工位送風(fēng)技術(shù)節(jié)能應(yīng)用研究
——以夏熱冬冷地區(qū)某辦公建筑為例

鐘輝智 劉聯(lián)華 周 航

（中國建筑西南設(shè)計(jì)研究院 成都 610042）

0 引言

通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能對(duì)降低建筑能耗和減少碳排放有著舉足輕重的意義。因此，應(yīng)用一種既節(jié)能又能滿足人員舒適需求的空調(diào)系統(tǒng)，對(duì)凈零能耗建筑的設(shè)計(jì)十分關(guān)鍵。

工位通風(fēng)是在理論上能夠?qū)崿F(xiàn)熱舒適的同時(shí)又節(jié)約能源的一種通風(fēng)方式，通過改變局部熱環(huán)境從而滿足人員舒適性的要求[1]。Antoun 等研究了輻射不對(duì)稱時(shí)個(gè)性化吊頂送風(fēng)系統(tǒng)的性能，發(fā)現(xiàn)吊頂個(gè)性化送風(fēng)系統(tǒng)與混合通風(fēng)相比可以節(jié)能36%[2]。Faulkner 等人對(duì)桌面?zhèn)€性化工位送風(fēng)系統(tǒng)的通風(fēng)效率進(jìn)行了研究，結(jié)果表明個(gè)性化工位通風(fēng)具有節(jié)能的潛力[3]。

此外，人員可以通過對(duì)各自工位送風(fēng)系統(tǒng)的送風(fēng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工作區(qū)微環(huán)境溫度、風(fēng)速、濕度等參數(shù)進(jìn)行控制，滿足自身熱舒適需求[4]。楊建榮等人研究了風(fēng)速、風(fēng)溫等送風(fēng)參數(shù)對(duì)局部熱環(huán)境和空氣品質(zhì)的影響，并通過實(shí)驗(yàn)對(duì)送風(fēng)效果進(jìn)行了分析[5]。Habchi 等從熱舒適和空氣品質(zhì)方面，研究了臺(tái)式扇或座椅扇輔助的頂棚個(gè)性化送風(fēng)系統(tǒng)的性能[6]。Kaczmarczyk 等對(duì)比研究了個(gè)性化送風(fēng)與混合送風(fēng)系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)個(gè)性化送風(fēng)系統(tǒng)能夠提高空氣品質(zhì)并降低建筑綜合癥[7]。

基于此，本設(shè)計(jì)針對(duì)不同氣流組織形式下，人員工作區(qū)的熱舒適和節(jié)能效果進(jìn)行研究，對(duì)個(gè)性化工位送風(fēng)系統(tǒng)在工程實(shí)際中的應(yīng)用潛力進(jìn)行探討。提出了一種多出風(fēng)裝置射流耦合的工位送風(fēng)裝置，對(duì)送風(fēng)系統(tǒng)裝置的有效性進(jìn)行了優(yōu)化，并對(duì)送風(fēng)效果和耗冷量進(jìn)行了橫向比較。

1 工程概況及研究內(nèi)容

辦公樓項(xiàng)目位于成都市天府新區(qū)核心區(qū)興隆湖北側(cè)，項(xiàng)目地塊南側(cè)距興隆湖水面直線距離約200 米，周邊環(huán)境良好，建筑面積為2079.26m2，建筑類型為辦公建筑。項(xiàng)目設(shè)計(jì)目標(biāo)為凈零能耗建筑，預(yù)期實(shí)現(xiàn)采暖和空調(diào)能耗≤40kWh/(m2·a)。

2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

為對(duì)比不同氣流組織形式下，人員工作區(qū)的熱舒適性，對(duì)人員工作區(qū)的溫度和速度進(jìn)行分析，并引入有效吹風(fēng)溫度、氣流分布特性指標(biāo)ADPI 作為評(píng)價(jià)指標(biāo)[8]。有效吹風(fēng)溫度公式如下：

式中，θ為有效溫度差；ti為工作區(qū)某點(diǎn)溫度，℃；tn為室內(nèi)平均溫度，℃；ui為工作區(qū)某點(diǎn)的風(fēng)速，m/s。

對(duì)于辦公室，當(dāng)θ為-1.7～1.1 溫度，ui＜0.35m/s 以下的范圍，大多數(shù)人感覺是舒適的，小于下限值有冷吹風(fēng)感，大于上限值有熱吹風(fēng)感。氣流分布特性指標(biāo)ADPI 為滿足有效吹風(fēng)溫度要求的點(diǎn)占總點(diǎn)數(shù)的百分比，其公式為：

3 數(shù)值模擬及計(jì)算

本設(shè)計(jì)通過選定傳統(tǒng)氣流組織形式中典型的上送下回，與個(gè)性化工位送風(fēng)進(jìn)行對(duì)比，考慮不同氣流組織形式人員工作區(qū)溫度、風(fēng)速等環(huán)境參數(shù)的差異，確定不同氣流組織形式對(duì)人員熱舒適的影響。

