沈文增，莊兆意，李彬，王斌

1.山東建筑大學(xué)熱能工程學(xué)院,山東濟(jì)南250101

2.山東博物館機(jī)電設(shè)備部,山東濟(jì)南250014

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，人們對(duì)室內(nèi)環(huán)境品質(zhì)的要求越來(lái)越高。據(jù)調(diào)查，人員在室內(nèi)活動(dòng)的時(shí)間占比可達(dá)80%以上，通過(guò)調(diào)節(jié)空調(diào)送風(fēng)參數(shù)來(lái)提高室內(nèi)空氣熱濕品質(zhì)，達(dá)到更好的熱舒適性，對(duì)提高人們生活質(zhì)量有重要意義。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，空調(diào)位置及空調(diào)送風(fēng)角度對(duì)室內(nèi)舒適性影響較大。如合理設(shè)計(jì)，可有效地改善室內(nèi)熱濕環(huán)境、提高室內(nèi)舒適度、降低空調(diào)能耗，從而節(jié)約建筑能耗及生態(tài)能源。而目前空調(diào)系統(tǒng)形式及末端的多樣性，使得對(duì)可調(diào)節(jié)送風(fēng)角度的末端形式缺乏深入研究[1]。

辦公室是辦公人員長(zhǎng)時(shí)間停留的場(chǎng)所，因而對(duì)其室內(nèi)熱舒適性及空氣質(zhì)量要求很高。通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)(computational fluid dynamics，CFD)方法，在設(shè)定某室內(nèi)環(huán)境參數(shù)下，通過(guò)對(duì)改變送風(fēng)角度進(jìn)行模擬，可有效對(duì)室內(nèi)溫度、速度場(chǎng)等指標(biāo)進(jìn)行綜合性評(píng)價(jià)，進(jìn)而分析室內(nèi)空氣品質(zhì)、熱舒適性。姚潤(rùn)明等[2]利用CFD技術(shù)對(duì)空調(diào)房間進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了室內(nèi)PMV-PPD，為室內(nèi)舒適度的研究奠定了基礎(chǔ)；江億等[3]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究為主，CFD技術(shù)模擬為輔，得出空調(diào)室內(nèi)空氣齡分布，并推導(dǎo)出室內(nèi)空氣齡的輸運(yùn)方程。袁東升等[4]通過(guò)控制變量法對(duì)室內(nèi)氣流組織進(jìn)行研究，在相同的室內(nèi)條件下，以氣流組織形式為變量，進(jìn)行數(shù)值模擬，研究成果為空調(diào)房間的室內(nèi)熱舒適度及氣流組織形式的優(yōu)化提供參考。

本文利用Airpak 軟件對(duì)某建筑辦公室進(jìn)行建模與數(shù)值模擬，設(shè)置空調(diào)參數(shù)(送風(fēng)角度、溫度、速度等)，對(duì)比卡式風(fēng)盤送風(fēng)角度分別為30°、45°、60°、90°時(shí)對(duì)室內(nèi)熱濕環(huán)境的影響，總結(jié)出室內(nèi)熱舒適度分布特征，為合理選擇送風(fēng)角度、調(diào)節(jié)室內(nèi)氣流組織，從而達(dá)到更高的熱舒適性提供依據(jù)，也為空調(diào)專業(yè)的設(shè)計(jì)、研發(fā)、系統(tǒng)優(yōu)化等提供了可靠的支撐。

1 數(shù)值模擬

1.1 物理模型

以某建筑內(nèi)辦公室為模型，利用Airpak 軟件進(jìn)行1∶1比例建模，房間幾何尺寸為6 m×4 m×3 m(長(zhǎng)×寬×高)；風(fēng)盤采用某廠家生產(chǎn)的卡式四出風(fēng)風(fēng)盤，布置在房間中心位置，負(fù)責(zé)室內(nèi)4人工作區(qū)熱濕環(huán)境調(diào)節(jié)；每人配置一臺(tái)電腦；室內(nèi)布置4盞熒光燈。房間模型及卡式風(fēng)盤示意圖如圖1、2所示。

