孫建梅，劉云昭

(上海電力學(xué)院a.經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院；b.能源與機(jī)械工程學(xué)院，上海 200090）

送風(fēng)方式對某辦公建筑室內(nèi)舒適度的影響

孫建梅a，劉云昭b

(上海電力學(xué)院a.經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院；b.能源與機(jī)械工程學(xué)院，上海 200090）

對于人員及設(shè)備密度較為集中且長時(shí)間處于靜止?fàn)顟B(tài)的辦公環(huán)境而言，舒適的室內(nèi)環(huán)境能夠使工作人員身心愉悅，有利于提高工作效率。送風(fēng)方式直接影響室內(nèi)的氣流組織形式，是影響空調(diào)辦公房間室內(nèi)舒適度的重要影響因素之一。本文運(yùn)用HVAC專用模擬軟件Airpak，對某辦公建筑空調(diào)房間上送上回、下送上回兩種主要送風(fēng)方式分別建立模型，對模型進(jìn)行CFD模擬，通過對比兩種送風(fēng)方式下室內(nèi)速度場、溫度場、濕度場、PMV及PPD數(shù)值分布，分析不同送風(fēng)方式對室內(nèi)空氣品質(zhì)和人體熱舒適度的影響程度。得到上送上回送風(fēng)方式室內(nèi)具有較好的速度、溫度場分布；整體而言，下送上回送風(fēng)方式下室內(nèi)舒適度及空氣品質(zhì)較高等結(jié)論，為空調(diào)辦公建筑室內(nèi)的氣流組織形式設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

送風(fēng)方式；Airpak；辦公建筑；舒適度

隨著可持續(xù)發(fā)展觀念的深入人心及生活工作水平的提高，人們對于室內(nèi)環(huán)境品質(zhì)要求也越來越高。在室內(nèi)環(huán)境模擬方面，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)積累了許多寶貴的經(jīng)驗(yàn)。室內(nèi)環(huán)境包括室內(nèi)熱環(huán)境、聲環(huán)境、光環(huán)境、視覺環(huán)境、空氣質(zhì)量環(huán)境、心理環(huán)境等。丹麥學(xué)者M(jìn)onika Frontczak，Pawel Wargocki對一大批實(shí)驗(yàn)者在不同建筑場所進(jìn)行了舒適度調(diào)研，旨在探索室內(nèi)環(huán)境對影響人體舒適度的影響，通過改變建筑特性、室外氣候變化、熱覺、視覺和聽覺，以及空氣質(zhì)量等影響因素，調(diào)查對于舒適的影響大小進(jìn)行排名，結(jié)果表明，與空氣質(zhì)量、視覺、聽覺相比，熱舒適的排名最為靠前［1］。因此，一般所說室內(nèi)舒適度指的便是室內(nèi)熱環(huán)境的舒適程度。在ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)中把熱舒適定義為對熱環(huán)境表示滿意的意識狀態(tài)它是人們生理和心理上的一種感覺，熱舒適是神經(jīng)系統(tǒng)的一系列的活動，這些活動使人在心理上產(chǎn)生快樂的感覺［2］。影響人體熱舒適的因素主要是空氣濕度、空氣流速、平均溫度、人體新陳代謝和服裝熱阻［3］等五個(gè)方面。

作為影響空調(diào)房間室內(nèi)舒適度的一個(gè)重要方面，送風(fēng)方式種類繁多，比如：同(異)側(cè)上送上回、同(異)側(cè)上送下回；同(異)側(cè)下送上回、同(異)側(cè)下送下回等等［4］。對于辦公房間常常采用上送上回和下送上回的送風(fēng)方式。本文運(yùn)用Airpak3.0軟件(Airpak是Fluent公司推出專門面向建筑供暖通空調(diào)領(lǐng)域的環(huán)境系統(tǒng)分析軟件，現(xiàn)為Ansys公司所有，作為CFD模擬軟件之一，Airpak具有較強(qiáng)的圖形化后處理功能［5］)，在不改變空調(diào)送風(fēng)參數(shù)的前提下，對某辦公室分別采用上送上回，下送上回的兩種不同送風(fēng)方式為例進(jìn)行建模，通過對室內(nèi)的空氣環(huán)境進(jìn)行數(shù)值模擬，并對其進(jìn)行分析并討論送風(fēng)方式對室內(nèi)熱舒適性的影響，從而對空調(diào)辦公房間氣流組織的改進(jìn)與優(yōu)化提供參考。

