空調(diào)器位置對室內(nèi)氣流組織的影響分析

喬哲明

（中信建設(shè)有限責(zé)任公司，天津 300000）

1 商住樓建筑概況

該項目建筑位于北京市，是一棟地上8層、地下1層的商住綜合樓，內(nèi)部房間主要用途為辦公室和營業(yè)廳。建筑總面積為31 059.8 m2，空調(diào)器的覆蓋面積為24 847.8 m2。

①第3層為營業(yè)廳。該層的室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)溫度為27℃，溫差不超過1℃，顯熱冷負(fù)荷超過526 kW。該層室內(nèi)總面積為3827 m2，共設(shè)有47臺散流器，單臺散流器的送風(fēng)范圍為52.9 m2，水平射程為3.29 m，垂直射程為3 m?？照{(diào)器送風(fēng)溫度差是10℃，單位送風(fēng)量為41.8 m3/h，換氣頻率為10次/h。喉部風(fēng)速達到4 m/s，軸心溫差僅為0.88℃。②第5層為辦公室。考慮到辦公層中包含若干面積各異的小房間，因此，需結(jié)合各個房間的空間平面結(jié)構(gòu)選定散流器的安裝位置。該層的室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)溫度為26℃，溫差不超過1℃，顯熱冷負(fù)荷為864 kW。室內(nèi)面積達到11 481 m2，空調(diào)器覆蓋范圍為7763 m3。以其中一個房間為例，該房間設(shè)置兩臺散流器，單臺散流器的送風(fēng)范圍為64 m2，水平射程為4.08 m，垂直射程為3 m。送風(fēng)溫度差是6℃，單位送風(fēng)量為55 m3/h，換氣頻率為5次/h。喉部風(fēng)速為4 m/s，軸心溫差為0.76℃。③地下1層和地上第1～2層的空調(diào)器均按照建筑標(biāo)準(zhǔn)層設(shè)置，僅結(jié)合熱濕負(fù)荷進行細微調(diào)整。④建筑第4～8層均按照第5層的標(biāo)準(zhǔn)進行氣流組織設(shè)計。建筑第5層的空調(diào)器送風(fēng)設(shè)計如表1所示。

表1 建筑第5層的空調(diào)器送風(fēng)設(shè)計

2 室內(nèi)氣流組織評價指標(biāo)

（1）溫度梯度?？照{(diào)房若流入與原本溫度有差異的氣體，或者室內(nèi)存在熱源，都會在垂直方向上產(chǎn)生溫度梯度。人體適宜標(biāo)準(zhǔn)是指活動區(qū)域從地面向上的0.1～1.1 m范圍內(nèi)，溫差需在3℃以內(nèi)，該標(biāo)準(zhǔn)是按照坐姿確定的。此外，還有一種標(biāo)準(zhǔn)是從地面向上的0.1～1.8 m范圍內(nèi)，溫差要在3℃以內(nèi)。秉承可靠性的原則，溫度梯度建議采用后者。

（2）活動區(qū)風(fēng)速。這項指標(biāo)是影響室內(nèi)熱環(huán)境舒適度的關(guān)鍵要素之一。溫度偏高的空間能通過提升風(fēng)速加快氣體流動，保持室內(nèi)的舒適度，但如果風(fēng)速太大，則會影響人體感受。試驗結(jié)果顯示，風(fēng)速不足0.5 m/s的情況下，人體通常不會有明顯感受。根據(jù)我國室內(nèi)風(fēng)速的相關(guān)規(guī)定，冬季時，室內(nèi)風(fēng)速不可超過0.2 m/s，夏季則要控制在0.3 m/s以內(nèi)；工作區(qū)空調(diào)器的冬季室內(nèi)風(fēng)速需控制在0.3 m/s以內(nèi)，夏季則可設(shè)置成0.2～0.5 m/s[1]。

（3）氣流分布。在空調(diào)房內(nèi)，容易引起人體不適的主要問題通常是吹風(fēng)感。而該感受的主要形成原因是空氣溫度與風(fēng)速導(dǎo)致人體局部區(qū)域產(chǎn)生冷的感受，引發(fā)不適感。衡量室內(nèi)有無吹風(fēng)感的主要指標(biāo)是有效吹風(fēng)溫度。相關(guān)表達式為：

其中：EDT——有效吹風(fēng)溫度，℃；tx——室內(nèi)某處溫度，℃；tm——指室內(nèi)某處溫度均值，℃；vx——室內(nèi)某處風(fēng)速，m/s。在辦公區(qū)域內(nèi)，當(dāng)EDT處于-1.5～1℃，vx在0.35 m/s以內(nèi)，大部分人都會有舒適感，利用EDT判斷室內(nèi)空間有無吹風(fēng)感是具有可行性的。室內(nèi)氣流分布主要借助相應(yīng)的特性指標(biāo)（ADPI）確認(rèn)，其實質(zhì)是在空間范圍內(nèi)，各處符合EDT以及風(fēng)速規(guī)定的點位占整體的比值。