圖1 房間物理模型

圖2 風(fēng)盤示意

將整個(gè)辦公區(qū)域作為計(jì)算域進(jìn)行四面體網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格尺寸0.15 m，網(wǎng)格單元數(shù)173 832，詳細(xì)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)、室內(nèi)器具尺寸參數(shù)與邊界條件見(jiàn)表1。

表1 房間模型參數(shù)

1.2 房間實(shí)驗(yàn)參數(shù)

空調(diào)室內(nèi)空氣參數(shù)因室內(nèi)氣流流動(dòng)和分布狀況的影響而發(fā)生變化，這些都取決于空調(diào)系統(tǒng)形式，包含送回風(fēng)口的形式、尺寸、位置，送風(fēng)溫度、送風(fēng)速度、送風(fēng)角度[5]等影響因素。故要達(dá)到良好的室內(nèi)熱舒適環(huán)境，就應(yīng)結(jié)合建筑類型及空間構(gòu)造，合理調(diào)整送風(fēng)參數(shù)以達(dá)到良好的室內(nèi)熱舒適性。

夏季舒適性空調(diào)的室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度建議值為24～28℃,設(shè)計(jì)相對(duì)濕度建議值為40%～60%，工作區(qū)溫差滿足ΔT≤3 ℃，風(fēng)速v≤0.3 m/s[6-7]。按要求，此處取空調(diào)室內(nèi)設(shè)計(jì)狀態(tài)點(diǎn)參數(shù)為設(shè)計(jì)溫度25℃、設(shè)計(jì)濕度RH 55%、含濕量10.89 g/kg、焓值52.88 kJ/kg、送風(fēng)溫差6℃。

經(jīng)負(fù)荷計(jì)算，得房間余熱2 250 W，余濕0.113 3 g/s，得送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)參數(shù)為送風(fēng)溫度19℃、送風(fēng)含濕量10.56 g/kg、送風(fēng)量0.33 kg/s、風(fēng)口風(fēng)速3.31 m/s。

風(fēng)盤安裝在房間中部，送風(fēng)角度由速度偏移量確定。室內(nèi)辦公人員取坐姿打字狀態(tài)：新陳代謝率[8]為63.965 W/m2；服裝熱阻采用夏季經(jīng)典穿搭為0.61 Clo。考慮實(shí)際送風(fēng)狀態(tài)，送風(fēng)角度選取與水平方向夾角分別為30°、45°、60°、90°的情況進(jìn)行模擬分析。

2 數(shù)學(xué)模型

本文采用Airpak 軟件內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型，為便于計(jì)算室內(nèi)空氣流動(dòng)狀態(tài)與換熱情況、對(duì)室內(nèi)狀態(tài)做以下簡(jiǎn)化和假設(shè)：1)假設(shè)辦公室為封閉空間；2)不考慮門窗縫隙漏風(fēng)、空氣滲透等影響；3)房間墻面、門窗設(shè)為定壁溫、定熱流密度，具體數(shù)值參考表1；4)室內(nèi)空氣擬處理為穩(wěn)態(tài)湍流流動(dòng)，不可壓縮且符合Boussinesq 假設(shè)，其余物性取常數(shù)；5)忽略粘性耗散作用。

數(shù)值模擬過(guò)程所需要的流體流動(dòng)與換熱的基本控制方程選用的是采用Launder 及Spalding 等提出的平均湍流能量模型：κ-ε雙方程湍流模型，控制方程[9-10]主要有以下4個(gè)：

1)連續(xù)性方程。對(duì)于不可壓縮流體，其流體密度為常數(shù)，方程可簡(jiǎn)化為

3 結(jié)果分析

3.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)