1 幾何模型與數(shù)學(xué)模型

1.1 幾何模型

本文選取上海地區(qū)某典型辦公樓標(biāo)準(zhǔn)層其中一間辦公室為研究對象。該辦公室面積為107 m2；房間朝向?yàn)槟掀骷s40°。為了清晰地對辦公室內(nèi)工作人員及設(shè)備進(jìn)行舒適度模擬，運(yùn)用Airpak軟件對其進(jìn)行建模。房間結(jié)構(gòu)，人員及設(shè)備布局如圖1所示：

圖1 辦公室?guī)缀文Ｐ?/p>

主要參數(shù)設(shè)置如下：房間大小為13.5 m×8 m×4.2 m；6個(gè)送風(fēng)口采用openings，大小為0.2 m×0.2 m，相對濕度設(shè)置為50%；2個(gè)回風(fēng)口采用vents，尺寸為0.7 m×0.2m。因?yàn)樵摻ㄖ捎媚粔υO(shè)計(jì)，南墻70%為室外窗戶，設(shè)置為定溫邊界，在此采用上海典型年夏季平均溫度34℃，其余墻體為內(nèi)墻，設(shè)置為絕熱邊界。辦公人員大小設(shè)置為1.73 m×0.3 m×0.2 m，一律采用坐姿，穿衣設(shè)置為T恤+長褲；照明設(shè)備設(shè)置為熒光燈，大小設(shè)置為0.2 m×1.2 m×0.15 m；電腦大小設(shè)置為0.4 m×0.4 m×0.4 m；其中電腦、辦公人員、熒光燈采用定熱流邊界，熱流量分別為108、75、34 W，其余物體設(shè)為絕熱邊界。

1.2 數(shù)學(xué)模型

數(shù)學(xué)模型應(yīng)滿足室內(nèi)氣體為不可壓縮；符合Boussinesq假設(shè)［6］，即認(rèn)為流體密度僅對浮生力產(chǎn)生影響?？刂品匠炭梢钥偨Y(jié)滿足通用方程［7］：

式中：ρ為空氣密度；u為氣流速度；φ為通用變量；Γ為廣義擴(kuò)散系數(shù)；s為廣義源項(xiàng)。

對于求解模型本文采用零方程模型［8］。零方程模型，是指湍流黏性系數(shù)與時(shí)均值存在代數(shù)方程關(guān)系，將湍流黏度歸結(jié)為當(dāng)?shù)仄骄俣群烷L度尺度函數(shù)的模型：μl=0.03874ρυl(式中：μl為湍流粘度；υ為當(dāng)?shù)仄骄俣龋籰為長度尺度)。速度與壓力的耦合則采用熟悉的SIMPLE算法。網(wǎng)格劃分采用六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格單元最大尺寸均為0.3 m，對局部進(jìn)行網(wǎng)格加密：一般固體表面網(wǎng)格數(shù)min=2，對于送風(fēng)口與回風(fēng)口處網(wǎng)格數(shù)min=5。

1.3 室內(nèi)舒適度模擬

(1)為了觀察兩種送風(fēng)方式的室內(nèi)氣流分布對比情況，取主要工作區(qū)域：距地面高度1.1 m處截面進(jìn)行分析，各截面速度場、溫度場、濕度場分布圖如圖2～7所示：

圖2 上送上回Y=1.1 m速度場

(2)PMV、PPD是評價(jià)室內(nèi)熱環(huán)境舒適程度的重要指標(biāo)。PMV指標(biāo)表示對同一環(huán)境絕大多數(shù)人的冷熱感覺，具體人體冷熱感如表1所示；PPD指標(biāo)則是表示對熱環(huán)境不滿意人群所占的百分?jǐn)?shù)。

圖3 下送上回Y=1.1 m速度場

圖4 上送上回Y=1.1 m溫度分布

圖5 下送上回Y=1.1 m溫度分布

圖6 上送上回Y=1.1m濕度分布

圖7 下送上回Y=1.1 m濕度分布

表1 PMV對應(yīng)人體熱舒適感覺

為了觀察兩種送風(fēng)方式的室內(nèi)舒適度的對比情況，分別取Y=1.1 m，X=4 m截面進(jìn)行分析，各截面PMV、PPD分布圖如圖8～15所示：