（4）通風(fēng)效率。通風(fēng)效率是實際參加稀釋的風(fēng)量與送入室內(nèi)通風(fēng)量的比值。通風(fēng)效率和空調(diào)器安設(shè)位置及送風(fēng)量都有較大的聯(lián)系。另外，通風(fēng)效率也能看成一種經(jīng)濟性指標(biāo)，其數(shù)值大，意味著排出一定量污染物，實際需要的新鮮空氣更少，對應(yīng)的氣體處理與傳輸能耗更小，空調(diào)器運行成本更低。

（5）空氣齡。其是空氣質(zhì)點從送入空間內(nèi)到抵達空間內(nèi)部某處的時長，此概念較為抽象，現(xiàn)場檢測難度大，對此通常根據(jù)氣體濃度估計局部區(qū)域的空氣齡。由送風(fēng)口射出的氣體進入空間中不斷流動時會摻入污染物，令氣體清潔度與新鮮程度降低。因此，若空氣齡偏小，則意味著傳遞到某處的氣體攜帶污染物少，同時清除污染物的效率更佳，這顯然能評估氣體流動形態(tài)的合理性。

（6）換氣效率。其能衡量室內(nèi)換氣效果，屬于氣流組織的重要參數(shù)，不涉及污染物的問題，其等于氣體最短滯留時長與室內(nèi)氣體整體平均滯留時長之比。從某個角度上看，換氣效率能被定義成最佳空氣齡均值和室內(nèi)空氣齡均值的比值。換氣效率能說明氣體流動情況的合理性，而該比例的最佳取值是1，但是室內(nèi)普通氣流組織都在該數(shù)值以下[2]。

3 空調(diào)器安裝位置對室內(nèi)氣流組織影響的試驗分析

3.1 物理模型

在分析空調(diào)房內(nèi)環(huán)境時，為保持綜合樓室內(nèi)的舒適度，先模擬氣流組織與熱環(huán)境。分析對象為散流器，探討其送風(fēng)均勻性和喉部結(jié)構(gòu)優(yōu)化的問題，構(gòu)建相應(yīng)的物理模型與數(shù)學(xué)模型，借助數(shù)值求解的方式，探究最優(yōu)的安裝位置。分析對象有2個：①送風(fēng)末端管道，其風(fēng)管尺寸為320 mm×200 mm，在其末端連接的散流器喉部截面規(guī)格為220 mm×220 mm，此處喉管長度分別設(shè)置成0.1 m、0.2 m、0.3 m。②風(fēng)機盤管接風(fēng)管送風(fēng)，其送風(fēng)管尺寸為1250 mm×245 mm，長度為5 m。該風(fēng)管連接的兩個喉部截面尺寸為220 mm×220 mm，長度為0.3 mm。兩處送風(fēng)口間距為3.5 m。由于風(fēng)管外面裹有保溫材料，因此建模時將風(fēng)管簡化成完全絕熱。相應(yīng)的物理模型如圖1、圖2所示。

圖2 物理模型（二）

空調(diào)器送風(fēng)屬于不能被進一步壓縮的流體，在后期數(shù)據(jù)分析期間，可利用高精度的求解裝置，借助微分方程，以有限容積為指標(biāo)，求出物理模型的各項尺寸參數(shù)，其中數(shù)值差分格式選擇一階迎風(fēng)形式。

3.2 邊界條件

在物理模型中，把風(fēng)管入口當(dāng)成速度進口，設(shè)置機組末端與主干風(fēng)管等的風(fēng)速參數(shù)，其中，物理模型（一）對應(yīng)的入口風(fēng)速分別設(shè)置成4 m/s、6 m/s與8 m/s，基于此進行對比分析。物理模型（二）實際入口風(fēng)速直接設(shè)置成6 m/s。散流器送風(fēng)溫度都調(diào)整到26℃。出口是充分開放的區(qū)域，為了簡化分析過程，其他邊界都當(dāng)成絕熱邊界，室內(nèi)氣流組織整體流場按照速度入口邊界實施初始化設(shè)置。

3.3 結(jié)果分析

利用專業(yè)軟件程序構(gòu)建模型，為了讓模型展現(xiàn)的效果盡量貼近現(xiàn)實，在設(shè)置網(wǎng)格時采取無關(guān)性的分析。通過系統(tǒng)運行計算，物理模型（一）的網(wǎng)格距離為0.005個單位，散流器喉管長度分別取值為0.1 m、0.2 m、0.3 m，相應(yīng)的網(wǎng)格數(shù)量分別為55.072萬、58.944萬、62.816萬；物理模型（二）的網(wǎng)格取值為0.1個單位，實際數(shù)量為127.904萬。因為模擬模型結(jié)構(gòu)比較規(guī)則，在設(shè)置網(wǎng)格時，選擇六面體的網(wǎng)格。在網(wǎng)格設(shè)定結(jié)束后，直接把相應(yīng)數(shù)據(jù)導(dǎo)進專業(yè)軟件進行模擬運算[3]。下文以活動區(qū)域風(fēng)速、通風(fēng)效率及氣流分布情況為例進行分析。

