馮璇 呂俊蒙 程勇 薛首志 陳金華

重慶大學(xué)土木工程學(xué)院

0 引言

氣流組織對室內(nèi)舒適環(huán)境的營造起至關(guān)重要的作用。層式通風(fēng)作為一種將空氣直接送至工作區(qū)的送風(fēng)方式[1]，在夏季供冷工況下，可提供較好的熱舒適[2-4]，并降低空調(diào)系統(tǒng)能耗[5]，因而受到廣泛關(guān)注。

如今，層式通風(fēng)供冷的理論已較為成熟，但冬季供暖研究仍需要補充。相較于混合通風(fēng)，層式通風(fēng)供暖具有節(jié)能，舒適性好[6]的特點。但由于冬季供暖氣流組織與夏季不同，兩種工況下對室內(nèi)環(huán)境的調(diào)控方案不同。

本文采用經(jīng)實驗驗證的CFD 數(shù)值模擬模型，以PMV，空氣齡，吹風(fēng)感及垂直溫差為優(yōu)化目標(biāo)，分析送風(fēng)參數(shù)以及室外環(huán)境對層式通風(fēng)供暖房間舒適性的影響，同時驗證基于正交設(shè)計得到送風(fēng)參數(shù)優(yōu)化方案的方法可為層式通風(fēng)工程設(shè)計提供依據(jù)。

1 實驗測量

研究對象為重慶大學(xué)的實驗艙，模擬環(huán)境為雙人辦公室，平面布置圖如圖1 所示。房間尺寸為5.06 m（X）×5.85 m（Y）×2.55 m（Z）。房間左墻為外墻，右墻及前后墻均為內(nèi)墻。外墻安裝有一扇尺寸為2.58 m（Y）×1.5 m（Z）的外窗。三個雙層百葉送風(fēng)口安裝在前墻1.3 m 高處，三個回風(fēng)口對應(yīng)安裝在送風(fēng)口正下方距地0.4 m 高處。6 個風(fēng)口尺寸均為180 mm×180 mm。天花板上安裝有3 支熒光燈，單支燈管發(fā)熱量為23 W。房間內(nèi)部熱源為三支熒光燈以及兩個模擬靜坐人體的假人，其尺寸為0.25 m（X）×0.40 m（Y）×1.20 m（Z）。每個假人內(nèi)部裝有100 W 的燈泡，用于模擬人體散熱。幾何模型如圖2。

圖1 實驗艙平面布置圖

圖2 雙人辦公室?guī)缀文Ｐ褪疽鈭D

設(shè)置實驗艙工況條件為：送風(fēng)口送風(fēng)角度為水平向下偏轉(zhuǎn)約30°，送風(fēng)速度為1.5 m/s，送風(fēng)溫度為26 ℃。實驗艙共布置10 條測線，每條測線上距地面0.1 m、0.6 m、1.1 m、1.7 m、2.1 m、2.4 m 高度處布置測點。將SWEMA 03+萬向微風(fēng)速儀按照測點高度相應(yīng)布置在測桿上。按照每條測線測量12 分鐘、間隔10 分鐘逐一完成10 條測線所有測點的溫度以及速度測量。同時，實驗中通過熱電偶溫度自記儀WZY-1 完成實驗艙三個送風(fēng)口溫度，三個回風(fēng)口溫度以及四個壁面溫度的測量。為了避免移動測量儀器導(dǎo)致室內(nèi)流場發(fā)生擾動而對數(shù)據(jù)造成影響，各個測點的風(fēng)速與溫度均在SWEMA 系統(tǒng)配套軟件顯示流場穩(wěn)定后進行測量。

對于SWEMA 03+萬向微風(fēng)速儀，其風(fēng)速測量范圍為：0.05～10.00 m/s，測量精度為±0.03 m/s±3%（讀數(shù)值），最小誤差為±0.03 m/s?？諝鉁囟葴y量范圍為10～40 ℃，精度為±0.2 ℃。對于熱電偶溫度自記儀WZY-1，其測溫范圍為-20～80 ℃，精度為±0.3 ℃。

2 數(shù)值模擬

2.1 CFD 模型

為了簡化計算，忽略對室內(nèi)流場影響較小的次要因素，對層式通風(fēng)空調(diào)室內(nèi)做以下假設(shè)：1）室內(nèi)空氣流動為不可壓縮的湍流流動，且滿足Boussinesq 假設(shè)。2）房間外墻為常壁溫。3）認(rèn)為房間始終保持微正壓，不考慮冷風(fēng)滲透。采用Discrete Ordinates（DO）輻射模型計算不同表面之間熱量傳遞。采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε 兩方程湍流模型預(yù)測層式通風(fēng)供暖室內(nèi)空氣運動[7]。

使用Airpak3.0.16 建立幾何模型。區(qū)域內(nèi)網(wǎng)格劃分采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。對熱源區(qū)域，如送風(fēng)口、人體、燈具、外壁面等處的網(wǎng)格進行局部網(wǎng)格加密處理，以使計算結(jié)果更加準(zhǔn)確。對網(wǎng)格量為1338804、2696760、3799892 的三種模型進行網(wǎng)格獨立性檢驗，最終選擇計算網(wǎng)格數(shù)為2696760。

