劉澤勤，李思澤，左珍君

（1.天津商業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300134；2.天津市制冷技術(shù)重點實驗室，天津 300134）

方形散流器送風(fēng)角度對室內(nèi)熱舒適度的影響

劉澤勤1,2，李思澤1，左珍君1

（1.天津商業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300134；2.天津市制冷技術(shù)重點實驗室，天津 300134）

使用CFD數(shù)值模擬軟件，進(jìn)行數(shù)值模擬和分析，探索辦公室建筑房間內(nèi)方形散流器的送風(fēng)角度對室內(nèi)熱舒適度的影響．采用溫度不均勻系數(shù)、速度不均勻系數(shù)、空氣分布特性指標(biāo)ADPI和能量利用系數(shù)等作為人體熱舒適度的綜合評價指標(biāo)．根據(jù)用戶對工作區(qū)域的熱環(huán)境要求，可合理選擇不同角度的方形散流器：如對溫度均勻性要求較高，應(yīng)選擇送風(fēng)角度為50°；如對速度均勻性要求較高，應(yīng)選擇送風(fēng)角度40°；如對熱舒適性要求較高，應(yīng)選擇送風(fēng)角度為30°～40°；如果對建筑節(jié)能效果要求較高，應(yīng)選擇送風(fēng)角度為60°～70°．

送風(fēng)角度；溫度不均勻系數(shù)；速度不均勻系數(shù)；ADPI；能量利用系數(shù)

0 引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對室內(nèi)舒適度的控制要求越來越高，作為影響人體舒適度的主要因素，室內(nèi)溫度場和速度場已成為暖通空調(diào)專業(yè)學(xué)者們的研究內(nèi)容之一，良好的室內(nèi)氣流組織是改善室內(nèi)熱環(huán)境的重要影響因素[1]．空調(diào)系統(tǒng)末端裝置的方形散流器，以控制送風(fēng)氣流方向并均勻散流特性為主要特征，被廣泛應(yīng)用于室內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)[2]．散流器送風(fēng)角度的不同會引起室內(nèi)速度場的變化，進(jìn)而對人體的熱舒適性產(chǎn)生影響．

1974 年，丹麥的Nielsen P V[3]首次將CFD應(yīng)用于空調(diào)工程，模擬室內(nèi)空氣流動情況，此后，國內(nèi)外許多學(xué)者應(yīng)用CFD模擬技術(shù)，模擬不同條件下室內(nèi)環(huán)境的熱舒適型，為CFD技術(shù)在暖通空調(diào)領(lǐng)域的應(yīng)用提供了借鑒．應(yīng)用CFD模擬技術(shù)，探索合理的氣流分布，是確保室內(nèi)達(dá)到最佳空氣品質(zhì)的前提與必要條件，對于建筑物而言，影響室內(nèi)氣流分布的主要因素是送風(fēng)參數(shù)，而在實際空調(diào)工程中，送風(fēng)口多采用方形散流器．目前對于方形散流器送風(fēng)參數(shù)的研究，主要集中于送風(fēng)溫度與速度，對于送風(fēng)角度對室內(nèi)熱舒適度的影響的研究還不是很廣泛．本文通過使用CFD模擬軟件，模擬分析辦公建筑方形散流器送風(fēng)角度的變化，對室內(nèi)熱舒適度和氣流組織分布的影響，通過探索溫度不均勻系數(shù)、速度不均勻系數(shù)、空氣分布特性指標(biāo)ADPI和能量利用系數(shù)等，對室內(nèi)熱環(huán)境進(jìn)行綜合評價．溫度不均勻系數(shù)和速度不均勻系數(shù)分別反映了空調(diào)房間工作區(qū)的溫度和速度分布的均勻程度．空氣分布特性指標(biāo)（ADPI）將空氣溫度、氣流速度以及人的舒適感三者結(jié)合起來，充分反映了整個工作區(qū)的氣流分布的優(yōu)劣，是空調(diào)氣流分布評估的唯一單個數(shù)據(jù)指標(biāo)，由于大多數(shù)室內(nèi)的舒適性空調(diào)輻射影響有限，且相對濕度在30%～70%范圍內(nèi)對人體影響不明顯[4]，所以ADPI未考慮輻射以及相對濕度對人體舒適度的影響．因此，空氣溫度與風(fēng)速對人體的綜合作用，成為本課題研究的主要考慮因素，同時也用作供冷工況下，舒適性空調(diào)的評價指標(biāo)[5]．