圖8 上送上回Y=1.1m PMV分布

圖9 上送上回X=4 m PMV分布

圖10 下送上回室內(nèi)Y=1.1m PMV分布

圖11 下送上回X=4 m PMV分布

圖12 上送上回Y=1.1 m PPD分布

圖13 上送上回X=4 m PPD分布

圖14 下送上回Y=1.1 m PPD分布

圖15 下送下回X=4m PPD分布

(3)空氣年齡(Age of air)是指空氣由送風(fēng)口被送入房間到從回風(fēng)口離開房間所經(jīng)歷的時(shí)間?？諝饽挲g可以用來評價(jià)室內(nèi)空氣環(huán)境品質(zhì)的高低：空氣年齡越小，說明空氣在室內(nèi)存留的時(shí)間越短，空氣質(zhì)量也越高；反之，則室內(nèi)空氣質(zhì)量越低。為了觀察兩種送風(fēng)方式下的室內(nèi)空氣年齡分布的對比情況，取X軸中截面進(jìn)行觀察分析，截面空氣年齡分布如圖16、圖17所示：

圖16 上送上回X=4 m空氣年齡分布

圖17 下送上回X=4 m空氣年齡分布

2 模擬結(jié)果分析

對以上模擬圖中數(shù)據(jù)集中匯總?cè)绫?：

表2 室內(nèi)舒適程度模擬結(jié)果

(1)從室內(nèi)風(fēng)速分布圖(圖2、3)可以看出，對于上送上回送風(fēng)方式，除射流區(qū)外，工作區(qū)內(nèi)的氣流速度較低，平均速度為0.128 m/s，這是由于空氣氣流進(jìn)入房間后會有一定的貼附長度，且受浮力及墻壁等物體遮擋的影響，射流速度逐漸減弱，進(jìn)入工作區(qū)的氣流較為均勻；而對于下送上回送風(fēng)方式而言，氣流直接進(jìn)入工作區(qū)，氣流分布較不均勻，平均流速也較大為0.268 m/s；由于直接進(jìn)入工作區(qū)，空氣濕度自然也較大。就溫度場而言(圖4、5)，上送上回送風(fēng)方式垂直溫差較小，溫度分布較均勻，工作區(qū)平均溫度為26.6℃；而下送上回送風(fēng)方式在相同條件下，室內(nèi)溫度與上送上回送風(fēng)方式相比較低，平均氣溫為25.7℃，且稍有分層現(xiàn)象。相同的是在靠近窗的位置溫度很高，這是由于此建筑為幕墻結(jié)構(gòu)，窗的面積相對較大，尤其是在夏季會有過量的太陽輻射照入到房間，導(dǎo)致溫度較高。綜合分析，上送上回送風(fēng)方式下室內(nèi)氣流分布較好，且空氣濕度、溫度也比下送上回方式要適宜。

(2)從室內(nèi)PMV、PPD分布圖(圖8～15)可知，上送上回的送風(fēng)方式除了窗口附近區(qū)域外PMV值在－0.5～1范圍內(nèi)，平均值為0.855，人體有微熱感；PPD平均值為20%，不滿意人數(shù)偏多。而下送上回送風(fēng)方式與之相比，PMV平均值為0.662，人體感覺基本舒適，但下部送風(fēng)口處風(fēng)速較大，腳低部位可能會有吹風(fēng)感。這也是為什么距地面較近處PPD值偏大的原因。但是就主要工作區(qū)來說其PPD值較上送上回方式來說是小的，平均為12.5%。還應(yīng)該注意到的是此兩種送風(fēng)方式下的PMV、PPD的平均值均未能滿足ISO7730標(biāo)準(zhǔn)推薦值(PMV為－0.5～+0. 5；PPD小于10%)的要求，可以通過采取遮陽等措施進(jìn)行改善。

(3)由空氣平均年齡分布圖(圖16、17)可知，上送上回送風(fēng)方式下，室內(nèi)空氣平均年齡較大，其最大值為3127 s，平均值為2860 s。這是由于送入空氣在進(jìn)入主要工作區(qū)域之前經(jīng)歷了較長時(shí)間的摻混，空氣在室內(nèi)停留時(shí)間較長，而如果采用下送上回的送風(fēng)方式，送入空氣幾乎可以直接進(jìn)入到主要工作區(qū)域范圍，與室內(nèi)空氣熱量交換的時(shí)間相對縮短，空氣平均年齡自然較小，其平均值為1900 s，室內(nèi)空氣較新鮮。所以比較而言，下送上回送風(fēng)方式有較好的室內(nèi)空氣質(zhì)量。此外，由于風(fēng)從更接近于工作區(qū)域的地板送出，距離工作人員較近，空氣年齡較小，不必過多考慮工作區(qū)域外距離地面較遠(yuǎn)區(qū)域的舒適度，所需提供冷熱量較上送上回方式較少，所以也具有較大的節(jié)能潛力。

