張國兵 程海峰 張洋 張舉

1安徽建筑大學環(huán)境與能源工程學院

2建筑能效控制與評估教育部工程研究中心

3智能建筑與建筑節(jié)能安徽省重點實驗室

合理氣流組織使室內空氣溫度、流速、濕度等能更好的滿足工藝要求，符合人們的舒適感覺[1-2]。目前，大空間氣流組織形式有置換型和稀釋型[3]，應用最為廣泛的空調系統(tǒng)為分層空調系統(tǒng)[4]。針對大空間下的室內氣流組織及熱舒適性研究較少。本文提出空氣柱送風方式，其具有布置便利、施工方便、送風直接進入工作區(qū)，無冷量耗散，節(jié)省初投資及運行能耗等優(yōu)點。通過對該送風方式氣流組織模擬及溫度場，速度場，空氣齡，PMV與PDD等熱舒適指標分析，為今后更好地進行大空間內空氣柱送風氣流組織設計提供參考。

1 研究對象描述

本文所模擬的對象為夏季某大空間，房間尺寸為21 m×21 m×4.5 m。該模型房間采用空氣柱送風方式，送風溫度為18 ℃，送風速度為3 m/s，柱高2 m，回風風速為1.5 m/s，回風溫度為26 ℃，送回風相對濕度為60%，風量為11400 m3/h。房間壁面溫度取合肥地區(qū)室外計算干球溫度值為35 ℃，地面溫度設定為28 ℃。

2 數值模型建立及模擬方法

2.1 數學模型的建立

在模型建立過程中，運用Airpak自帶的功能模塊，根據房間實際尺寸建立等比例模型，具體模型如圖1。

圖1 空調房間物理模型

2.2 模擬方法

2.2.1 邊界條件設置

整個模型邊界條件的設置直接影響模擬結果的好壞，具體邊界條件設置如下：

1）模型房間壁面。模型房間壁面溫度選取合肥地區(qū)夏季室外計算干球溫度35 ℃，左右、前后、上壁面溫度設定為35 ℃。下璧面溫度設定為28 ℃。在換熱方面，壁面綜合換熱系數取1.85W/(m2·K)。對于舒適性研究而言，人員服裝熱阻取0.5clo。

2）空氣柱。矩形，空氣柱外有一個1.3 m×1.3 m×0.6 m矩形套筒，回風口位于套筒四周距地面0.15 m處，送風口位于空氣柱四側，距地面1.5 m，壁面可以看成絕熱。具體詳細邊界條件匯總如表1所示。

表1 模擬邊界條件參數

2.2.2 模型選取與簡化

在 Airpak模型選擇面板中，選用湍流Two-equation方程模型。雖然模型按照實際情況建立，但是空調房間內氣體流動較為復雜與模擬存在一定差別。為了縮小模擬與現實之間的差距，需對模型進行簡化和近似，并做以下假設：

1）空調房間空氣為不可壓縮流體，滿足Bossinesq假設。

2）空調房間空氣為穩(wěn)定湍流流動。

3）忽略空調房間通過門縫漏風影響，該房間為密閉狀態(tài)，避免漏風對空調房間內空氣流動造成影響。

4）忽略流體粘性力的存在，流體做定常流動。

2.2.3 網格劃分

本次模擬根據實際情況選取的是六面體非機構網格劃分，對21 m×21 m×4.5 m的空調房間在X、Y、Z三個方向上的網格最大尺寸分別為0.2、0.2、0.3。此外，為了提高網格劃分精度，對送回風口分別進行局部5×5、12×4加密，其余保持默認。該房間最終生成337866個網格，358610個節(jié)點。網格劃分圖示如圖2：

圖2 房間網格分布

從圖3中，可以從本次模擬所生成的網格的表面對其率與單元縱橫比兩個指標來看，兩個指標都無限接近1，網格劃分質量較好。

圖3 網格表面對其率與網格單元縱橫比值分布圖

3 區(qū)域最佳送風參數與舒適性研究

3.1 夏季工況舒適區(qū)最佳送風參數

為了確定一定區(qū)域是否為舒適區(qū)，可以用空氣分布特性指標（ADPI）來判斷?？諝夥植继匦灾笜俗钤缡怯蒒evins與Ward提出[5]，是指區(qū)域內滿足規(guī)定風速與溫度要求的測點數與總點數的比值。如果從舒適性角度來考慮，當區(qū)域內相對濕度在30%～70%內變化時，人體舒適性波動很小[6]。此時可以忽略濕度對舒適度的影響，主要考慮環(huán)境空氣溫度和空氣流速對人體的影響[5]。根據大量實驗結果分析得出有效溫差的關系式如下：

