馬巧燕，趙樹興

(天津城建大學 能源與安全工程學院，天津 300384)

地板送風系統(tǒng)變工況運行的模擬研究

馬巧燕，趙樹興

(天津城建大學 能源與安全工程學院，天津 300384)

結合工程實際，選取某公建地板送風空調系統(tǒng)外區(qū)典型房間作為研究對象，通過理論計算與CFD軟件模擬相結合的方法，對該典型房間在變工況運行下的三種調節(jié)方式進行了對比分析．結果表明：變風量調節(jié)模式下室內熱舒適性最佳；變送風溫度調節(jié)模式下室內空氣品質最佳；同時改變送風量和送風溫度的調節(jié)模式下，可滿足變工況運行下的室內熱舒適性、室內空氣品質均與設計工況下的情況基本相同的要求．

地板送風空調；變工況運行調節(jié)；CFD模擬；室內熱舒適性；室內空氣品質

近年來，地板送風系統(tǒng)作為一種有效的空調系統(tǒng)形式，因其布置方式靈活、舒適節(jié)能和能夠為人員活動區(qū)創(chuàng)造良好空氣品質等諸多優(yōu)點，在國內受到了廣泛關注，并被逐步應用于辦公、商業(yè)等公共建筑中[1].但由于該系統(tǒng)在我國的應用起步較晚，設計規(guī)范也不完整，因此，在工程設計以及運行調節(jié)等方面仍存在一些問題．如空調系統(tǒng)通常按照最不利工況進行設計，但隨著室外氣象參數(shù)的改變，空調系統(tǒng)在絕大多數(shù)時間內并沒有按照設計工況運行，所以如何在變工況運行下合理調節(jié)送風參數(shù)，是關乎室內人員舒適性及室內空氣品質的重要問題．通過結合天津地區(qū)的實際工程，選取地板送風空調系統(tǒng)的典型房間，運用理論計算和CFD軟件模擬相結合的方法，分析系統(tǒng)在變工況下以不同的調節(jié)方式運行時典型房間的溫度場和速度場，并結合各項舒適性指標和室內空氣品質來比較各種調節(jié)方式的優(yōu)劣性．

1 典型房間的選取與建模

1.1 典型房間選取

選取天津圖書館新館三層空調外區(qū)的一個典型房間進行模擬研究．該房間為閱覽區(qū)，東外墻為玻璃幕墻，其他各墻均為內墻(按絕熱壁面處理)．房間形狀為長方體，尺寸為10.2,m×10.2,m×5.85,m(長×寬 ×高)；房間地板送風口20個，直徑D＝200,mm；回風口2個，0.8,m×0.32,m，設置在頂棚．左側回風口距西向外墻為4,m；假定該房間人員總數(shù)為15人，在東外墻附近坐立姿態(tài)的人數(shù)為10人，坐姿人輕度活動的散熱量Q＝60,W/m2；其余位置站立的人數(shù)為5人，站姿人輕度活動的散熱量Q＝75,W/m2；熒光燈10盞，位于房間4.5,m高度處，熒光燈散熱量Q＝200,W/m2．[2]

1.2 典型房間建模

基于數(shù)值模擬軟件Fluent 6.3對典型房間進行建模，該房間模型大樣如圖1所示．簡化后的模型及相應的邊界條件設定見表1．

圖1 房間模型大樣

1.3 數(shù)值計算方法

為使房間模型更加貼近實際情況，對空調房間建立離散傳播輻射模型，以便考慮室內壁面之間的輻射換熱．FLUENT軟件在計算過程中使用射線跟蹤技術來更新輻射場，并計算所產(chǎn)生的能量源和熱流[3]．

因本文研究的是不可壓流動問題，故采用Segregated求解器進行求解；湍流模型選用標準k－ε模型；壁函數(shù)選用標準壁函數(shù)；控制方程的離散格式選用二階迎風差分格式；壓力插值格式選用standard格式．此外還采用了Boussinesq假設考慮浮升力對計算結果的影響．

表1 模型簡化及熱邊界層設定

2 夏季部分負荷運行工況下的數(shù)值模擬

建立典型房間的模型后，基于天津圖書館新館空調系統(tǒng)在夏季設計送風溫度19.2,℃和設計送風速度0.96,m/s，對夏季部分負荷工況下典型房間進行CFD模擬．在某一負荷下，送風量與送風溫差存在如下關系[4]

式中：V為房間計算送風量，m3/h；Qx為房間計算顯冷負荷，kW；ρ為空氣密度(取1.2,kg/m3)；cp為空氣的比定壓熱容(取1.01,kJ/(kg·℃))；△T為送、回風溫差，℃．