3.3.1 活動區(qū)域風(fēng)速

當(dāng)散流器喉管長度為0.3 m時，在各個試驗風(fēng)速條件下，空調(diào)器末端風(fēng)管與喉部出口位置的速度場分布有差異?？傮w來看，無論水平風(fēng)管的風(fēng)速如何變化，散流器喉管內(nèi)部的氣流組織幾乎不變，例如，在喉部截面處，即在喉部截面垂直于風(fēng)管出口方向上的兩側(cè)分布最大與最小風(fēng)速，接近上風(fēng)向的區(qū)域形成氣流“死區(qū)”，速度趨近于0。同時，下風(fēng)向區(qū)域的風(fēng)速最快，此時兩側(cè)空氣分布差異過大。散流器喉部截面順著風(fēng)管送風(fēng)方向區(qū)域的速度場比較均勻，氣流組織趨于合理[4]。

3.3.2 通風(fēng)效率

在實際的安裝建設(shè)項目中，散流器的喉管長度一般為0.1～0.3 m，當(dāng)其他環(huán)境條件一致的情況下，可將喉管長度分別設(shè)置成0.1 m、0.2 m、0.3 m。通過軟件模擬可以發(fā)現(xiàn)，喉管長度偏小時，流場“死區(qū)”范圍隨之縮小，并且在喉部截面周圍的氣流組織也更加合理，室內(nèi)環(huán)境的舒適度更高。當(dāng)喉部截面的高速氣流區(qū)域面積不斷縮小時，周圍風(fēng)速差值也會更小，使室內(nèi)氣流組織更為合理，通風(fēng)效率也趨于平穩(wěn)。其中，垂直短管的尺寸是根據(jù)水平風(fēng)管和室內(nèi)吊頂間距確定的。安裝施工期間，在符合其他條件要求的前提下，需盡量拉近散流器和短管的間距，如此才能使喉部流場和風(fēng)管內(nèi)部流場距離更近，保持通風(fēng)效率，使散流器周圍送風(fēng)比較均勻，有利于優(yōu)化室內(nèi)氣體組織。

3.3.3 氣流分布情況

安裝空調(diào)器時，為適應(yīng)建筑吊頂條件，風(fēng)機盤管可能要額外連接水平風(fēng)管，用于下送風(fēng)。由于送風(fēng)位置的差異，造成送風(fēng)抵達相應(yīng)風(fēng)口過程中承受的阻力有區(qū)別，而且動壓與靜壓也會有差別，進而影響送風(fēng)的風(fēng)量。在風(fēng)口和風(fēng)機盤管出口實際間距拉近后，送風(fēng)量會有所增加。為了有效分析空調(diào)器位置及喉部氣流分布情況，利用物理模型（二）進行分析，盡量得出比較準(zhǔn)確的結(jié)論[5]。

送風(fēng)位置分析物理模型如圖3所示。具體來說，散流器Y比較接近風(fēng)機盤管的出風(fēng)口，而散流器X則接近風(fēng)管的末端。因為兩個散流器安裝位置有差異，流場狀態(tài)略有不同。簡單來看，散流器Y的氣流組織不均勻，而且流場速度偏快，在喉部前后區(qū)域的速度差值較大。散流器X同樣有流場不均勻的問題，但和散流器Y相比，其氣流組織較佳。出現(xiàn)上述情況的主要原因在于二者安裝位置的差異，散流器Y接近風(fēng)機盤管，所以送風(fēng)量較多，存在嚴(yán)重的氣流擾動問題，氣流組織較差。而散流器X距離風(fēng)管末端更近，送風(fēng)量偏小，氣流組織也就比較穩(wěn)定。并且設(shè)置在風(fēng)管末端的擋板可以作為氣體導(dǎo)流機構(gòu)，加強對室內(nèi)氣流組織的調(diào)節(jié)。

圖3 送風(fēng)位置分析物理模型

4 結(jié)語

綜上所述，氣流組織關(guān)系著室內(nèi)環(huán)境的質(zhì)量，并且受到空調(diào)器安裝位置的影響。在實際設(shè)計中，建議考慮將散流器盡可能貼近風(fēng)管末端設(shè)置，這樣可穩(wěn)定送風(fēng)量，保持室內(nèi)氣流組織的穩(wěn)定性，使房間內(nèi)部流場更加舒適。并根據(jù)建筑內(nèi)部空間格局，配置適當(dāng)數(shù)量的散流器，確?？照{(diào)器能發(fā)揮出實際價值。