1 模型介紹

圖1為1間典型辦公室模型示意圖，數(shù)值模擬邊界條件將辦公室?guī)缀纬叽缭O(shè)置為5 m×4 m×3 m．房間內(nèi)所布置的熱源為模擬人、模擬電腦、燈、桌子；辦公室內(nèi)設(shè)置4人，考慮到人在辦公室內(nèi)一般為坐姿，將人體簡化為1.1 m高的圓柱體，單個人體發(fā)熱量為130 W；室內(nèi)有4組日光燈用于照明，每組2個日光燈，單個燈管發(fā)熱量為36 W；辦公室內(nèi)配備4個電腦用于辦公，單個電腦的發(fā)熱量為108 W；室內(nèi)所有的熱源均設(shè)為面熱源；送排風(fēng)口位于天花板上，風(fēng)口位置如圖1所示，送風(fēng)口尺寸為300 mm×300 mm，送風(fēng)速度2 m/s，回風(fēng)口尺寸為800 mm×400 mm；室內(nèi)設(shè)計溫度25℃，送風(fēng)口送風(fēng)溫度20℃；建筑維護(hù)結(jié)構(gòu)假設(shè)為絕熱壁面．

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

圖1 數(shù)值模擬辦公室布置圖Fig.1 Numerical simulation of office layout

通過使用CFX軟件進(jìn)行數(shù)值模擬計算，對使用不同角度的方形散流器的辦公室空調(diào)進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬選取的送風(fēng)角度如表1所示，文中選取距地面0.1 m、0.3 m、0.5 m、0.7 m、0.9 m、1.1 m、1.3 m、1.5 m水平平面進(jìn)行分析，分析平面內(nèi)的溫度速度分布．

表1 送風(fēng)角度表Tab.1 A ir supply angle

圖2為送風(fēng)角度30°時距地面1.1 m處的溫度速度分布圖，其中圖2a）為溫度分布圖，圖2b）為速度分布圖．從圖2a）可以看出，在該平面內(nèi)，溫度分布均勻，橫向溫差?。M計算得出，平面計算平均溫度為25.296℃，設(shè)計溫度為25℃，模擬計算結(jié)果與設(shè)計差距不大，圖中人體與電腦周圍溫度較高，是由于人體和電腦被設(shè)為面熱源，從而造成小部分區(qū)域出現(xiàn)溫度偏高現(xiàn)象．由圖3b）可以看出，在1.1m平面內(nèi)，風(fēng)速分布較為均勻，人體周圍風(fēng)速不超過0.3m/s，不會產(chǎn)生吹風(fēng)感，模擬計算得出，平面內(nèi)平均風(fēng)速為0.076m/s，符合人體熱舒適度要求．

圖2 距地面1.1 m處的溫度、速度分布圖Fig.2 Temperature and velocity distribution from the ground 1.1 m

圖3為在不同送風(fēng)角度下，距地面不同高度的平面平均溫度與速度分布圖．從圖3a）中可以看出，送風(fēng)角度在10°～50°范圍內(nèi)，垂直方向溫度梯度不斷減小，在50°～90°范圍內(nèi)，溫度梯度不斷增大，送風(fēng)角度為50°時，1.5 m以下區(qū)域的溫度梯度最小，垂直溫差在1°以內(nèi)．同一送風(fēng)角度下，隨著高度的增加，面平均溫度增大．送風(fēng)角度為70°時，同一高度平面的平均溫度最低．圖3b）為在不同送風(fēng)角度下，距地面不同高度的平面平均速度分布圖．從圖中可以看出，隨著距地面高度的增加，平面平均速度增加，在垂直方向的速度差較?。S著送風(fēng)角度的增大，同一高度平面內(nèi)的平均速度增加．送風(fēng)角度在10°～30 °的范圍內(nèi)，垂直方向的速度差增大，送風(fēng)角度在30°～50°范圍內(nèi)，垂直方面的速度差減小，在50°時達(dá)到最小，60°～90°的范圍內(nèi)，垂直方向的速度差基本保持不變．距地面高為0.1 m的平面的平均速度隨送風(fēng)角度的變化比較明顯．但總體風(fēng)速都不高于0.35 m/s，符合人體熱舒適度的要求．

