辦公建筑碰撞射流通風(fēng)室內(nèi)熱環(huán)境特征研究

葉梅 陳童 鐘珂

1 中國海誠工程科技股份有限公司

2 東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

0 引言

碰撞射流通風(fēng)系統(tǒng)（Impinging Jet Ventilation,IJV）作為一種新型通風(fēng)方式在過去十年間受到廣泛關(guān)注[1-2]。IJV 系統(tǒng)中，新鮮空氣由房間下部噴口高動量送出，垂直撞擊地板，在地板上形成薄空氣層后逐漸擴散[1]，供暖時可以克服了混合通風(fēng)（Mixing Ventilation,MV）溫度分布下冷上熱的缺點[2]，供冷時具有與置換通風(fēng)（Displacement Ventilation,DV）相近的溫度分層特征。Karimipanah 等[3]通過實驗和 CFD 模擬比較了IJV 和DV 系統(tǒng)的通風(fēng)性能，結(jié)果表明，IJV 和 DV 室內(nèi)通風(fēng)氣流流態(tài)相似，但 IJV 系統(tǒng)具有更高的通風(fēng)效率和更均勻的速度分布。Chen 等[4]主要運用CFD 數(shù)值模擬并加以實驗驗證，研究了 IJV 等溫和供冷時的氣流流動特性，并通過改變多項送風(fēng)參數(shù)，評估了主要送風(fēng)參數(shù)對室內(nèi)熱舒適性的影響。

辦公建筑是人員長時間工作和活動的重點區(qū)域，目前我國辦公建筑空調(diào)通風(fēng)方式通常采用 MV 來滿足區(qū)域內(nèi)人員的舒適性需求，在供冷、供暖兩用模式下，MV 難以有效平衡辦公建筑中人員舒適性和空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能降耗的目標(biāo)[5]。因此，辦公建筑可作為 IJV 系統(tǒng)用于實際建筑的典型研究案例。值得注意的是，現(xiàn)今辦公建筑IJV 系統(tǒng)熱環(huán)境特征尚無人涉及，為此本文將針對于辦公建筑IJV 系統(tǒng)的室內(nèi)溫度分布，熱舒適性和能耗等熱環(huán)境特征展開研究，為 IJV 系統(tǒng)推廣與應(yīng)用進一步提供研究基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)。

1 計算模型和研究方法

1.1 計算模型及邊界條件

辦公建筑空間布局如圖 1 所示，相鄰柱網(wǎng)空間內(nèi)的空調(diào)送，回風(fēng)口分布方式和位置相同?？紤]到建筑的對稱性，選取一半柱距單位作為研究空間。

圖1 物理模型平面圖

物理模型幾何尺寸為長（x）× 寬（y）× 高（z）=4.5 m× 9 m× 3.9 m，碰撞射流送風(fēng)管緊貼建筑結(jié)構(gòu)柱布置。送風(fēng)口尺寸為0.3 m× 0.3 m，距離地面高度0.3 m。回風(fēng)口尺寸為0.3 m× 0.3 m，位于室內(nèi)頂棚后方正中央。外窗尺寸為寬× 高=3 m× 2.1 m，位于南外墻，外窗的上下沿各設(shè)立了寬為0.06 m 的窗縫。模型房間內(nèi)設(shè)有8 個坐姿狀態(tài)的人（0.4 m× 0.4 m× 1.1 m）、8 臺電腦（0.4 m× 0.5 m× 0.5 m）和 4 張辦公桌（1.6 m× 1.2 m）用于模擬辦公室內(nèi)人員、設(shè)備等熱源的散熱過程，房間內(nèi)熱源具體布置如圖2 所示。人體和電腦散熱量分別為60 W/人、100 W/臺，均采用熱流密度作為邊界條件。研究空間除南墻外其余3 面設(shè)為對稱面，所有壁面均設(shè)置為無滑移。

圖2 辦公建筑IJV 風(fēng)口及熱源布置

本文假設(shè)供冷房間內(nèi)空氣為三維連續(xù)不可壓縮流體，計算過程中認為流體屬性不變。湍流模型選用RNGk-ε模型，采用二階迎風(fēng)格式對離散方程進行離散化，SIMPLE 算法用于求解離散方程。考慮到室內(nèi)空氣受到由溫差引起的浮力影響，空氣密度采用Boussinesq 近似。送、回風(fēng)口分別定義為 velocity-inlet和outflow，以保證進、出口質(zhì)量流量相等。

本文選取上海作為計算模型的位置地點，查閱文獻計算得，南 外墻壁面熱流密度為 7.81 W/m2，室 內(nèi)設(shè)計溫度Tr=26 ℃?？諝馔ㄟ^窗戶縫隙進入或流出房間滲透熱量，受到風(fēng)速和溫度引起的壓力影響，上下窗縫入口設(shè)置為 velocity-inlet，滲透速度為 0.036 m/s，溫度為室外溫度34.6 ℃。