使用商業(yè)軟件Fluent9.2 進行模擬計算。采用SIMPLE-C 算法耦合壓力速度。標(biāo)準(zhǔn)壓力項、動量項、湍流能項、湍流耗散率項均為二階格式。能量收斂殘差設(shè)置為1×10-6，其余參數(shù)收斂殘差均為1×10-4。

2.2 初始條件與邊界條件

本文初始條件與邊界條件設(shè)置詳見表1。

表1 初始條件與邊界條件

2.3 工況設(shè)計

本文采用正交設(shè)計方法設(shè)計實驗方案。設(shè)置了4種不同的影響因素：送風(fēng)角度A、送風(fēng)溫度B、送風(fēng)速度C、壁面溫度D。為保證應(yīng)對冬季供暖房間負荷變化，工況設(shè)計需覆蓋常見冬季送風(fēng)工況，因此設(shè)置各因素4 個不同水平數(shù)如表2 所示。根據(jù)4 因素4 水平的設(shè)計，選取正交表L 16(44)，共計16 種模擬工況。完整的正交設(shè)計表如表3 所示。

表2 各因素水平數(shù)示意表

表3 正交設(shè)計表

2.4 評價指標(biāo)

本文選取PMV、空氣齡、吹風(fēng)感、垂直溫差作為判斷室內(nèi)舒適性的標(biāo)準(zhǔn)。

PMV（預(yù)測平均熱感覺投票）：表示人體熱感覺的評價指標(biāo)[8]。由于本文研究中室內(nèi)人員多為坐姿，因此本文將1.1 m 高處，即坐姿頭部位置的PMV 用于熱舒適評估。在計算PMV 時，采用了典型的冬季服裝水平（即1.0 clo）和辦公室內(nèi)近乎久坐的活動水平（即1.1 met），相對濕度設(shè)定為40%[9]。PMV 的詳細計算可參考ASHRAE-55[9]。

空氣齡越小，代表該處的空氣越新鮮。計算空氣齡時，仍以離地面1.1 m 的高度，人員坐姿呼吸區(qū)位置為準(zhǔn)。吹風(fēng)感小于20%，被認(rèn)為是可接受的[4]，否則吹風(fēng)感導(dǎo)致的局部不舒適會帶給人體嚴(yán)重的熱不舒適性。本文吹風(fēng)感采用ASHRAE-55[9]的計算方法，仍將1.1 m 高處、人員坐姿頭部的吹風(fēng)感用于熱舒適評估。對于垂直溫差，由于頭部與踝部對溫度較為敏感，當(dāng)頭部與踝部的溫差超過3 ℃會造成人體不舒適。本文的垂直溫差選擇距離地板以上1.1 m 與0.1 m，即坐姿頭部與踝部的空氣溫差為熱舒適評估標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)果與分析

3.1 模型驗證

在與實驗相同的條件下，通過CFD 模擬計算得到各個測點的空氣溫度與風(fēng)速。將其與測量值及其標(biāo)準(zhǔn)偏差進行綜合比較。比較結(jié)果（以測線9 為代表）如圖3 和4 所示，預(yù)測結(jié)果與測量值的變化規(guī)律基本一致，說明該模擬方法能較好地模擬層式通風(fēng)供暖工況下室內(nèi)氣流的速度場與溫度場。

圖3 實驗與模擬溫度驗證

圖4 實驗與模擬速度驗證

3.2 送風(fēng)參數(shù)與壁面溫度對舒適性的影響

在不同送風(fēng)參數(shù)的組合工況下，室內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)分布不同，進而導(dǎo)致了室內(nèi)PMV、空氣齡、吹風(fēng)感、垂直溫差指數(shù)存在差異。依據(jù)正交表，對16 種工況進行模擬，模擬結(jié)果如表4 所示。

表4 模擬工況舒適性指標(biāo)結(jié)果表

利用極差分析法[10]對試驗結(jié)果進行分析，見表5。表中用R 表示極差，代表任一列因素各水平的試驗指標(biāo)最大值與最小值之差。kij表示第i 列“j”水平所對應(yīng)的試驗指標(biāo)的平均值。根據(jù)kij的大小可以判斷因素的優(yōu)水平，優(yōu)水平的確定與試驗指標(biāo)有關(guān)，對于PMV、空氣齡、吹風(fēng)感、垂直溫差這4 項指標(biāo)，均為其絕對值越小越好，因此應(yīng)選擇指標(biāo)小所對應(yīng)水平作為優(yōu)水平。