圖3 不同送風(fēng)角度下的溫度、速度分布圖Fig.3 Temperature and velocity distribution under different w ind angles

3 室內(nèi)熱舒適度評價

為了對使用方形散流器的房間進(jìn)行總體的室內(nèi)熱舒適度評價，尋找出最適合的方形散流器送風(fēng)角度．在房間1.1 m以下的區(qū)域選取數(shù)據(jù)采集點，房間內(nèi)數(shù)據(jù)采集點的選取如圖4所示．測點距兩邊墻體的距離為500 mm，每隔500 mm選取一排測點，每排測點最低點距地100 mm，然后每隔100 mm向上取點，依次取10個測點．采用溫度不均勻系數(shù)、速度不均勻系數(shù)、ADPI指標(biāo)和能量利用系數(shù)對1.1 m以下區(qū)域內(nèi)的熱舒適度進(jìn)行總體評價．

圖4 辦公室內(nèi)測點的布置圖Fig.4 Layout of measuring points in the office

3.1 不均勻系數(shù)

在室內(nèi)各點，氣流組織的表現(xiàn)形式為溫度、風(fēng)速均有不同程度的差異，這種差異用“不均勻系數(shù)”指標(biāo)來評價．在工作區(qū)內(nèi)選擇n個測點，分別測得各點的溫度和風(fēng)速，求其算術(shù)平均值為[6]

則不均勻系數(shù)的定義為

式中速度不均勻系數(shù)ku和溫度不均勻系數(shù)kt都是無量綱數(shù)．ku、kt的值越小，表示氣流分布的均勻性越好．

圖5為不同送風(fēng)角度下1.1 m以下工作區(qū)域的溫度不均勻系數(shù)和速度不均勻系數(shù)變化情況．從圖5a）中可以看出送風(fēng)角度在10°～50°的范圍內(nèi)，溫度不均勻系數(shù)呈下降趨勢，在50°～70°的送風(fēng)角度范圍內(nèi)又呈上升趨勢，70°～90°的送風(fēng)角度范圍內(nèi)，溫度不均勻系數(shù)又開始降低，送風(fēng)角度為50°時，溫度不均勻系數(shù)最?。畣螐臏囟炔痪鶆蛳禂?shù)方面來考慮，送風(fēng)角度為50°時效果最好．

從圖5b）中可以看出，速度不均勻系數(shù)隨送風(fēng)角度的增加，總體呈增大趨勢，只有在送風(fēng)角度為40°時，出現(xiàn)一個突降．單從速度不均勻系數(shù)方面考慮，送風(fēng)角度為10°時效果最好，送風(fēng)角度為20°和40°時，效果也很不錯．

圖5 溫度、速度不均勻系數(shù)隨送風(fēng)角度的變化Fig.5 The variation of uneven temperature and velocity coefficient w ith w ind angles

3.2 空氣分布特性指標(biāo)ADPI

在舒適性空氣調(diào)節(jié)中，可以用測點溫度、風(fēng)速作用的有效溫度差值來評價人的舒適性[7]

式中：為綜合溫度；t1為測點溫度；tn為室內(nèi)設(shè)計溫度，參照《天津市2010年節(jié)能減排工作實施方案》，取室內(nèi)溫度為25℃，溫度單位均為℃；vi為測點風(fēng)速，速度單位為m/s．

根據(jù)相關(guān)資料顯示，在=1.7～1.1的范圍內(nèi)，多數(shù)人體感覺較為舒適[8]．ADPI值可通過下式確定[2]

根據(jù)相關(guān)資料顯示，當(dāng)ADPI＞80%時，可視為空調(diào)區(qū)處于熱舒適狀態(tài)[9]，即辦公室工作區(qū)處于熱舒適狀態(tài)．

3.3 能量利用系數(shù)

能量利用系數(shù)又稱溫度效率（Temperature Efficiency），反映的是室內(nèi)的溫度梯度，表示了室內(nèi)熱力分層的特性．工作區(qū)的平均能量利用系數(shù)為[10]