1.2 研究方法

通風(fēng)系統(tǒng)中送風(fēng)參數(shù)變化會對室內(nèi)熱環(huán)境和人員舒適性產(chǎn)生重要影響，送風(fēng)參數(shù)主要包含送風(fēng)速度和送風(fēng)溫度兩部分，送風(fēng)速度控制了送風(fēng)氣流所受慣性力的大小，而送風(fēng)溫差決定了送風(fēng)氣流所受浮力的大小。慣性力和熱浮力對送風(fēng)氣流的綜合作用效果可以通過浮力射流長度尺度l m 直接表現(xiàn)[6]，l m 定義式如下：

式中：M和B分別為送風(fēng)動量通量和浮力通量；Q為送風(fēng)口單位長度的體積流量，m3/ s；S為送風(fēng)口面積，m2；g為重力加速度，m/s2。

本文根據(jù)通風(fēng)房間層高H，引入無量綱化熱長度尺度Lm，其定義式為：

本文取6 種不同Lm工況進行模擬，分別為 1.73、1.56、1.22、1.07、0.9、0.76，6 種工況下均保證了 2.0 m高度工作區(qū)達到相同的舒適溫度（26.0± 0.5 ℃），模擬時各送風(fēng)參數(shù)組合詳細見表1。

表1 不同送風(fēng)參數(shù)組合匯總表

本文選取人員附近典型位置用于分析室內(nèi)熱舒適性特征。圖3 所示為結(jié)果與分析中所取的典型位置示意，其中有靠近風(fēng)口位置點，遠離風(fēng)口位置點和房間中心位置點。三條取樣線均以送風(fēng)口為起點，處于0.1 m 高度平面，分別為：沿 x 方向的取樣線 1，沿 45°方向的取樣線2 和沿y 方向的取樣線3。

圖3 典型位置選取示意

2 研究結(jié)果與分析

2.1 送風(fēng)參數(shù)變化對室內(nèi)溫度和流線分布的影響

圖4 所示為不同Lm工況下穿過人體模型中心的室內(nèi)溫度和流線分布。從圖4 可以看出，Lm=1.56 時，送風(fēng)慣性力占據(jù)主導(dǎo)作用，送風(fēng)氣流保留了足夠的動量達到房間頂部，室內(nèi)溫度分布均勻。當(dāng)Lm=1.22 時，南墻加熱附近空氣形成的熱氣流上浮至房間上半?yún)^(qū)，室內(nèi)開始形成一定程度的溫度分層。當(dāng)Lm下降到 0.9時，室內(nèi)已形成穩(wěn)定的溫度分層，南墻得熱對室內(nèi)溫度分布影響較小，熱量在房間上部排風(fēng)區(qū)聚集，上下部空間形成了獨立的渦流區(qū)，且存在明顯垂直溫差。當(dāng)Lm繼續(xù)減小至0.76，室內(nèi)溫度分層現(xiàn)象更加明顯，工作區(qū)溫度降低，排風(fēng)區(qū)溫度繼續(xù)升高，上下部空間的垂直溫差逐漸增大?？傮w上看，送風(fēng)參數(shù)變化（即Lm下降），室內(nèi)溫度分布存在從均勻分布到溫度分層的變化過程，且Lm越小，室內(nèi)通風(fēng)效果越接近 DV。

圖5 給出了不同Lm工況室內(nèi)沿?zé)o量綱高度方向的垂直溫差和速度分布。從圖5 可以看出，室內(nèi)垂直溫差整體上隨著的Lm降低而增大，當(dāng)Lm為 1.73 和1.56 時，因送風(fēng)速度較大，全室渦流存在，室內(nèi)垂直溫差較小，伴隨Lm的逐漸降低，室內(nèi)溫度分層效果深入，垂直溫差顯著增加。速度分布中各Lm工況表現(xiàn)出高度的一致性，在近地面處速度分布相對較高，并隨著高度上升迅速衰減，而近地面高速度分布易造成人員腳踝和小腿處的吹風(fēng)感。因此，近地面處人員吹風(fēng)感是本文室內(nèi)人員熱舒適討論的重點。

圖5 不同Lm 工況下室內(nèi)的垂直溫差和速度分布

2.2 送風(fēng)參數(shù)變化對近地面處人員吹風(fēng)感的影響

本文選取室內(nèi)典型位置和0.1 m 高度平面分析送風(fēng)參數(shù)變化對人員吹風(fēng)感的影響。引入 Fanger 等[7]提出的 PD 模型，預(yù)測因吹風(fēng)感而引起人員不舒適度，PD 計算式如下：

式中：PD 表示由于吹風(fēng)引起房間人員的不滿意率，%；T為室內(nèi)溫度，℃；Tcl為服裝表面溫度，取 34 ℃；V為室內(nèi)空氣氣流速度，m/s；Tu為紊流強度，%，ASHRAE55-2017標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：室內(nèi)人員無明顯吹風(fēng)感時PD 值不應(yīng)超過20%。

