主動(dòng)式冷梁性能對房間氣流組織影響模擬研究

刁忠彥 呂靜 楊斌 王麗慧 李明

摘?要：以某主動(dòng)式冷梁送風(fēng)房間為模型，利用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）軟件模擬了主動(dòng)式冷梁性能對房間氣流組織的影響，并將模擬值和實(shí)測值進(jìn)行了對比，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。利用該模型研究了主動(dòng)式冷梁出風(fēng)速度、出風(fēng)溫度、出風(fēng)角度、出風(fēng)高度以及回風(fēng)口位置對房間氣流組織的影響。結(jié)果表明：若僅改變出風(fēng)速度，當(dāng)出風(fēng)速度從1 m · s?1增大到4 m · s?1時(shí)，預(yù)期平均通感?PM 下降，不適人員比例?PD 先降后升，出風(fēng)速度為2 m · s?1時(shí)，PD 最小，為9%，此時(shí)人員對環(huán)境的滿意度最高；若僅改變出風(fēng)角度，當(dāng)出風(fēng)角度為45°時(shí)房間氣流組織分布最佳；若僅改變出風(fēng)高度，當(dāng)出風(fēng)高度為2.33 m 時(shí)房間氣流組織分布最佳。在出風(fēng)溫度為20°C、出風(fēng)速度為4 m · s?1時(shí)，比較不同回風(fēng)口位置（上部、中部、底部）時(shí)距離地面高度?Y=1.2 m 截面的氣流組織變化，發(fā)現(xiàn)回風(fēng)口位于底部時(shí)該截面溫度最高，空氣速度最小，空氣齡最大，PD 最小，為28%，此時(shí)人體冷熱感覺較舒適。

關(guān)鍵詞：主動(dòng)式冷梁；性能；氣流組織；模擬分析

中圖分類號：TU83 ??文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Simulation study on the influence of active chilled beam performance on air distribution in a chamber

DIAO Zhongyan ，LYU Jing ，YANG Bin ，WANG Lihui ，LI Ming

（1. School of Environment and Architecture， University of Shanghai for Science and Technology， Shanghai 200093， China;

2. Nanjing TICA Climate Solutions Co.， Ltd.， Nanjing 210000， China）

Abstract：A chamber with active chilled beam air supply was used as a model to study the influence of active chilled beam on indoor air distribution by computational fluid dynamics （CFD） software. The model was verified with the experimental data and further used to investigate the effect of the air-out velocity， temperature， angle， height of the active chilled beam and the location of return airon the air distribution in this chamber. When the air-out speed changes from 1 m · s?1 to 4 m · s?1， the predicted mean vote PM decreases， and the predicted percentage of dissatisfied PD decreases firstly and then increases. At 2 m · s?1， the minimum PD of 9% is achieved with the highest environment satisfaction. The best air distribution in the chamber is obtained at the air-out angle of 45° and at the beam installation height of 2.33 m， respectively. The influence of return air such as the upper， middle， and bottom on the air distribution in this chamber was compared at the air supply temperature of 20℃?and wind speed of 4 m · s?1. The highest temperature at the cross section of Y=1.2 m is achieved for the bottom return air， accompanying by the smallest air velocity and the largest air age. The cold and heat feeling of human body is relatively comfortable with the lowest PD of 28%.

Keywords：active chilled beam; performance; airflow; simulation analysis

傳統(tǒng)空調(diào)末端設(shè)備往往只是依賴強(qiáng)制對流換熱達(dá)到降溫效果，而主動(dòng)式冷梁系統(tǒng)是一種結(jié)合輻射換熱和對流換熱的新型空調(diào)系統(tǒng)。它起源于歐洲，目前在歐美市場廣泛使用［1］。冷梁機(jī)組能耗低，設(shè)備維護(hù)簡單，空間占有率低，但是其在國內(nèi)相較于其他空調(diào)末端設(shè)備，市場占有率低。隨著人們越來越追求室內(nèi)舒適度［2］，以及節(jié)能產(chǎn)品市場需求不斷增大，主動(dòng)式冷梁將得到更多關(guān)注，而且該產(chǎn)品自身也在不斷改進(jìn)與完善中，其應(yīng)用范圍越來越廣［3–4］。