文中熱舒適性評(píng)價(jià)指標(biāo)按照《熱環(huán)境的人類工效學(xué)-通過(guò)計(jì)算PMV 和PPD指數(shù)與局部熱舒適準(zhǔn)則對(duì)熱舒適進(jìn)行分析測(cè)定與解釋》(GB/T 18049-2017)進(jìn)行評(píng)價(jià)[11]，即PMV-PPD評(píng)價(jià)方法，其數(shù)值分別用PPMV和PPPD表示，依據(jù)溫度(T)、相對(duì)濕度( ΦRH)、風(fēng)速(v)、空氣齡(t)等[12-15]指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。舒適區(qū)間為-1≤PPMV≤+1，PPPD≤27%。PMV 用于評(píng)價(jià)室內(nèi)環(huán)境冷熱感，通過(guò)客觀的數(shù)字反映人體所處環(huán)境的冷熱感。一般遵守ASHRAE 7 分制[16]，如表2所示。PPD即預(yù)測(cè)不滿意百分?jǐn)?shù)，一般不超過(guò)10%。

表2 PMV 熱感覺(jué)標(biāo)尺

PMV-PPD熱舒適性評(píng)價(jià)指標(biāo)是綜合考慮人體因素及所在環(huán)境因素后給出的[17]。人體因素包括人體活動(dòng)程度、服裝熱阻等；環(huán)境因素包括室溫、空氣相對(duì)濕度和室內(nèi)空氣流速等。

Fanger 提出的通過(guò)兩者的定量關(guān)系及關(guān)系曲線來(lái)反映人體對(duì)熱環(huán)境的評(píng)價(jià)[18]，兩者定量關(guān)系為

空氣齡[19]是指空氣自進(jìn)入房間開(kāi)始至到達(dá)室內(nèi)某點(diǎn)所歷經(jīng)的時(shí)間。常用以評(píng)價(jià)室內(nèi)空氣品質(zhì)，可用于綜合評(píng)價(jià)房間的通風(fēng)換氣效果。

跟據(jù)ASHRAE Standard 55-2017[20]，PPMV=0時(shí)，人體熱感覺(jué)處于最舒適狀態(tài)，此時(shí)PPPD=5%，表明即使室內(nèi)熱環(huán)境處于最佳的舒適狀態(tài)時(shí)，仍存在5%的人感到不滿意。本文把PPPD≤10%，-0.5≤PPMV≤0.5的人體感覺(jué)定義為舒適狀態(tài)，即表明在-0.5≤PPMV≤+0.5時(shí)，最多允許有10%的人感到不滿意。

3.2 最優(yōu)送風(fēng)角度分析

模擬取人體坐姿狀態(tài)，測(cè)點(diǎn)高度Y分別取h1=0.1 m(人體腳踝處位置)、h2=0.7 m(人體坐姿中心處位置)、h3=1.1 m(人體坐姿頭部位置)、h4=1.7 m(人體站姿頭部位置)、h5=2.4 m(人員活動(dòng)最大高度)，考慮外窗得熱影響及人體彼此間的熱影響選取3個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)平面布置圖如圖3所示。在人體活動(dòng)范圍高度0.1～2.4 m 內(nèi)，取近窗側(cè)觀測(cè)點(diǎn)1(1.2,Y,2)，主要考慮外窗得熱對(duì)室內(nèi)熱濕環(huán)境的影響；觀測(cè)點(diǎn)2(兩人距離中心)(3,Y,2.8)，主要考慮人體間輻射換熱與氣流阻擋的影響；遠(yuǎn)窗側(cè)觀測(cè)點(diǎn)3(4.8,Y,2)，主要用于與近窗側(cè)數(shù)據(jù)做對(duì)比。