圖7 所示為室內(nèi)人員附近典型位置的PD 垂直分布。從圖6 可以發(fā)現(xiàn)，室內(nèi)遠離風(fēng)口位置和中心位置在近地面處PD 值相對較高，并隨著高度上升逐漸減小，高Lm工況下 PD 表現(xiàn)較高，但各工況的室內(nèi)整體吹風(fēng)感均滿足要求。對于靠近風(fēng)口位置，室內(nèi)整體空間 PD 較小，和遠離風(fēng)口位置、中心位置表現(xiàn)一致；而在近地面處，各工況 PD 均小幅度超過 20%，超出ASHRAE55-2017 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍，可能對送風(fēng)口附近人員腳踝造成一定程度的吹風(fēng)感影響。

圖6 人員附近典型位置的PD 垂直分布

圖7 給出了0.1 m 高度平面（即腳踝高度）三種取樣方向PD 值與送風(fēng)口距離的變化情況。從圖 7 中可以看出，沿x方向上，與送風(fēng)口距離相同位置處，PD 隨著Lm的減小而降低。所有工況在靠近風(fēng)口附近PD 值均較高，人員腳踝處吹風(fēng)感強烈，而 PD 值隨著與送風(fēng)口距離的增大而快速減小，約在 0.8 m（Lm=0.76）～1.8 m（Lm=1.73）處滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。在人員辦公的45°方向上，不同Lm工況的 PD 變化趨勢相同，約在距離送風(fēng)口1.2 m 處開始顯著降低，所有工況下辦公人員活動區(qū)附近的PD 值均小于 20%，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。此外，對于沿y方向，因IJV 兩側(cè)風(fēng)口對稱布置，在距離風(fēng)口方向上PD 值呈對稱性分布。Lm從1.73 減小至0.76 時，PD分布小于20%的送風(fēng)口距離從3.5 m 下降到 1.8 m，明顯高于PD 值沿x方向上的分布。因此，為滿足辦公建筑室內(nèi)人員舒適性需求，人員工位應(yīng)避免正對 IJV 送風(fēng)口布置，且盡量保證1.2 m 以上的送風(fēng)口距離。

圖7 三種取樣方向PD 值與送風(fēng)口距離的變化情況

2.3 送風(fēng)參數(shù)變化對通風(fēng)能量利用率的影響

圖8 所示為6 種Lm工況下室內(nèi)整體空間、排風(fēng)和1.8 m 以下工作空間的平均溫度。可以看出，室內(nèi)冷負荷相同時，不同Lm工況的全室整體空間平均溫度基本一致；隨著Lm的不斷減小，室內(nèi)垂直溫度從均勻分布到逐漸形成溫度分層，且Lm越小分層效果更加明顯，導(dǎo)致了室內(nèi)余熱在排風(fēng)區(qū)聚集，表現(xiàn)為排風(fēng)溫度逐漸升高，而 1.8 m 工作區(qū)以下空間的平均溫度不斷降低。

圖8 不同空間位置的平均溫度比較

本文利用能量利用系數(shù)η分析 IJV 系統(tǒng)能量利用的有效性，計算式如下：

式中：te為排風(fēng)溫度；ts為送風(fēng)溫度；toz則為工作區(qū)平均溫度。

圖9 所示為 IJV 能量利用系數(shù)η隨著Lm的變化趨勢?？梢钥闯觯请S著的Lm增大而減小，當(dāng)Lm=0.76時，室內(nèi)因溫度分層存在，通風(fēng)能量利用率較高，達1.76。而Lm增大至1.73 時，因室內(nèi)垂直溫度分布均勻，η顯著降低，僅為1.1。此外，η的擬合公式R2達0.979，擬合精度高，可用于預(yù)測不同送風(fēng)參數(shù)工況下辦公建筑IJV 系統(tǒng)的能量利用效率。

圖9 能量利用率η 隨Lm 的變化趨勢

3 結(jié)論

辦公建筑可作為 IJV 系統(tǒng)用于實際建筑的典型研究案例。本文利用數(shù)值模擬的方法研究了辦公建筑IJV 系統(tǒng)的室內(nèi)溫度分布，熱舒適性和能耗等熱環(huán)境特征。主要結(jié)論如下：

1）送風(fēng)參數(shù)Lm從1.73 減小至0.76，I JV 室內(nèi)溫度分布存在從均勻分布到溫度分層的變化過程，且Lm越小，溫度分層現(xiàn)象更加明顯，工作區(qū)溫度降低，排風(fēng)區(qū)溫度升高，上下層的垂直溫差逐漸增大，室內(nèi)通風(fēng)效果越接近DV。

2）不同Lm工況下室內(nèi)人員活動區(qū) 0.1 m 腳踝高度處的PD 值均小于20%，滿足舒適性要求。IJV 送風(fēng)口附近人員具有較強吹風(fēng)感，人員工位布置應(yīng)避免正對IJV 送風(fēng)口，且盡量保證1.2 m 以上的送風(fēng)口距離。

3）I JV 室內(nèi)形成溫度分層可顯著提高系統(tǒng)能量利用率，能量利用系數(shù)η隨著的Lm增大而減小，當(dāng)Lm=0.76 時，通風(fēng)能量利用率較高，達 1.76；Lm增大至 1.73時，η僅為1.1。建立了η的擬合公式，可用于評估不同送風(fēng)參數(shù)下辦公建筑IJV 系統(tǒng)的節(jié)能潛力。