風(fēng)口位于桌面上方,房間的物理模型如圖1所示.擬對(duì)比的四種送風(fēng)口形式為百葉風(fēng)口(上下出流張角40°)和孔徑分別為3、5、10 mm的孔板送風(fēng)口.風(fēng)口尺寸均為240 mm×135 mm.夏季室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為26 ℃,設(shè)計(jì)相對(duì)濕度為50%.

1—門；2—側(cè)墻輻射板；3—隔板輻射板；4—燈；5—排風(fēng)口；6—南外窗；7—人體；8—電腦；9—桌面；10—桌面工位送風(fēng)口

1.2 邊界條件

1)入口邊界條件：根據(jù)參考文獻(xiàn)[12]的研究成果，工位送風(fēng)溫度取22 ℃，送風(fēng)量為60 m3/(h·人).輻射板表面溫度為20 ℃.

2)出口邊界條件：室內(nèi)設(shè)有1個(gè)300 mm×280 mm的回風(fēng)口，有效面積系數(shù)為0.75.

3)固體壁面邊界條件：南外墻熱流密度為3.9 W/m2；南外窗熱流密度為125.1 W/m2；其余壁面與空調(diào)房間相鄰，按絕熱處理.

4)室內(nèi)熱源邊界條件：設(shè)室內(nèi)人員為輕工作量，則人體呼出CO2量為0.004 L/s[13]，人體散熱量為73 W/人[14]；燈具散熱量為80 W/盞；電腦散熱量為180 W/臺(tái).

1.3 數(shù)學(xué)模型

本文選用RNGk-ε湍流模型和DO輻射模型對(duì)辦公室內(nèi)氣流分布進(jìn)行模擬.假設(shè)辦公室內(nèi)流場(chǎng)為常溫、低速、不可壓縮的定常流動(dòng)，符合Boussinesq假設(shè)，并且是自然對(duì)流、強(qiáng)迫對(duì)流和輻射換熱都存在的湍流流動(dòng).求解的控制方程如式(1)所示[15].

(1)

對(duì)式(1)采用SIMPLEC算法聯(lián)接壓力和速度，采用六面體網(wǎng)格，對(duì)風(fēng)口處氣流變化比較劇烈的地方進(jìn)行局部加密，網(wǎng)格數(shù)量為1.60×106.

2 送風(fēng)口形式對(duì)辦公室內(nèi)氣流分布的影響

為分析不同送風(fēng)方式對(duì)辦公室內(nèi)氣流分布的影響，本文選取溫度、速度、污染物質(zhì)量濃度、吹風(fēng)感、PMV等指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，對(duì)比分析不同送風(fēng)口形式對(duì)室內(nèi)熱舒適性與空氣品質(zhì)的影響.

2.1 溫度場(chǎng)分布

在采用輻射板供冷的辦公室內(nèi)，分別對(duì)采用百葉風(fēng)口和不同孔徑孔板風(fēng)口送風(fēng)時(shí)時(shí)的室內(nèi)氣流組織進(jìn)行模擬，辦公人員所在截面的室內(nèi)溫度分布如圖2所示.

圖2 溫度場(chǎng)分布

從圖2中可以看出，采用四種風(fēng)口時(shí)的室內(nèi)整體溫度分布較為均勻，由于電腦和人體自身熱輻射的作用，在人體附近的溫度略高；由于側(cè)墻輻射板的冷輻射作用，使得輻射板周邊溫度略低，采用四種不同風(fēng)口時(shí)人體所在工作區(qū)的平均溫度均在24.8～24.9 ℃之間.其中，側(cè)送風(fēng)時(shí)人員周圍的溫度分布處于23～25 ℃之間,溫度略低；而不同孔徑孔板風(fēng)口送風(fēng)時(shí)人員周圍的溫度分布處于24～26 ℃之間，人員舒適性更佳，其中，3 mm孔徑孔板風(fēng)口形成的溫度場(chǎng)更加均勻.