綜上所述，在不改變送風(fēng)參數(shù)的前提下，不同的送風(fēng)方式，對于室內(nèi)氣流速度場、溫度場及濕度場分布、人體舒適度和空氣品質(zhì)等方面都有較大的影響差異。

3 結(jié)論

(1)本文運(yùn)用Airpak軟件進(jìn)行CFD模擬的方法對不同送風(fēng)方式的溫度場、速度場、濕度場、PMV值、PPD值及空氣平均年齡進(jìn)行分析，可以對空調(diào)房間的氣流組織形式進(jìn)行優(yōu)化，為空調(diào)設(shè)計(jì)提供參考，并且節(jié)約了時(shí)間和成本，具有一定的實(shí)用與經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

(2)對于人員較為集中，活動量不大的辦公建筑房間，兩種送風(fēng)方式在某些具體室內(nèi)參數(shù)方面各有優(yōu)劣，就整體舒適度而言，下送上回送風(fēng)方式優(yōu)于上送上回送風(fēng)方式。

［1］Frontczak M，Wargocki P.Literature survey on how different factors influence human comfort in indoor environments［J］.Building and Environment，2011，46 (4)：922-937.

［2］Lorsch H G.The impact of the building in door environment on occupant productivity part 2：effects of temperature［J］.ASHRAE Transactions，1994，100 (2)：895-901.

［3］李百戰(zhàn)，鄭潔，姚潤明，等.室內(nèi)熱環(huán)境與人體舒適度［M］.重慶：重慶大學(xué)出版社，2012.

［4］張春陽，林豹.中學(xué)教室空調(diào)氣流組織的數(shù)值模擬研究［J］.制冷，2010，(3)：50-56.

［5］王玉梅.劇院下送風(fēng)氣流組織模擬與優(yōu)化［D］.長沙：中南大學(xué)，2011.

［6］陶文銓.數(shù)值傳熱學(xué)(第二版)［M］.西安：西安交通大學(xué)出版社，2001.

［7］楊惠，張歡，由世俊.基于Airpak的辦公室熱環(huán)境CFD模擬研究［J］.山東建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，19(4)：41-44.

［8］袁東升，田慧玲，高建成.氣流組織對空調(diào)房間空氣環(huán)境影響的數(shù)值模擬［J］.建筑節(jié)能，2008，(9)：9-13.

Effect of Air Supply on Indoor Com fort for Office Buildings

SUN Jian-meia，LIU Yun-zhaob
(a.School of Economics and Management；b.College of Energy and Mechanical Engineering，Shanghai University of Electric Power，Shanghai200090，China)

Because of the characteristics of the personnel，the equipment concentrated and the long time stationary，a more comfortable office environment enabling staff will be more relaxed and can help to improve work efficiency.The forms of air supply mode directly impact on indoor air distribution，which is one of the important factors that influence indoor comfort for the air-conditioned office room.For the same conditions，useing Airpak which is a simulation software designed for HVAC，twomodelswere established for the upper supply to upper return，the lower supply to upper return and themain air supply for office buildings and simulate themodel in CFD.By contrasting the indoor velocity field，temperature field，humidity field，PMV and PPD，the simulation results of indoor air quality and thermal comfort of air in differentwayswere found，and got the better speed and temperature distribution for the upper supply to upper return；the higher indoor comfortand air quality for the other air were supplied.So it can provide some references for optimizing air-conditioned for office buildings.

air supplymode；Airpak；office building；degree of comfort

TU831

A

2095-0985(2015)04-0015-05

2015-05-04

2015-10-04

孫建梅(1974-)，女，河北保定人，博士，教授，研究方向?yàn)榻ㄖ?jié)能(Email：dlxysjm@139.com)

085-能源經(jīng)濟(jì)服務(wù)科學(xué)研究開放項(xiàng)目(C-8209-11-439)