王 威 葉茂林 姜建中 呂 芳

（軍事科學(xué)院國防工程研究院 北京 100850）

0 引言

該地下工程地處廣州市，位于山體內(nèi)部深度300m，歷年中土壤表面年平均溫度的平均值為24.6℃；工程設(shè)集中辦公大廳，長40m，寬26m，起拱高度7m，大廳的凈面積為1040m2；辦公人數(shù)400 人，各工位配1 臺電腦，大廳另設(shè)1 臺120m2的LED 顯示屏。

該工程的集中辦公大廳屬于高大空間，其設(shè)計通風量大，人員和發(fā)熱設(shè)備多，熱濕環(huán)境復(fù)雜，因此工程內(nèi)的氣流組織形式顯得尤為重要[1,2]。由于工程處于地下深處，其熱濕負荷與地面建筑有著明顯不同[3]，一方面，地下工程外圍是深厚的巖土且工程不受太陽輻射的直接影響，所以地下工程的溫度較為恒定[4,5]。此外，坑道壁面向室內(nèi)有恒定強度的散濕，使得空氣的相對濕度大成為地下工程的一個突出特點，在沒有采取通風和空調(diào)等措施的地下工程中，相對濕度可達到75%甚至接近飽和[6,7]。對地下工程室內(nèi)熱濕環(huán)境的研究有助于改善其內(nèi)部環(huán)境狀況，提高工程內(nèi)的人員舒適度，保障地下工程的正常運轉(zhuǎn)。

1 負荷計算

1.1 室內(nèi)外計算參數(shù)

該地下工程的集中辦公大廳室內(nèi)外計算參數(shù)如表1和表2所示。

表1 室內(nèi)設(shè)計參數(shù)Table 1 Parameters of the indoor design calculation for comfort air conditioning

表2 室外計算參數(shù)Table 2 The outdoor design conditions

1.2 負荷計算方法

該地下工程的空調(diào)系統(tǒng)負荷由以下幾部分組成：（1）使用期坑道工程內(nèi)部傳熱量和散濕量造成的圍護結(jié)構(gòu)負荷；（2）人員產(chǎn)熱產(chǎn)濕；（3）燈具、設(shè)備等熱源散熱；（4）新風負荷。

其中，使用期坑道工程內(nèi)部傳熱量與巖石初始溫度、坑道內(nèi)的設(shè)計空氣溫度、被覆表面幾何特征、被覆內(nèi)表面換熱系數(shù)、巖石的熱物理性質(zhì)等參數(shù)相關(guān)，由以下公式計算確定：

式中，Q表示使用期的傳熱量，W；F表示傳熱面積；tn表示坑道內(nèi)的設(shè)計空氣溫度，℃；t0表示巖石的初始溫度，℃；αn表示被覆內(nèi)表面的換熱系數(shù)，W/m2·℃；Fo*為使用期傅利葉準則，Bi為比歐準則，二者均可由相應(yīng)公式計算確定。

人員、燈具、設(shè)備等散熱形成的顯熱負荷，可依據(jù)不同時刻空間內(nèi)各熱源的散熱量與對應(yīng)的冷負荷系數(shù)計算確定。新風負荷根據(jù)房間需求新風量和室內(nèi)外氣象參數(shù)共同決定。

由于工程處于地下深處，存在坑道壁面向室內(nèi)恒定強度的散濕，取被覆表面散濕量為0.5g/m2·h，人體散濕量取30～40g/p·h。

2 室內(nèi)熱濕環(huán)境模擬研究

2.1 模型搭建與檢驗

利用Airpak 軟件對大廳進行模型搭建，并對其室內(nèi)熱濕環(huán)境模擬研究[8-10]?？紤]到房間的對稱性，在Airpak 中按對稱性搭建二分之一模型（20m×13m），地下深度土壤全年溫度變化較小，將外墻為恒溫度表面，向室內(nèi)以恒定速率散濕，內(nèi)墻設(shè)置為絕熱表面；照明設(shè)計為頂部條形燈帶的形式；人員和設(shè)備均設(shè)置為恒定產(chǎn)熱產(chǎn)濕量的立方體；由于軟件的局限性，無法搭建圓弧性墻壁，因此模擬采用多段線逼近實際情況，且軟件無法設(shè)置恒定散發(fā)量的面濕源，因此外墻對室內(nèi)的散濕，由貼合墻壁的薄立方體完成，設(shè)置該立方體對室內(nèi)有一定強度的散濕。