王夢蕾［5］提出了3個(gè)反映主動(dòng)式冷梁的評價(jià)指標(biāo)，分別與其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、冷卻性能和系統(tǒng)能效相關(guān)。Nelson 等［6］通過模型建立方程式來預(yù)測對稱排列時(shí)被動(dòng)式冷梁的制冷容量。張智力等［7］通過實(shí)驗(yàn)研究噴嘴尺寸和一次風(fēng)風(fēng)量對冷梁誘導(dǎo)比的影響。Filipsson 等［8］建立了一個(gè)高精度的主動(dòng)式冷梁制冷量求解模型。Kim 等［9］研究了被動(dòng)式冷梁在室內(nèi)房間的應(yīng)用特性。莫鵬程等［10］借助計(jì)算流體力學(xué)（CFD）軟件計(jì)算得出誘導(dǎo)比隨一次風(fēng)風(fēng)量增大而增大，且到達(dá)一定風(fēng)量后誘導(dǎo)比的增長趨于平緩。Wu 等［11］建立了基于能耗和熱舒適的優(yōu)化模型，采用不適人員比例 PD 模型評價(jià)熱舒適性。Filipsson 等［12］研究了主動(dòng)式冷梁在自動(dòng)耦合調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的運(yùn)用，為后續(xù)應(yīng)用提供了參考［13–14］。Rhee 等［15］對主動(dòng)式冷梁系統(tǒng)的控制策略進(jìn)行了研究，以尋找合適的防結(jié)霜控制參數(shù)。佟思辰［16］提出通過改善新風(fēng)系統(tǒng)、改變冷凝水系統(tǒng)方案及動(dòng)態(tài)運(yùn)行優(yōu)化來解決冷梁空調(diào)系統(tǒng)的結(jié)露問題。郁文紅等［17］對新風(fēng)機(jī)機(jī)組進(jìn)行了設(shè)計(jì)，對主動(dòng)式冷梁的運(yùn)行調(diào)控進(jìn)行了優(yōu)化，從而防止設(shè)備出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象。Pantelic 等［18］通過測量和調(diào)查等方法評估室內(nèi)空氣質(zhì)量、人體熱舒適度等參數(shù)，結(jié)果表明被動(dòng)式冷梁空調(diào)系統(tǒng)的綜合評價(jià)更高。云楠［19］利用 CFD 軟件對主動(dòng)式冷梁空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行建模，從而實(shí)現(xiàn)了對該系統(tǒng)的監(jiān)控。 Cehlin 等［20］設(shè)計(jì)了一套新的冷梁系統(tǒng)，該系統(tǒng)可改善局部熱環(huán)境并提升室內(nèi)空氣散熱效果。

1 主動(dòng)式冷梁

圖1為主動(dòng)式冷梁工作原理示意圖。室外空氣經(jīng)空氣處理設(shè)備處理后，由風(fēng)管從一次風(fēng)進(jìn)風(fēng)口送入主動(dòng)式冷梁頂部的靜壓箱內(nèi)。從噴嘴噴出的高速射流［21］順著擋板進(jìn)入室內(nèi)，從而在冷梁下部形成負(fù)壓區(qū)域。室內(nèi)氣流組織從二次回風(fēng)孔板進(jìn)入主動(dòng)式冷梁內(nèi)部［22］，再流經(jīng)熱交換器，與之發(fā)生充分的熱交換。一次風(fēng)從噴嘴高速噴出后，在混合區(qū)帶走部分回流空氣，將其再次送入室內(nèi)［23］。房間的供冷或供熱可通過改變熱交換器的盤管供水溫度來實(shí)現(xiàn)。