圖3 觀測(cè)點(diǎn)平面示意

分別以送風(fēng)角度30°、45°、60°、90°進(jìn)行模擬分析。室內(nèi)熱濕環(huán)境優(yōu)劣以室內(nèi)溫濕度、工作區(qū)風(fēng)速為依據(jù)，以PMV-PPD作為最終評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)模擬得到不同送風(fēng)角度下室內(nèi)3個(gè)觀測(cè)點(diǎn)在不同測(cè)點(diǎn)高度的PMV-PPD數(shù)據(jù)分布差異，如圖4～6所示。

圖4 觀測(cè)點(diǎn)1 PMV-PPD垂直分布

圖5 觀測(cè)點(diǎn)2 PMV-PPD垂直分布

圖6 觀測(cè)點(diǎn)3 PMV-PPD垂直分布

觀測(cè)點(diǎn)1在1～1.5 m 高度內(nèi)。PPD-PMV 趨勢(shì)分布一致，呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢(shì)。0.2≤PPMV≤0.8，5%≤PPPD≤20%，由于受電腦與人體散熱及窗戶得熱影響，局部熱量集中，相對(duì)于0.1～0.7 m、1.7～2.4 m 區(qū)間熱舒適性較差。

觀測(cè)點(diǎn)2在0.5～1.5 m 高度內(nèi)。90°垂直送風(fēng)時(shí)，受桌面擋板作用，起到導(dǎo)流效果，將未經(jīng)充分熱交換的新風(fēng)沿桌子平面送達(dá)觀測(cè)點(diǎn)2位置，造成局部熱舒適性較好。

觀測(cè)點(diǎn)3處于房間標(biāo)準(zhǔn)室內(nèi)，受外窗得熱及電腦散熱直接影響較小，熱舒適性較好，在45°送風(fēng)時(shí)，基本保持PPMV=0，PPPD=5%。

從圖4～6可以看出，在3個(gè)觀測(cè)位置的不同測(cè)點(diǎn)高度，PMV-PPD分布具有協(xié)同一致性，對(duì)比觀測(cè)點(diǎn)1、3可以明顯得出，外窗得熱對(duì)室內(nèi)熱濕環(huán)境有明顯影響，遠(yuǎn)窗側(cè)舒適度優(yōu)于近窗側(cè)，可以通過(guò)適當(dāng)采取遮陽(yáng)措施改善。根據(jù)人體最佳舒適度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)可以看出，送風(fēng)角度優(yōu)劣排序?yàn)?5°＞30°＞60°＞90°。大角度送風(fēng) 時(shí)，氣流直接送入人體工作區(qū)，風(fēng)速未經(jīng)充分衰減，未與室內(nèi)熱空氣進(jìn)行充分熱交換，空間冷熱不均，體表吹風(fēng)感強(qiáng)，熱舒適性較差；小角度送風(fēng)時(shí)，雖能有效降低人體吹風(fēng)感，但制冷范圍集中在房間中上部，射流不易到達(dá)底部空間，與底層空間熱交換不足。整體來(lái)看，遠(yuǎn)窗側(cè)熱舒適性最優(yōu)，最差的為近窗側(cè)，這是由于外圍護(hù)(主要是外窗得熱)傳熱導(dǎo)致局部升溫形成熱壓，阻礙送風(fēng)氣流的到達(dá)，導(dǎo)致近窗側(cè)制冷效果降低。從近窗側(cè)向遠(yuǎn)窗側(cè)方向，整體熱舒適性漸好。

3.3 制冷工況送風(fēng)角度45°熱舒適性分析

以送風(fēng)角度45°為例，圖7為房間中心(XOY平面，Z=2 m)截面處氣流組織分布。受近窗側(cè)熱壓影響，部分送風(fēng)氣流受阻，且受回風(fēng)口影響，易發(fā)生射流短路，未能充分到達(dá)外圍護(hù)處，造成制冷效果降低，空間熱舒適性降低。房間內(nèi)側(cè)送風(fēng)通順，在送至房間內(nèi)壁后下降，部分通過(guò)回風(fēng)排出，一部分沿低層空間流動(dòng)后通過(guò)回風(fēng)口排出，氣流組織與制冷效果較好，舒適性較好。