式中：EDT(θ)為有效溫度差，℃；Tj為工作區(qū)內某點的空氣溫度值，℃；Tn為室內平均溫度值，℃；Vj為工作區(qū)內某點的速度值，m/s。

當-1.7＜EDT(θ)＜1.1，區(qū)域內Vj≤0.35 m/s[7]，可以認為人員在該區(qū)域內會感覺到舒適。此時ADPI表達式如下：

式中：N0為-1.7＜EDT(θ)＜1.1的點數；N為總點數。

當區(qū)域內的ADPI≥80%時，則可以認為該區(qū)域為舒適區(qū)。

對于空氣柱送風方式下，為了使人員所在區(qū)域為舒適區(qū)域，該區(qū)域劃定為空調房間四側距墻0.5 m，高度在0.1～1.8 m的區(qū)域。為了滿足該區(qū)域為舒適區(qū)域，根據《民用建筑供暖通風與空氣調節(jié)設計規(guī)范》GB50736-2012要求[8]，夏季舒適性空調室內設計參數，溫度在24～28 ℃之間，選取送風溫差為8 ℃，即16 ℃、18 ℃、20 ℃，送風速度取2 m/s、3 m/s、4 m/s，柱高取2 m、2.2 m、2.5 m，將送風溫度、流速、柱高組合，得出27種工況，去除不滿足要求的工況，從而確定滿足舒適區(qū)的送風參數，具體模擬工況如表2。

表2 滿足要求模擬工況

對模型房間測點進行布置，水平方向上，距四側墻面0.5 m處，相鄰每個測點間距2 m。垂直方向上，在每個水平測點處0.1 m、0.7 m、1.1 m、1.8 m高度處布置測點，去除空氣柱正中央且不同高度的4測點，總測點數為480個，具體測點布置如圖4。

圖4 區(qū)域測點布置圖

針對表2中6組滿足要求的工況，運用Airpak自帶的point功能，讀取每個工況下每個測點的溫度、流速值，計算每個測點有效溫差，確定區(qū)域內滿足要求的測點數，計算該區(qū)域內ADPI值，判定該區(qū)域是否為舒適區(qū)，具體數據如表3。

表3 對應工況數據表

從表2、3可以看出，以上6種工況下區(qū)域內ADPI值都大于80%，滿足一定區(qū)域為舒適區(qū)的要求。工況2區(qū)域內ADPI值最小，為81%，工況4區(qū)域內ADPI值最大，為84%，是最令人滿意的工況。結合表2、3可以看出，在空氣柱送風方式下，滿足一定區(qū)域為舒適區(qū)的送風參數區(qū)間可?。核惋L溫度為18 ℃、20 ℃時，風速為3 m/s，空氣柱高度為2～2.5 m。在以上送風參數下，可滿足單柱舒適區(qū)大小為21 m×21 m×1.7 m。

3.2 模擬結果與云圖分析

在對整個模型進行計算之后，先從粒子運動軌跡，再選取人員靜坐高度Z=1.1 m截面，對溫度場，速度場，空氣齡，PMV與PDD進行分析，從而判定該送風方式下室內是否舒適。

1）空氣粒子運動軌跡從圖5可以看出，經過處理的空氣從四側送風口送出，在初速度作用下，沿著水平方向送出，由于射流的衰減特性，最終送風吹向地面。四面墻體阻礙了空氣流動，吹向地面的風在房間內形成了渦流，渦流中的一部分空氣從回風口流出，室內具有良好的空氣流動。

圖5 空氣粒子運動軌跡圖

2）溫度場分析

從圖6可以看出，當送風溫度為18 ℃時，空氣射流到Z=1.1 m截面與室內空氣混合，整個截面平均溫度為24.9 ℃，滿足人員在室內舒適性要求。該截面顏色分布呈現對稱特性，四側呈現較為深的藍色區(qū)域，溫度在24 ℃左右，這是由于送風在初速度以及冷空氣下沉作用下，出風吹向地面過程還未與室內空氣完全充分混合，故出現四側溫度相對較低的深藍區(qū)域。