2 模擬研究

2.1 物理模型的建立

本文研究對象是冷梁房間氣流組織情況。采用 Airpak 軟件建立主動(dòng)式冷梁房間模型。房間模擬模型如圖2所示。該模型內(nèi)部有：日光燈2盞，功率均為25 W；辦公桌1張；人員1名，坐姿時(shí)高度為1.2 m；計(jì)算機(jī)1臺，功率為120 W；主動(dòng)式冷梁設(shè)備1臺；回風(fēng)口1處。表1為房間模塊參數(shù)。

2.2 模擬數(shù)據(jù)對比驗(yàn)證

本文中分三層（距離地面高度?Y 分別為?0.6、1.2、1.8 m）布置測點(diǎn)，水平方向相鄰測點(diǎn)間距為0.6 m，共布置21個(gè)測點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)工況為：送風(fēng)方式為上送下回；出風(fēng)溫度為20°C ；出風(fēng)速度為2 m · s?1；出風(fēng)空氣相對濕度為60%。分別利用?T 型熱電偶和熱線風(fēng)速儀對測點(diǎn)進(jìn)行測量，共測量3次，每次間隔30 min 。對3次測得的溫度和速度求平均值，并利用相關(guān)指標(biāo)對房間氣流組織進(jìn)行評價(jià)。

通過軟件模擬得到各測點(diǎn)的溫度和速度，將溫度、速度模擬值和實(shí)測值進(jìn)行對比，結(jié)果如圖3所示。圖中溫度實(shí)測值和模擬值均在23.6～24.7°C 之間，溫度實(shí)測值變化較為平緩，且所有測點(diǎn)的溫度實(shí)測值和模擬值的平均偏差為0.3°C。速度實(shí)測值和模擬值的變化趨勢大致相似，且所有測點(diǎn)的速度實(shí)測值和模擬值的平均偏差為0.014 m · s?1。綜上可知，采用?Airpak 軟件進(jìn)行房間氣流組織研究是可靠的。

3 模擬分析

3.1 出風(fēng)溫度、出風(fēng)速度對房間氣流組織的影響

為了避免空氣濕度對模擬結(jié)果產(chǎn)生影響，將出風(fēng)空氣相對濕度控制在60%。模擬計(jì)算時(shí)冷梁出風(fēng)角度為45° ， 出風(fēng)溫度分別為20、22和24℃?， 出風(fēng)速度分別為1、2、3和4 m · s?1。選擇?Y=1.2 m 截面為研究對象，利用?Airpak 軟件得到各工況下該截面平均溫度、平均風(fēng)速、空氣齡以及不適人員比例?PD、預(yù)期平均通感?PM ，并對比出風(fēng)溫度和出風(fēng)速度對房間氣流組織的影響。

3.1.1 平均溫度

圖4為不同工況下 Y=1.2 m 截面平均溫度。隨著出風(fēng)速度從1 m · s?1增大到4 m · s?1，3種出風(fēng)溫度下?Y=1.2 m 截面平均溫度均逐漸降低。從變化幅度來看，出風(fēng)溫度分別為20、22、24°C 時(shí)，該截面平均溫度分別下降2.4、1.9、1.2°C，即出風(fēng)溫度為20°C 時(shí)該截面平均溫度降幅最大。

3.1.2 平均風(fēng)速和空氣齡

不同工況下 Y=1.2 m 截面平均風(fēng)速和空氣齡如圖5所示。從圖中可見，當(dāng)冷梁出風(fēng)速度一定時(shí)，不同出風(fēng)溫度下 Y=1.2 m 截面平均風(fēng)速和空氣齡基本相同。這表明，在出風(fēng)溫度變化不大時(shí)，出風(fēng)溫度的改變對室內(nèi)空氣流速基本沒有影響。選取冷梁出風(fēng)溫度為22°C 時(shí)的平均風(fēng)速和空氣齡曲線進(jìn)行分析。從圖5中可見，隨著出風(fēng)速度的增大，該截面平均風(fēng)速和空氣齡的變化趨勢相反，其原因?yàn)椋嚎諝馑俣仍酱?，其在房間內(nèi)滯留時(shí)間越短，空氣齡越低。