由式(1)可知，送風溫度與送風量存在一定的函數(shù)關系．當送風口密度與冷負荷確定時，送風溫度的改變會導致送風速度(即送風量)的改變．在夏季，當系統(tǒng)處于部分負荷工況下運行時，為了滿足負荷變化時室內環(huán)境及人員舒適性的需求，隨著負荷減小，若需維持送風溫度不變，則必然要減小送風速度(即送風量)；若需維持送風速度不變，則必然要提高送風溫度．故當系統(tǒng)處于某一負荷工況時，送風參數(shù)(送風溫度，送風速度)應滿足如下關系

2.1 部分負荷工況設定

部分負荷率是指實際運行負荷與設計負荷的比值，用α 表示，α 滿足：0＜α ≤1．文中的部分負荷率α 從[0.50，0.95]中取值，每間隔0.50設立一個工況點．通過式(1)的計算，可以得到各部分負荷工況下送風溫度的高限值及送風速度的低限值．針對每種工況，將送風參數(shù)在取值范圍內再進行細分，得到不同的送風參數(shù)組合，見表2．

表2 典型房間夏季變負荷工況下熱舒適性指標

續(xù)表

2.2 部分負荷工況模擬

首先對設計工況下典型房間的溫度場與速度場進行模擬，選取Y＝4.2,m剖面進行室內溫度場分析，如圖2所示；選取X＝5.05,m剖面進行室內速度場分析，如圖3所示．然后對各工況的送風參數(shù)組合進行模擬：①維持送風溫度T＝19.2,℃不變，僅改變送風口的出風速度(即送風量)的變風量運行模擬；②維持送風口出風速度V風口＝0.96,m/s不變，僅改變送風溫度的變送風溫度運行模擬；③同時改變送風量和送風溫度的運行模擬．

圖2 設計工況下Y＝4.2,m剖面溫度分布

圖3 設計工況下X＝5.05,m剖面速度分布

3 室內熱舒適性及氣流組織分析

3.1 垂直溫差比較

地板送風空調房間存在溫度分層現(xiàn)象．相差過大的溫度梯度會使工作區(qū)域內的人員產(chǎn)生不舒適感．ISO 7730國際標準[5]中規(guī)定：人體在坐姿情況下，垂直高度0.1,m腳踝處的溫度與1.1,m坐立頭部處的溫度差值不得大于3,℃．ASHRAE 55—1992標準[6]中規(guī)定：人體在站立情況下，0.1,m腳踝處的溫度與1.8,m站立頭部處的溫度差值不得大于3,℃．從圖2模擬所得的溫度分布可知，各組送風參數(shù)的溫度分布均滿足標準要求．以送風參數(shù)(T設計，Vmin)送風時，室內工作區(qū)平均溫度最接近設計溫度，室內工作區(qū)溫度分層較少，非工作區(qū)溫度分層較多，垂直溫度梯度較小．

3.2 吹風感比較

吹風感是由于空氣溫度和風速引起人體局部地方有冷感，從而導致不舒適的感覺．當風速較大時，就會使空調區(qū)域內的人員有吹風感，影響人體的舒適度．本文采用不滿意度PD來反映吹風感的大小，可用下式來描述不滿意度與風速、溫度以及湍流度之間的關系[7]

式中：Ta為人員附近空氣溫度，取室內離地面1.0,m處人員周圍平均溫度為計算溫度，℃；為人員附近平均空氣流速，m/s；Tu為局部空氣湍流度．計算結果見表2．

Fountain等[8]指出，室內的平均風速要小于0.25,m/s；GB50736—2012《民用建筑供暖通風與空氣調節(jié)設計規(guī)范》[9]規(guī)定，舒適性空調夏季室內風速不應大于0.3,m/s．由模擬云圖(見圖3)可知，各組送風參數(shù)組合下的室內風速均滿足規(guī)范要求．由表2的計算可知，各組參數(shù)的吹風感不滿意率PD≤5%，且相差不大，表明在吹風感方面各組送風參數(shù)均滿足舒適性要求；以送風參數(shù)組合(T設計，Vmin)送風時PD最小，舒適性最佳．

3.3 室內熱環(huán)境比較

文獻[5]中采用預計平均熱感覺指數(shù)PMV與預計不滿意者的百分率PPD指標來描述和評價熱環(huán)境．朱穎心[7]提出了基于人體熱平衡方程計算PMV-PPD的方法

式中：M為人體新陳代謝率，W/m2；TL為人體熱負荷，W，定義為人體產(chǎn)熱量與人體向外界散出的熱量之間的差值．

由于式(4)比較復雜，用以下經(jīng)驗公式計算PMV的數(shù)值[10-11]

式中：a、b、c是系數(shù)；T為室內空氣溫度，取室內離地面1.0,m處人員周圍平均溫度為計算溫度，℃；Pv為室內水蒸氣分壓力，kPa．查表，以人員在空調房間里的滯留時間≥3,h，a＝0.212，b＝0.293，c＝－5.949．計算結果列于表2．

文獻[9]中規(guī)定，采暖與空氣調節(jié)室內熱舒適性指標宜為：－1≤PMV≤1，PPD≈26%．由表2的計算結果可以看出，各組送風參數(shù)組合的PMV-PPD均滿足規(guī)范要求，且以送風參數(shù)組合(T設計，Vmin)送風時PMV-PPD最小，舒適性最佳．