本設(shè)計(jì)采用CFD 數(shù)值模擬來對(duì)不同氣流組織形式時(shí)，人員工作區(qū)的溫度、風(fēng)速場，利用ANSYS Fluent 19.2 進(jìn)行計(jì)算。模型選用為6m×6m×3m 房間，上送下回出風(fēng)口距地面高度3m，出風(fēng)口尺寸為0.2m×0.1m，出風(fēng)風(fēng)速為0.5m/s，風(fēng)量滿足GB 50736-2012《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，設(shè)定出風(fēng)溫度為26℃[9]?？紤]人員散熱、計(jì)算機(jī)及顯示屏散熱，將人員設(shè)為定壁溫邊界條件，溫度設(shè)為36℃。計(jì)算機(jī)及顯示器散熱，設(shè)為定熱流密度邊界條件，熱流密度為50W/m2。出風(fēng)口尺寸為0.2m×0.1m，設(shè)置在房間底部距地面高度為0.3m 處。模型采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，在保證計(jì)算精度的前提下，對(duì)出風(fēng)口和人員工作區(qū)平面進(jìn)行了局部加密，劃分結(jié)果如圖1所示。

圖1 上送下回模型及網(wǎng)格劃分Fig.1 Up-and-down model and meshing

k-εStandard 模型是湍流問題中常用的模型，具有計(jì)算穩(wěn)定性好、求解精度高、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)有的氣流組織研究中被大量應(yīng)用[10]。因此，本研究湍流模型選擇k-εStandard 模型作為計(jì)算模型，模型網(wǎng)格數(shù)為1930K。

個(gè)性化工位送風(fēng)分為兩個(gè)方案，方案一是在上送下回形式的基礎(chǔ)上，加入了兩個(gè)工位送風(fēng)裝置，風(fēng)口面積為0.05m×0.05m，個(gè)性化工位送風(fēng)口的出風(fēng)風(fēng)速為0.5m/s，出風(fēng)溫度為24℃。此時(shí)上送風(fēng)口的出風(fēng)風(fēng)速為0.5m/s，出風(fēng)溫度為28℃。其他物理模型設(shè)置條件與上送下回形式保持一致。保證網(wǎng)格數(shù)仍為1930K，選擇k-εStandard 模型作為計(jì)算模型，模擬參數(shù)設(shè)置與上送下回模擬相同。方案二是在上送下回形式的基礎(chǔ)上，加入了一個(gè)工位送風(fēng)裝置，風(fēng)口面積為0.1m×0.05m，其他參數(shù)設(shè)置與方案一相同。

圖2 上送下回+個(gè)性化工位送風(fēng)模型及網(wǎng)格劃分Fig.2 Up-and-down+personalized task air supply model and meshing

4 結(jié)果與討論

4.1 不同氣流組織形式工作區(qū)速度場分析

工作區(qū)風(fēng)速是決定人員熱舒適的關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)，風(fēng)速過大會(huì)導(dǎo)致人員出現(xiàn)吹風(fēng)感，極大的影響人員熱舒適。所以本節(jié)對(duì)不同氣流組織形式下人員工作區(qū)的速度場進(jìn)行分析對(duì)比。

選取人前方0.1m 處作為特征面，對(duì)不同氣流組織形式下人員工作區(qū)的速度場進(jìn)行分析對(duì)比。對(duì)于上送下回氣流組織形式，由于出風(fēng)口距離工作區(qū)較遠(yuǎn)，且受到人員阻礙，工作區(qū)平均風(fēng)速接近為零。方案一的個(gè)性化工位送風(fēng)裝置，可以實(shí)現(xiàn)工作區(qū)有風(fēng)，且工作區(qū)風(fēng)速較小，不會(huì)影響人員出現(xiàn)吹風(fēng)感。對(duì)于方案二的個(gè)性化工位送風(fēng)裝置，工作區(qū)流場均勻性較差，影響人員熱舒適。

圖3 不同氣流組織形式工作區(qū)速度場Fig.3 Velocity field in working area with different air distribution

4.2 不同氣流組織形式工作區(qū)溫度場分析

工作區(qū)溫度直接影響人員熱舒適，所以本節(jié)對(duì)不同氣流組織形式下人員工作區(qū)的溫度場進(jìn)行分析對(duì)比。

選取人前方0.1m 處作為特征面，對(duì)不同氣流組織形式下人員工作區(qū)的溫度場進(jìn)行分析對(duì)比。對(duì)于上送下回氣流組織形式，由于人員及設(shè)備散熱，且工作區(qū)處于無風(fēng)狀態(tài)，難以帶走熱量，工作區(qū)平均溫度為30.2℃。

采用方案一的個(gè)性化工位送風(fēng)裝置，工作區(qū)溫度可以降低1.5℃，工作區(qū)平均溫度降低為28.5℃。對(duì)于方案二的個(gè)性化工位送風(fēng)裝置，工作區(qū)平均溫度可降低1℃，降低至29℃。

圖4 不同氣流組織形式工作區(qū)溫度場Fig.4 Temperature field in working area with different air distribution