表5 正交設(shè)計極差分析結(jié)果表

從表5 中比較四種因素的極差R 值大小可以看出各送風(fēng)參數(shù)與壁面溫度對舒適性的影響，R 值越大，代表各因素對結(jié)果的影響越大。

依據(jù)表5 直觀分析，以PMV 為評價指標(biāo)時，影響因素由大到小排列為：送風(fēng)溫度（0.5193）＞送風(fēng)角度（0.4867）＞壁面溫度（0.372）＞送風(fēng)速度（0.1407）。優(yōu)水平組合為A2B3C3D1，即送風(fēng)角度取20°，送風(fēng)溫度取27 ℃，送風(fēng)速度取1.2 m/s，此時壁面溫度為10 ℃。

以空氣齡為評價指標(biāo)時，影響因素由大到小排列為：送風(fēng)角度（620.469）＞送風(fēng)速度（579.1227）＞送風(fēng)溫度（111.7815）＞壁面溫度（57.1447）。優(yōu)水平組合為A1B1C4D1，即送風(fēng)角度取0°，送風(fēng)溫度取23 ℃，送風(fēng)速度取1.8 m/s，此時的壁面溫度為10 ℃。

以吹風(fēng)感為評價指標(biāo)時，影響因素由大到小排列為：送風(fēng)速度（4.2217）＞送風(fēng)溫度（2.0503）＞壁面溫度（1.9297）＞送風(fēng)角度（1.3235）。優(yōu)水平組合為A3B4C1D4，即送風(fēng)角度取40°，送風(fēng)溫度取29 ℃，送風(fēng)速度取0.9 m/s，此時的壁面溫度為16 ℃。

以垂直溫差為評價指標(biāo)時，影響因素由大到小排列為：壁面溫度（0.8105）＞送風(fēng)速度（0.8105）＞送風(fēng)角度（0.787）＞送風(fēng)溫度（0.6838）。優(yōu)水平組合為A4B1C4D4，即送風(fēng)角度取60°，送風(fēng)溫度取23 ℃，送風(fēng)速度取1.8 m/s，此時的壁面溫度為16 ℃。

3.3 送風(fēng)參數(shù)優(yōu)化

值得注意的是，壁面溫度表征室外氣象，無法進行人為調(diào)節(jié)。因此在優(yōu)化時，將壁面溫度固定為某值，通過調(diào)節(jié)送風(fēng)參數(shù)對送風(fēng)方案進行優(yōu)化。綜合考慮到壁面溫度對各舒適性指標(biāo)的影響程度不同，且各舒適性指標(biāo)最佳時壁面溫度不同，優(yōu)化工況設(shè)置壁面溫度為14 ℃。

對于多指標(biāo)評價正交試驗分析，在確定優(yōu)化方案時，可采用綜合平衡法[11]，即先對每個指標(biāo)分別進行單指標(biāo)的直觀分析，再對各指標(biāo)的分析結(jié)果進行綜合比較和分析，從而得出較優(yōu)方案。

對本文模型進行分析，擬確定優(yōu)化工況為A2B3C1或A2B3C4。在模擬中發(fā)現(xiàn)送風(fēng)速度(C)對空氣齡、吹風(fēng)感影響較大,就空氣齡而言，C 因素的1 水平和4 水平，吹風(fēng)感均已達到舒適性要求，因此選擇可使空氣齡較佳的4 水平。最終選擇的優(yōu)化工況為A2B3C4，即送風(fēng)角度20°、送風(fēng)溫度27 ℃、送風(fēng)速度1.8 m/s、壁面溫度為14 ℃。

以此條件下對模型進行模擬驗證，結(jié)果見圖5。

圖5 優(yōu)化方案模擬結(jié)果

通過模擬結(jié)果，得到該優(yōu)化工況的PMV 為0.15、空氣齡為385s、吹風(fēng)感為6.7%、垂直溫差為1.2 ℃。該優(yōu)化工況的PMV 處于-0.2～0.2、吹風(fēng)感<10%、垂直溫差<2 ℃，均達到了ISO 7730 A 級舒適性等級[12]。經(jīng)過參數(shù)優(yōu)化后，將模擬結(jié)果與優(yōu)化前進行對比，優(yōu)化工況的空氣齡最小。從而驗證了正交設(shè)計方法，通過綜合平衡法確定優(yōu)化方案的可靠性，證實通過正交設(shè)計確定優(yōu)化工況的方法是可行的。

4 結(jié)論

本文針對一個層式通風(fēng)供暖小型辦公房間，采用正交設(shè)計的方法分析了不同因素對室內(nèi)舒適性的影響，得出如下結(jié)論：

1）對PMV 影響最大的送風(fēng)參數(shù)為送風(fēng)溫度，對空氣齡影響最大的送風(fēng)參數(shù)為送風(fēng)角度，對吹風(fēng)感影響最大的送風(fēng)參數(shù)為送風(fēng)速度，對垂直溫差影響最大的送風(fēng)參數(shù)為壁面溫度。

2）當(dāng)壁面溫度為14 ℃，優(yōu)化方案為送風(fēng)角度20°、送風(fēng)溫度27 ℃、送風(fēng)速度1.8 m/s。通過Fluent 模擬驗證后，發(fā)現(xiàn)通過綜合平衡法得到的優(yōu)化工況，各項舒適性指標(biāo)達到ISO 7730 A 級舒適性要求。