式中：te為排風(fēng)溫度；tm為工作區(qū)空氣平均溫度；ts為送風(fēng)溫度．

對通風(fēng)系統(tǒng)而言，能量利用系數(shù)越高，節(jié)能潛力也越大，但同時也會導(dǎo)致室內(nèi)較大的溫度梯度，從而影響熱舒適度，進(jìn)而影響室內(nèi)空氣品質(zhì)[11]．本次模擬實驗，通過選取的工作區(qū)測點和排風(fēng)測點，計算出該辦公室能量利用系數(shù)，以此判斷系統(tǒng)所具有的節(jié)能效果[12]．圖6為ADPI值和能量利用系數(shù)隨送風(fēng)角度的變化情況圖．其中，圖6a）表示ADPI值隨送風(fēng)角度的變化情況．從圖中可以看出，送風(fēng)角度在20°～50°的范圍內(nèi)時，方形散流器送風(fēng)基本能夠保證工作區(qū)域內(nèi)人體熱舒適性的要求．送風(fēng)角度為30°和40°時，工作區(qū)域內(nèi)的人體熱舒適性效果最好，送風(fēng)角度為80°時，工作區(qū)域內(nèi)的人體熱舒適性效果最差．從人體熱舒適性方面考慮，送風(fēng)角度選擇30°～40°范圍內(nèi)時效果最好．

圖6b）表示能量利用系數(shù)隨送風(fēng)角度的變化情況．從圖中可以看出，送風(fēng)角度在10°～70°的范圍內(nèi)，能量利用系數(shù)都比較高，且都大于1，都具有很好的節(jié)能效果，送風(fēng)角度為60°時的能量利用系數(shù)最高，節(jié)能效果最好．送風(fēng)角度為80°和90°時的能量利用系數(shù)很低，且都低于0.5，不節(jié)能．從節(jié)能方面考慮，送風(fēng)角度選擇60°時，節(jié)能效果最為明顯．

4 結(jié)論

通過上述的模擬研究發(fā)現(xiàn)，使用方形散流器對辦公室進(jìn)行空調(diào)制冷時，從不同的方面考慮，其最佳送風(fēng)角度都有所不同．因此，在一般辦公建筑內(nèi)使用方形散流器作為空調(diào)的送風(fēng)口時，應(yīng)根據(jù)不同的使用要求，合理選擇不同角度的方形散流器．如果對室內(nèi)工作區(qū)內(nèi)的溫度均勻性要求較高，應(yīng)選擇送風(fēng)角度為50°方形散流器；如果對室內(nèi)工作區(qū)內(nèi)的速度均勻性要求較高，應(yīng)選擇送風(fēng)角度為40°方形散流器；如果對室內(nèi)工作區(qū)內(nèi)的熱舒適性要求較高，應(yīng)選擇送風(fēng)角度為30°～40°的方形散流器；如果對建筑節(jié)能效果要求較高，應(yīng)選擇送風(fēng)角度為60°～70°的方形散流器．本課題的模擬實驗研究，為方形散流器的工程設(shè)計選擇提供了技術(shù)支持．

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The effect of square diffuser angle on indoor thermal com fort

LIU Zeqin1,2，LI Size1，ZUO Zhenjun1

(1.College of M echanical Engineering,Tianjin University of Commerce,Tianjin 300314,China;2.Key Laboratory of Tianjin Refrigeration Technology,Tianjin 300314,China)

To evaluate the human thermal com fort of different working area under the condition of different w ind angle square,the simulation of office building room using different wind angle square diffuser was proposed based on the CFD numerical simulation software.The evaluation of human thermal com fort index w as focused on the indoor thermal com fort,uneven tem perature coefficient,velocity asymmetry coefficient,air distribution performance index ADPI and energy using coefficient.As the tem perature uniform ity requirements are higher,the air supp ly angle should be 50 degrees;as the velocity uniform ity requirements are higher,the air supply angle of should be 40 degrees;as the higher requirements on thermal com fort,the air supply angle should be 30 to 40 degrees;as the higher requirement on the construction of energy-saving effect,the air supply angle should be 60 to 70 degrees.

wind angle;uneven temperature coefficient;velocity asymmetry coefficient;ADPI;energy utilization coefficient

TU831

A

1007-2373(2015)06-0058-05

10.14081/j.cnki.hgdxb.2015.06.011

2015-07-24

天津市自然科學(xué)基金（13JCZDJC27400）；天津市高等學(xué)校科技發(fā)展基金（20120910）

劉澤勤（1961-），男（漢族），教授，博士，liuzq@tjcu.edu.cn．

數(shù)字出版日期：2015-11-18數(shù)字出版網(wǎng)址：http://www.cnki.net/kcms/detail/13.1208.T.20151118.1054.010.htm l