4.3 有效吹風(fēng)溫度θ及ADPI 分析

表1 不同氣流組織形式有效吹風(fēng)溫度θ及ADPI 對(duì)比Table 1 Comparison of effective draft temperature θ and ADPI with different air distribution

為了進(jìn)一步分析不同氣流組織形式下人員的熱舒適，本節(jié)針對(duì)不同氣流組織形式下人員工作區(qū)的有效吹風(fēng)溫度和ADPI 進(jìn)行分析。

通過公式（1）計(jì)算不同氣流組織有效吹風(fēng)溫度再取絕對(duì)值后平均，計(jì)算得方案一平均有效吹風(fēng)溫度最低，且ADPI 值最高為1，滿足ADPI≥80%的要求。基于此，選定方案一作為工位送風(fēng)技術(shù)設(shè)計(jì)方案。

對(duì)方案一的個(gè)性化工位送風(fēng)裝置出風(fēng)風(fēng)速進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)定出風(fēng)風(fēng)速為0.3m/s、0.5m/s、0.8m/s、1.0m/s、1.5m/s?？紤]不同風(fēng)速下人員工作區(qū)的有效吹風(fēng)溫度θ平均值及ADPI，調(diào)節(jié)個(gè)性化工位送風(fēng)裝置出風(fēng)風(fēng)速。

從圖5 可知，不同出風(fēng)風(fēng)速下，ADPI 的值均為1，而針對(duì)有效吹風(fēng)溫度，出風(fēng)風(fēng)速為0.3m/s 時(shí)最低。在綜合考慮人員工作區(qū)熱舒適及耗冷量的基礎(chǔ)上，確定個(gè)性化工位送風(fēng)裝置的出風(fēng)風(fēng)速為0.3m/s。

圖5 不同出風(fēng)風(fēng)速下工作區(qū)的有效吹風(fēng)溫度θ及ADPIFig.5 Effective draft temperature θ and ADPI in working area at different air supply velocity

4.4 不同氣流組織形式的耗冷量

對(duì)不同氣流組織耗冷量分析，主要針對(duì)于送風(fēng)處理到指定溫度參數(shù)下所需的冷量進(jìn)行比較[11]。計(jì)算公式如下：

式中，c為空氣的比熱容，當(dāng)t=30℃時(shí)，c=1.01kJ/kg·℃；ρ為空氣的密度，當(dāng)t=30℃時(shí)，ρ=1.165kg/m3；v為風(fēng)口出風(fēng)速度，m/s；s為風(fēng)口面積，m2；Δt為送風(fēng)溫度與室內(nèi)溫度的溫差，℃。

從表2 可知，上送下回形式送風(fēng)溫差較大為4℃，出風(fēng)風(fēng)速為0.5m/s。對(duì)于方案一的個(gè)性化工位送風(fēng)形式，上送風(fēng)的溫差較小，為2℃，出風(fēng)風(fēng)速為0.5m/s；個(gè)性化送風(fēng)的溫差較大，為6℃，出風(fēng)風(fēng)速為0.3m/s。相較于只采用上送下回形式，采用方案一的個(gè)性化工位送風(fēng)形式的風(fēng)口耗冷量更低，可降低約27.6%。

表2 不同氣流組織形式耗冷量對(duì)比Table 2 Comparison of cooling consumption with different air distribution

5 結(jié)論

不同氣流組織形式下，人員工作區(qū)環(huán)境參數(shù)有較大差異。采用上送下回形式，工作區(qū)接近無風(fēng)，人員散發(fā)的熱量及設(shè)備產(chǎn)熱無法帶走，工作溫度相較于房間初始環(huán)境溫度提高了0.2℃，達(dá)到了30.2℃，難以滿足人員熱舒適需求。

應(yīng)用方案一的個(gè)性化送風(fēng)裝置時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)工作區(qū)有風(fēng)且風(fēng)速較小，不會(huì)影響人員出現(xiàn)吹風(fēng)感，工作區(qū)溫度可以降低1.5℃，平均溫度為28.5℃。方案二的個(gè)性化工位送風(fēng)裝置，工作區(qū)流場均勻性較差，影響人員熱舒適，工作區(qū)平均溫度降低1℃，降低至29℃。

方案一的工位送風(fēng)裝置，可以較好的滿足人員熱舒適需求，降低人員工作區(qū)溫度。對(duì)方案一裝置的出風(fēng)風(fēng)速進(jìn)行優(yōu)化后，可以在滿足人員熱舒適需求的基礎(chǔ)上，同時(shí)實(shí)現(xiàn)節(jié)約耗冷量27.6%。也可以進(jìn)一步調(diào)節(jié)個(gè)性化送風(fēng)的送風(fēng)參數(shù)，滿足不同熱舒適需求的人群。

本設(shè)計(jì)通過引入吹風(fēng)溫度和ADPI 指標(biāo)等評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)不同氣流組織形式下人員工作區(qū)的熱舒適和節(jié)能效果進(jìn)行研究，為之后工位送風(fēng)技術(shù)在工程實(shí)際設(shè)計(jì)中的應(yīng)用提供參考。