大廳模擬兩種送風方式，分別為散流器送風和噴口送風，分別見圖1和圖2。其中，散流器形式：在高度7m 處設(shè)置吊頂，送風口共30 個，尺寸為0.4m*0.4m，為6 排*5 列分布，風口中心x 軸坐標分別為3.5m，6.5m，9.5m，15.5m，18.5m，21.5m，z 軸坐標分別為2.0m，6.0m，10.0m，14.0m，18.0m，y 軸坐標為6.8m；回風口共9 個，尺寸為0.6*0.6m，為3 排*3 列分布，風口中心x 軸坐標分別為1.1m，12.5m，24.5m，z 軸坐標分別為2.8m，9.1m，15.4m，y 軸坐標為6.8m。噴口形式：大廳不設(shè)置吊頂，但仍以7m 以下空間作為室內(nèi)環(huán)境場的控制區(qū)域，送風口共16 個，風口中心x 軸坐標分別為1.4m，2.9m，4.4m，5.9m，7.4m，8.9m，10.4m，11.9m，13.4m，14.9m，16.4m，17.9m，19.4m，20.9m，22.4m，23.9m，y 軸坐標為7m，z 軸坐標為20m，風口尺寸為直徑0.16m 的圓形噴口；回風口共4 個，風口中心x 軸坐標分別為3.5m，9.5m，15.5m，21.5m，y 軸坐標為0.5m，z 軸坐標為20m，風口尺寸為0.8m*0.4m。

圖1 散流器送風模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of diffuser air supply model

圖2 噴口送風模型示意圖Fig.2 Schematic diagram of nozzle air supply model

湍流模型選取k-ε兩方程模型[11-13]，收斂條件為殘差小于設(shè)置值且各監(jiān)測點參數(shù)穩(wěn)定，風口處的湍流邊界k-e模型：

模型條件設(shè)置：

壁面邊界條件：壁面函數(shù)采用標準壁面函數(shù)，壁面處的k和e的邊界條件：

迭代求解方法采用SIMPLE 算法，將用速度的改進值寫出的動量方程減去用速度的現(xiàn)時值寫出的動量方程，略去源相及對流-擴散項得ue=de(p′p-p′E),ve=dn(p′p-p′N)，代入質(zhì)量守恒方程的離散形式，解出P′后用于改進壓力及速度，求解其它變量的離散方程，將修正過的壓力P處理成新的估計壓力進行迭代直至收斂。對P′亞松弛，不對差分格式及代數(shù)方程求解方法作出規(guī)定。

各送風工況的基礎(chǔ)參數(shù)設(shè)置如表3所示。

表3 基礎(chǔ)參數(shù)設(shè)置Table 3 Basic parameter setting

續(xù)表3 基礎(chǔ)參數(shù)設(shè)置

模型進行網(wǎng)格劃分時，選取了480 萬、350 萬、270 萬三種不同密度的網(wǎng)格進行計算，網(wǎng)格參數(shù)設(shè)置如表4所示。分別比較各個密度網(wǎng)格各監(jiān)測點處的溫度、速度以及空氣齡，考察網(wǎng)格密度對各項參數(shù)的影響，模擬結(jié)果如圖3所示，可以看到，Grid 2 與Grid 1 結(jié)果接近，Grid 3 的模擬結(jié)果與密度較大的兩種網(wǎng)格具有一定偏差，因此選取Grid 2 作為最終計算網(wǎng)格。

表4 網(wǎng)格參數(shù)設(shè)置Table 4 Mesh parameter setting

圖3 網(wǎng)格無關(guān)性檢驗結(jié)果Fig.3 Grid independence test results

2.2 室內(nèi)熱濕環(huán)境模擬

設(shè)計了兩類對比工況進行分析，一是根據(jù)計算室內(nèi)負荷，得到不同風量下的送風溫濕度設(shè)計狀態(tài)點，近似保證送入房間的總冷量相同；二是根據(jù)散流器和噴口兩種送風形式進行對比分析，最終可組成4 個case 進行對比分析，工況如表5所示。對于每種送風形式，模擬了送風量為39700m3/h 和51000m3/h 的兩種工況，對應(yīng)吊頂以下空間的換氣次數(shù)分別為11 次/h 和14 次/h，并按照室內(nèi)負荷計算得到相應(yīng)的送風溫度和送風含濕量，而后對每個工況的室內(nèi)溫濕度場合氣流組織形式分別進行討論分析。