3.1.3 PM 和 PD

不同工況下?Y=1.2 m 截面?PM 和?PD 如圖6所示。隨著出風(fēng)速度的增大，不同出風(fēng)溫度下?PM 均呈下降趨勢。當(dāng)冷梁出風(fēng)溫度為22°C 時(shí)，隨著出風(fēng)速度的增大，?PM 從0.48降到?0.63，人員冷熱感覺基本在舒適的范圍內(nèi)。而當(dāng)出風(fēng)溫度分別為20、24°C 時(shí)，隨著出風(fēng)速度的增大，人員冷熱感覺從舒適轉(zhuǎn)為微涼，此時(shí)?PD 較高。綜上所述，在上送下回送風(fēng)方式下最優(yōu)工況為出風(fēng)溫度22°C、出風(fēng)速度2 m · s?1。22°C 時(shí)?PD 先降后升，出風(fēng)速度為2 m · s?1時(shí)?PD 最小，為9%，此時(shí)人員對環(huán)境的滿意度最高。

3.2 出風(fēng)角度對室內(nèi)氣流組織的影響

冷梁出風(fēng)角度的可變范圍為15°～65°。在冷梁居中布置，出風(fēng)高度為2.33 m，出風(fēng)溫度為20℃， 出風(fēng)速度為2 m · s?1，出風(fēng)空氣相對濕度為60%，出風(fēng)角度分別為30°、45°、60°時(shí)對?Y=1.2 m 截面的氣流組織進(jìn)行模擬。

不同出風(fēng)角度下 Y=1.2 m 截面溫度云圖、速度矢量圖如圖7所示。當(dāng)出風(fēng)角度為30°時(shí)，相較于出風(fēng)角度為45°、60°時(shí)，截面溫度普遍偏高，溫度分布不均勻，這主要是由于氣流與壁面發(fā)生碰撞后下沉，使得較多冷氣流未與室內(nèi)空氣充分換熱；截面速度分布不均勻，氣流速度較小，這主要是由于冷梁噴射出的氣流黏附于頂板導(dǎo)致其運(yùn)動(dòng)距離較長，且在發(fā)生碰撞后下沉，動(dòng)量衰減。而當(dāng)出風(fēng)角度為60°時(shí)，截面溫度分布均勻，中部區(qū)域溫度較低；截面氣流速度較大，且由于部分氣體未黏附于頂板，直接下沉與室內(nèi)熱氣流混合，導(dǎo)致出現(xiàn)氣流死角。當(dāng)出風(fēng)角度為45°時(shí)，截面氣流速度更為均勻，在0.20～0.24 m · s?1之間，這符合人體對熱舒適性的基本要求。綜上所述，當(dāng)冷梁出風(fēng)角度為45°時(shí)，?Y=1.2 m 截面溫度分布更均勻，溫度更舒適，氣流組織更合理。

3.3 出風(fēng)高度對室內(nèi)氣流組織的影響

在出風(fēng)溫度為20°C，出風(fēng)速度為2 m · s?1，出風(fēng)空氣相對濕度為60%，冷梁安裝高度即出風(fēng)高度分別為2.10、2.33、2.80 m 時(shí)對 Y=1.2 m 截面的氣流組織進(jìn)行模擬。