圖6 Z=1.1 m截面溫度場分布圖

圖7 Z=1.1 m截面速度矢量圖

3）速度場分析

從圖7可以看出，當送風速度為3 m/s時，整個截面速度分層明顯，顏色越深代表流速越大，截面四處深黃色區(qū)域，是整個截面流速最高區(qū)域，為1 m/s左右，原因在于這四處在送風射流的路徑上，故送風速度最大。從圖8可以看出，整個截面有4個明顯的渦流區(qū)域，故也是整個截面流速最小的區(qū)域，為0.05 m/s，整個截面平均流速為0.23 m/s。

圖8 Z=1.1 m截面速度云圖

4）空氣齡分析

從圖9可以看出，整個截面空氣齡分布呈現明顯的對稱現象，結合圖8分析，四個流速最大深黃色區(qū)域，也是空氣齡最小的區(qū)域，約為358 s。結合圖7、9分析，四個渦流區(qū)域流速最小，也是空氣齡最大區(qū)域，從里往外逐漸減小，從698.8 s減小到666.9 s。截面平均空氣齡為627 s。

圖9 空氣齡分布云圖

5）PMV與PDD分析

從圖10～11可以看出，PMV與PDD分布相近，PMV越小的區(qū)域，正是PDD大的區(qū)域。整個截面平均PMV值為-0.34，平均PDD值為8.67%，都滿足規(guī)范對舒適區(qū)的要求，整個截面較為舒適，無明顯冷感。

圖10 Z=1.1 m截面PMV分布圖

圖11 Z=1.1 m截面PDD分布圖

綜上，空氣柱送風方式是適用于大空間一種新的送風方式，滿足室內舒適度要求，通過對粒子運動軌跡、溫度場、速度場、空氣齡的分析，發(fā)現在該送風工況下，整個Z=1.1 m截面溫度分布均勻，截面平均溫度為24.9 ℃，截面平均風速為0.23 m/s，人員在其中無強烈出風感，區(qū)域內存在渦流，不存在氣流死角，截面平均空氣齡為627 s，滿足要求。通過對PMV與PDD指標分析，整個截面平均PMV值為-0.34，平均PDD值為8.67%，滿足民用建筑空調設計要求[9]，即熱舒適為I級：-0.5≤PMV≤0.5，PDD≤10%。

3.3 冬季（上送下回）舒適性研究

改變模型邊界條件，璧面溫度為12 ℃，選取送風溫度為26 ℃、28 ℃、30 ℃，送風速度、柱高與夏季工況相同，研究方法與夏季工況相同。將以上不同參數組合，共有27組工況，列出具有代表性的9組工況如下，并模擬得到Z=1.1 m截面平均PMV與PDD值匯總如表4。

表4 模擬工況及數據表

從表4可以看出，以上9組工況截面平均PMV值均小于0，平均PDD值在10%左右。選取工況2、5、8，分別計算區(qū)域ADPI值，發(fā)現其值均大于90%。

4 冬季（下送上回）工況校核

選取了表4中工況9進行模擬，分析Z=1.1 m截面平均PMV與PDD值，判定該種送風方式舒適性的情況。

從圖12～13可以看出，冬季該送風工況下，整個截面平均PMV為0.06、平均PDD為5.2%，區(qū)域內ADPI值為60%。滿足《民用建筑供暖通風與空氣調節(jié)設計規(guī)范》GB50736-2012要求[10]，則說明該送風方式能滿足冬季室內熱舒適性要求。

圖12 Z=1.1 m截面PMV分布圖

圖13 Z=1.1 m截面PDD分布圖

5 結論

1）制冷工況下，送風溫度為18 ℃、20 ℃，風速為3 m/s、空氣柱高度為2～2.5 m時，單柱舒適區(qū)大小為21 m×21 m×1.7 m，區(qū)域ADPI值均大于80%，平均PMV值為-0.34，平均PDD值為8.67%。

2）制熱工況下（上送下回），送風溫度為26 ℃、28 ℃、30 ℃，風速為2～4 m/s、空氣柱高度為2～2.5 m時，區(qū)域ADPI值均大于90%，平均PMV值為-0.47，平均PDD為10.2%。

3）單柱區(qū)域內制冷工況熱舒適性優(yōu)于制熱工況舒適性。

4）冬季熱工況（下送上回），區(qū)域ADPI值為60%，平均PMV為0.06、平均PDD為5.2%。驗證冬季熱工況熱舒適性優(yōu)于制熱工況。