圖7 Z=2 m 時(shí)氣流組織分布

受氣流組織分布影響，空間溫度、速度分布會(huì)發(fā)生變化進(jìn)而影響人體熱舒適度與空氣品質(zhì)。45°角度送風(fēng)時(shí)，房間進(jìn)深方向(XOY截面，Z=2.8 m)人體截面處速度、溫度、相對(duì)濕度、PMV-PPD、空氣齡分布云圖如圖8、9所示。

圖8 Z=2.8 m 人體截面處溫度、速度、濕度分布云圖

圖9 Z=2.8 m 人體截面PMV-PPD、空氣齡分布云圖

在送風(fēng)角度為45°時(shí)，由圖8的速度、溫度、濕度分布云圖，我們可得到以下數(shù)據(jù)：風(fēng)速0.07 m/s≤v≤0.1 m/s；工作區(qū)溫度23.67℃≤T≤25.38℃；溫差ΔT≤3℃；相對(duì)濕度54.6%≤ ΦRH≤57.1%；5.0≤PPPD≤9.08；-0.14≤PPMV≤0.44。在人體表面與電腦附近受散熱、散濕與熱輻射影響，局部不適，整體滿足公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)GB 50189-2015對(duì)熱舒適性的要求。圖9中，空氣齡分布與氣流組織分布相同，受近窗側(cè)熱壓影響，空氣齡相較于室內(nèi)遠(yuǎn)窗側(cè)數(shù)值偏高，從近窗側(cè)到室內(nèi)遠(yuǎn)窗側(cè)區(qū)域，空氣齡數(shù)值逐漸降低，258.8 s≤t≤300.6 s。

送風(fēng)以45°射流角送出后，風(fēng)速較高，與壁面接觸向下送風(fēng)，并與回流作用形成空間渦旋，速度較低，在到達(dá)人體坐姿頭部高度Y=1.1 m 的過(guò)程中，經(jīng)過(guò)充分速度衰減與熱交換，速度與溫度等參數(shù)均達(dá)到人體適宜標(biāo)準(zhǔn)。受外圍護(hù)傳熱影響，外墻、外窗處溫度較室內(nèi)高，形成局部熱壓，阻礙送風(fēng)氣流的到達(dá)，氣流組織分布較差，熱舒適性較差，沿近窗側(cè)到遠(yuǎn)窗側(cè)，房間進(jìn)深方向，氣流組織分布趨于合理，制冷效果變好，熱舒適性漸好。

4 結(jié)論

本文選取某小型辦公室為例，采用Airpak 軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，針對(duì)房間內(nèi)溫度、風(fēng)速、濕度分布，按照PPD-PMV 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析，在制冷工況下，得出以下結(jié)論：

1)在人員最大活動(dòng)范圍高度0.1～2.4 m 內(nèi)，卡式風(fēng)盤最優(yōu)送風(fēng)角度為45°，當(dāng)采用45°送風(fēng)角度時(shí)，射流經(jīng)過(guò)充分速度衰減與熱交換，室內(nèi)熱舒適性最好，其他依次為30°、60°、90°。

2)受近窗側(cè)熱壓影響，水平方向沿X軸房間進(jìn)深方向熱舒適性漸好；可適當(dāng)采取外窗遮陽(yáng)措施降低對(duì)室內(nèi)熱濕環(huán)境影響。

3)送風(fēng)角度為45°時(shí)，工作區(qū)溫度23.67℃≤T≤25.38℃，ΔT≤3℃；相對(duì)濕度54.6%≤ ΦRH≤57.1%；風(fēng)速0.07 m/s≤v≤0.1 m/s；-0.14≤PPMV≤0.44，滿足公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)GB 50189-2015對(duì)熱舒適性的要求；5.00%≤PPPD≤9.08%；258.8 s≤t≤300.6 s，人體舒適度好，空氣品質(zhì)較高。