2.2 速度場(chǎng)分布

辦公人員所在截面的室內(nèi)速度分布如圖3所示.從圖3中可以看出，人體附近風(fēng)速基本都處在0.01～0.3 m/s的范圍,滿足人體舒適性要求.與百葉風(fēng)口送風(fēng)相比，孔板風(fēng)口送風(fēng)時(shí)的速度場(chǎng)更加均勻.這主要是因?yàn)榘偃~風(fēng)口的送風(fēng)風(fēng)速大于孔板風(fēng)口，進(jìn)而帶動(dòng)了周圍更多的空氣流動(dòng)，人體周圍速度也相應(yīng)增大.

圖3 速度場(chǎng)分布

2.3 PMV分布

4種方案的PMV分布如圖4所示.從圖4中可以看出，除了10 mm孔徑孔板風(fēng)口外的其他風(fēng)口送風(fēng)時(shí)人體表面PMV均分布在0.33～0.49之間，處在熱中性范圍內(nèi)，人體感覺比較舒適.采用10 mm孔徑孔板風(fēng)口送風(fēng)時(shí)人體表面PMV分布在0.68～0.81之間，人體感覺微熱.這主要是因?yàn)椴捎?0 mm孔徑孔板風(fēng)口送風(fēng)時(shí)送風(fēng)氣流速度較低，所以其室內(nèi)的PMV也相對(duì)較高.

2.4 濃度場(chǎng)分布

本文用人體說話時(shí)產(chǎn)生的氣溶膠顆粒作為室內(nèi)污染物的散發(fā)源,研究對(duì)象為粒徑為1 μm的氣溶膠顆粒，假設(shè)人嘴噴射氣流的速度為2 m/s，噴射氣溶膠顆質(zhì)量流量為0.085 μg/s[14].圖5為采用不同方案時(shí)的室內(nèi)顆粒污染物質(zhì)量濃度分布圖.從圖5中可以看出，采用不同方案時(shí)的房間顆粒物質(zhì)量濃度分布各不相同，送風(fēng)口形式是影響顆粒物質(zhì)量濃度分布的主要因素之一.從圖5中可以看出，由于人體為主要污染源，所以人體及其頭部上方區(qū)域的顆粒物質(zhì)量濃度相對(duì)較高.四種送風(fēng)形式中孔板送風(fēng)時(shí)室內(nèi)人員附近的顆粒物質(zhì)量濃度明顯低于百葉送風(fēng)；采用3、5 mm孔徑的孔板風(fēng)口送風(fēng)時(shí)，室內(nèi)人員呼吸區(qū)附近的顆粒物質(zhì)量濃度相對(duì)較低.

圖4 人體表面PMV分布

圖5 室內(nèi)顆粒污染物質(zhì)量濃度分布

3 結(jié) 語

本文對(duì)百葉風(fēng)口和三種不同孔徑的孔板送風(fēng)口送風(fēng)進(jìn)行了對(duì)比研究，比較了風(fēng)口形式對(duì)辦公室內(nèi)溫度、速度和污染物質(zhì)量濃度分布的影響.得出以下結(jié)論：采用四種風(fēng)口送風(fēng)均能滿足室內(nèi)溫度、速度和污染物質(zhì)量濃度的設(shè)計(jì)要求.從溫度場(chǎng)分布可以看出，采用孔徑為3 mm的孔板送風(fēng)時(shí)室內(nèi)溫度更加均勻.從速度場(chǎng)分布可以看出，和百葉風(fēng)口送風(fēng)相比，孔板風(fēng)口送風(fēng)時(shí)的速度場(chǎng)更加均勻.從PMV分布可以看出，除10 mm孔徑孔板風(fēng)口外的其他風(fēng)口送風(fēng)時(shí)均滿足人體熱舒適性要求.從污染物質(zhì)量濃度分布可以看出，孔板風(fēng)口送風(fēng)時(shí)人員附近的顆粒物質(zhì)量濃度明顯低于百葉送風(fēng)；采用3、5 mm孔徑的孔板風(fēng)口送風(fēng)時(shí)，室內(nèi)人員呼吸區(qū)附近的顆粒物質(zhì)量濃度相對(duì)較低.綜合比較各送風(fēng)口形式，推薦采用孔徑為3 mm的孔板風(fēng)口送風(fēng)方案.