不同出風(fēng)高度下 Y=1.2 m 截面溫度云圖、速度分布圖如圖8所示。當(dāng)出風(fēng)高度為2.10 m 時(shí)，截面溫度分布較為均勻，但中部出現(xiàn)溫度較低（20℃）的區(qū)域，且中部區(qū)域氣流速度過大；當(dāng)出風(fēng)高度為2.80 m 時(shí)，截面溫度分布均勻性較差，氣流擾動(dòng)較為劇烈，這主要是由于隨著出風(fēng)高度的增加，浮升力對熱氣流的影響加劇，停留在下部的熱氣流減少，且由于一次風(fēng)的誘導(dǎo)作用，二次回風(fēng)風(fēng)速較大；當(dāng)出風(fēng)高度為2.33 m 時(shí)，截面溫度分布均勻，在23.25～24.15℃之間，人體感覺舒適，且氣流速度在0.20～0.24 m · s?1 之間，這符合人體對熱舒適性的基本要求。綜上所述，冷梁出風(fēng)高度為2.33 m 時(shí)室內(nèi)氣流組織情況最佳。

3.4 回風(fēng)口位置對室內(nèi)氣流組織的影響

在冷梁居中布置，出風(fēng)高度為2.33 m，出風(fēng)溫度為20°C，出風(fēng)速度為2 m · s?1，出風(fēng)空氣相對濕度為60%，出風(fēng)角度為45°時(shí)，改變回風(fēng)口位置，對 Y=1.2 m 截面的氣流組織進(jìn)行模擬，結(jié)果如表2所示。由表中可知：①回風(fēng)口位于中部時(shí)，截面平均溫度最低；而回風(fēng)口位于底部和上部時(shí)，平均溫度較高；②回風(fēng)口位于上部和中部時(shí)，空氣平均風(fēng)速較大；回風(fēng)口位于底部時(shí)，空氣平均風(fēng)速較??；③因?yàn)榭諝饬魉俸涂諝恺g負(fù)相關(guān)，所以回風(fēng)口位于底部時(shí)，空氣齡最大；回風(fēng)口位于上部和底部時(shí)，空氣齡較小；④回風(fēng)口位于底部時(shí)，平均溫度最高，為23.8°C ，PM 最大，為?0.9，熱感覺較適中，舒適度較好，?PD 為28%，人員對熱環(huán)境的滿意度較好。

綜上所述，在冷梁出風(fēng)高度為2.33 m，出風(fēng)溫度為20°C，出風(fēng)速度為2 m · s?1，出風(fēng)空氣相對濕度為60%，底部回風(fēng)時(shí)截面平均溫度最高，平均風(fēng)速最小，空氣齡最大，人體冷熱感覺比較舒適，?PD 最小。

4 結(jié)論

以某冷梁送風(fēng)房間為模型，通過 CFD 軟件模擬了冷梁對房間氣流組織的影響規(guī)律，并將模擬值和實(shí)測值進(jìn)行了對比，驗(yàn)證了模型的正確性。利用該模型研究出風(fēng)速度、出風(fēng)溫度、出風(fēng)角度、出風(fēng)高度以及回風(fēng)口位置對室內(nèi)氣流組織的影響，主要結(jié)論為：

（1）控制出風(fēng)溫度、出風(fēng)角度、出風(fēng)高度及回風(fēng)口位置一定時(shí)，隨著出風(fēng)速度逐漸增大，空氣齡和?PM 均呈下降趨勢，而?PD 先降后升。當(dāng)出風(fēng)速度為2 m · s?1時(shí)?PD 最小，為9%，此時(shí)人員對環(huán)境的滿意度最高。

（2）若僅改變出風(fēng)角度，當(dāng)出風(fēng)角度為45°時(shí) Y=1.2 m 截面溫度場分布更均勻，溫度更舒適、氣流組織更合理；若僅改變出風(fēng)高度，當(dāng)出風(fēng)高度為2.33 m 時(shí)室內(nèi)氣流組織情況最佳；若僅改變回風(fēng)口位置，當(dāng)回風(fēng)口位于底部時(shí)室內(nèi)氣流組織最佳。

（3）在送風(fēng)方式為上送下回，出風(fēng)溫度為22°C，出風(fēng)速度為2 m · s?1，出風(fēng)高度為2.33 m，空氣相對濕度為60%時(shí)房間氣流組織分布最佳，舒適性最好。

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