表5 工況設(shè)置Table 5 Working condition setting

2.2.1 散流器送風

以下是采用散流器上送上回送風形式下，送風溫度16℃，換氣次數(shù)為11ACH 的室內(nèi)環(huán)境場模擬結(jié)果。分別選取Y=1m 和Z=10m 截面的室內(nèi)環(huán)境狀況為對象對該形式進行研究，截面在模擬房間中的相對位置如圖4所示。

圖4 Y=1m 和Z=10m 截面相對位置Fig.4 Relative position of Y=1m and Z=10m sections

大廳的室內(nèi)溫度場如圖5所示。其中，Y 截面為接近人員工作水平面附近的水平截面，能夠反應(yīng)人員工作區(qū)域的室內(nèi)環(huán)境狀況，Z 截面為通過室內(nèi)圓拱形頂點處的垂直截面，能夠較好反應(yīng)室內(nèi)垂直環(huán)境狀況。

圖5 散流器16℃，11ACH 送風溫度場分布Fig.5 Distribution of air supply temperature field of diffuser 16 ℃,11ACH

室內(nèi)整體溫度控制在設(shè)計范圍內(nèi)，且較為均勻穩(wěn)定，整體環(huán)境保障良好。人員工作區(qū)設(shè)備的發(fā)熱量被送風有效帶走，人員區(qū)域室內(nèi)溫度保持在合理范圍。顯示大屏的發(fā)熱量被有效排除，前方工作區(qū)空間無人員和設(shè)備發(fā)熱，故室內(nèi)溫度略低于人員設(shè)備區(qū)域，但仍有效控制在設(shè)計范圍內(nèi)。采用散流器送風形式下室內(nèi)送風速度場分布如圖6所示。對散流器形式下送風速度場進一步分析可以看到，室內(nèi)整體風速小于0.2m/s，無人員吹風感，風速保障良好?？拷鼔γ娴牟糠謪^(qū)域風速略高于工作區(qū)中間區(qū)域。

圖6 散流器16℃，11ACH 送風速度場分布Fig.6 Distribution of air supply velocity field of diffuser at 16 ℃,11ACH

以下是采用散流器上送上回送風形式下，送風溫度18℃，換氣次數(shù)為14ACH 的室內(nèi)環(huán)境場模擬結(jié)果。大廳的室內(nèi)溫度場如圖7所示。室內(nèi)整體溫度均控制在設(shè)計范圍內(nèi)，整體環(huán)境保障良好。對比16℃送風的形式，由于送風溫度提高，室內(nèi)溫度保障更加均勻穩(wěn)定，設(shè)備和顯示大屏的發(fā)熱量被快速排出，工作區(qū)溫度得到良好控制。得到的室內(nèi)送風速度場分布如圖8所示。

圖7 散流器18℃，14ACH 送風溫度場分布Fig.7 Distribution of air supply temperature field of diffuser at 18 ℃,14ACH

圖8 散流器18℃，14ACH 送風速度場分布Fig.8 Distribution of air supply velocity field of diffuser at 18 ℃,14ACH

對散流器形式下送風速度場進一步分析可以看到，室內(nèi)整體風速小于0.2m/s，無人員吹風感，風速保障良好。但由于送風量增大，靠近墻面一部分區(qū)域達到0.3-0.4m/s，略有吹風感。

2.2.2 噴口送風

以下是采用噴口送風形式下，送風溫度16℃，換氣次數(shù)為11ACH 的室內(nèi)環(huán)境場模擬結(jié)果。采用噴口送風形式下大廳的室內(nèi)溫度場如圖9所示。類似的，分別選取Y=1m 的工作區(qū)水平截面和Z=10m的垂直截面的室內(nèi)環(huán)境狀況為對象研究。室內(nèi)整體溫度保持在24～26℃之間，控制在設(shè)計范圍內(nèi)，且較為均勻穩(wěn)定，電腦設(shè)備和顯示大屏的熱量被有效排除，整體環(huán)境保障良好。顯示大屏前方區(qū)域內(nèi)的溫度略微低于工作區(qū)域。

圖9 噴口16℃，11ACH 送風溫度場分布Fig.9 Distribution of air supply temperature field at nozzle 16 ℃,11ACH

采用噴口送風形式下室內(nèi)送風速度場分布如圖10所示。室內(nèi)整體風速小于0.2m/s，無人員吹風感，風速保障良好。中間部分區(qū)域風速約0.3-0.4m/s，靠近回風附近風速較大。

圖10 噴口16℃，11ACH 送風速度場分布Fig.10 Distribution of air supply velocity field at nozzle 16 ℃,11ACH