3.4 空氣品質及空氣齡比較

室內空氣品質指一定時間和一定區(qū)域內，空氣中所含有的各項檢測物達到一個恒定不變的檢測值．它不僅影響到人體的舒適和健康，而且對室內人員的工作效率有顯著影響．空氣齡是評價室內空氣品質的重要指標[12]，最早在20世紀80年代由Sandberg[13]提出．它是指房間內某點處空氣在房間內已滯留的時間，即空氣質點自進入房間至到達室內某點所經(jīng)歷的時間．它既反映了室內空氣的新鮮程度，同時也反映了去除污染物的能力，綜合衡量了房間的通風換氣效果，揭示了室內空氣的流動形態(tài)．

從統(tǒng)計學的角度來分析，房間某一點的空氣是由大量不同的空氣微團組成，某一點的空氣齡為該點所有空氣微團的空氣齡的平均值，稱為平均空氣齡(mean age of air)．平均空氣齡越小，室內空氣品質越佳．通過Airpak軟件進行模擬研究，在數(shù)值模擬中得到各工況下的平均空氣齡．根據(jù)所得模擬結果，繪制出不同調節(jié)模式下平均空氣齡隨部分負荷率α變化的關系曲線．由于模擬工況較多，故只給出臨界的兩條曲線，其他各條曲線均處于這兩條曲線之間，如圖4所示．

圖4 變工況下不同調節(jié)模式下的平均空氣齡

由圖4可知：①在變風量調節(jié)模式下，隨部分負荷率的減小，平均空氣齡逐漸增加；②在變送風溫度調節(jié)模式下，隨部分負荷率的減小，平均空氣齡逐漸減?。谕瑫r改變送風量和送風溫度的調節(jié)模式下，平均空氣齡隨部分負荷率α 變化的各條關系曲線均位于圖4所示兩條臨界曲線之間．即在此種調節(jié)模式下，各部分負荷率下的平均空氣齡位于前兩種調節(jié)模式下相同部分負荷率的平均空氣齡之間．

4 結 論

(1)當空調系統(tǒng)在負荷變化時采用變風量調節(jié)模式，即以送風參數(shù)(T設計，Vmin)送風時，各項熱舒適指標較理想，室內熱舒適性明顯優(yōu)于變送風溫度調節(jié)模式及同時改變送風量和送風溫度的調節(jié)模式．

(2)當空調系統(tǒng)在負荷變化時采用變送風溫度調節(jié)模式，即以送風參數(shù)(Tmax，V設計)送風時，室內空氣品質明顯優(yōu)于變風量調節(jié)模式及同時改變送風量和送風溫度的調節(jié)模式．

(3)當空調系統(tǒng)在負荷變化時采用同時改變送風量和送風溫度的調節(jié)模式時，室內熱舒適性及室內空氣品質的效果介于變風量調節(jié)模式與變送風溫度調節(jié)模式之間，且送風溫度與送風速度應滿足關系式T設計≤T≤Tmax，Vmin≤V≤V設計．在此調節(jié)模式下，可滿足變工況運行下的室內熱舒適性、室內空氣品質均與設計工況下的情況基本相同的要求．

［1］ 周文慧，劉 東. 辦公建筑內地板送風和置換通風模式對室內環(huán)境質量影響的數(shù)值模擬對比研究[J]. 建筑節(jié)能，2011，40(251)：10-13.

［2］ 趙榮義. 空氣調節(jié)[M]. 4版. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008.

［3］ 陶文銓. 數(shù)值傳熱學[M]. 2版. 西安：西安交通大學出版社，2001.

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The Simulation Researches of UFAD System Operation Under Variable Working Condition

MA Qiao-yan，ZHAO Shu-xing
(School of Energy and Safety Engineering，Tianjin Chengjian University，Tianjin 300384，China)

This paper,combing with engineering practice,takes the typical conditioned space of underfloor air distribution (UFAD) system in perimeter zone as the research object. Three kinds of regulating modes under variable working conditions were analyzed and compared regarding their merits and demerits by using theoretical calculation combined with CFD simulation. Result indicates that the indoor thermal comfort is the best under the variable air volume adjustment mode. The indoor air quality is the best under the variable air temperature adjustment mode. The indoor thermal comfort and indoor air quality in variable working condition could be same to those in the design condition under the adjustment mode of changing both air volume and air temperature.

UFAD；regulating of variable working condition；CFD simulation；indoor thermal comfort；indoor air quality

TU831.3

A

2095-719X(2015)02-0129-05

2014-09-18；

2014-11-12

馬巧燕（1990—），女，河北保定人，天津城建大學碩士生.

趙樹興（1962—），男，天津城建大學教授，碩士，從事熱能工程領域的研究．E-mail：zhaoshuxing@126.com