以下是采用噴口送風形式下，送風溫度18℃，換氣次數(shù)為14ACH 的室內(nèi)環(huán)境場模擬結(jié)果。大廳的室內(nèi)溫度場如圖11所示。室內(nèi)整體溫度均控制在設(shè)計范圍內(nèi)，整體環(huán)境保障良好。對比16℃送風的形式，由于送風溫度提高，室內(nèi)溫度保障更加均勻穩(wěn)定。

圖11 噴口18℃，14ACH 送風溫度場分布Fig.11 Distribution of air supply temperature field at nozzle 18 ℃,14ACH

室內(nèi)送風速度場分布如圖12所示。室內(nèi)工作區(qū)整體風速小于0.2m/s，無人員吹風感，風速保障良好。但由于送風量增大，中間一部分區(qū)域達到0.3-0.4m/s，會造成略微有吹風感，靠近回風附近的風速較大。

圖12 噴口18℃，14ACH 送風速度場分布Fig.12 Distribution of air supply velocity field at nozzle 18 ℃,14ACH

采用噴口送風形式下噴口的風速衰減過程如圖13所示，可以看到噴口送風的風速衰減值約為0.5-1.5m/s，風速快速與室內(nèi)空氣摻混并發(fā)生衰減，保障工作區(qū)風速不會過高。室內(nèi)沒有出現(xiàn)明顯渦旋，環(huán)境保障良好。

圖13 噴口送風風速衰減過程Fig.13 Attenuation process of nozzle supply air velocity

3 室內(nèi)熱濕環(huán)境評價分析

3.1 熱舒適指標評價

人體熱舒適指標可由PMV 和PPD 評價[14]。PMV 指標是引入反映人體熱平衡偏離程度的人體熱負荷而得出的，其理論依據(jù)是當人體處于穩(wěn)態(tài)的熱環(huán)境下，人體的熱負荷越大，人體偏離熱舒適狀態(tài)就越遠。PMV 指標代表了同一環(huán)境下絕大多數(shù)人的感覺，可以用來評價一個熱環(huán)境舒適與否。其采用了7 級分度，如表6所示。

表6 PMV 熱感覺標尺Table 6 PMV thermal sense scale

PPD 指標是指預(yù)測不滿意百分比，是通過概率分析確定某環(huán)境條件下人群不滿意的百分數(shù)，可由以下公式計算得到[15]。PPD 指標的計算公式表明，即便達到PMV＝0，仍然有5%的人不滿意，反映了人的個體差異。

以Z=10m 的垂直截面為例，各種送風形式下的PMV 和PPD 場如圖14和圖15所示。

圖14 不同Case 工作截面PMV 場Fig.14 PMV field of different case working sections

圖15 不同Case 工作截面PPD 場Fig.15 PPD fields with different case working sections

可以看到，在各種送風形式下，室內(nèi)整體PMV保持在-1 到1 之間，在靠近熱源處的人員PMV 略微偏高，表明采用各種送風形式，整體上人員熱感覺為適中。采用噴口形式時，工作區(qū)下方的PMV和人員不滿意率略有偏高，采用散流器形式時室內(nèi)PMV 更加均勻穩(wěn)定。室內(nèi)整體PPD 保持在30%以下，表明采用各種送風形式下人員不滿意度均較低，人員熱舒適保障良好。其中，采用噴口形式時，噴口下方的人員不滿意度偏高，高于散流器形式。

各種送風形式下房間平均PMV 和PPD 如表7所示?？梢钥吹?，室內(nèi)整體PMV 保持在-1 到1 之間，熱環(huán)境適中。整體人員不滿意率小于30%，保障良好。散流器形式下室內(nèi)整體不滿意率低于噴口形式。

表7 房間平均PMV 和PPD 統(tǒng)計Table 7 Room average PMV and PPD statistics

3.2 評價指標分析

根據(jù)風口設(shè)置，送風量為Q，房間體積為V，可以算得房間的名義時間常數(shù)τn=V/Q。房間平均空氣齡τp反映了房間的空氣新鮮程度[16]，其值可根據(jù)Airpak 模擬結(jié)果得到。換氣效率ηa是實際通風條件下房間平均空氣齡與活塞流下的比值，反映了新鮮空氣置換原有空氣的快慢與活塞通風下置換快慢的比較。換氣效率ηa計算式如下：

因此得到了各項評價指標，總結(jié)如表8所示，其中平均空氣齡僅考慮7m 以下為控制空間進行計算。由于散流器形式設(shè)置吊頂，噴口形式不設(shè)置吊頂，故散流器送風形式下7m 以下空間的平均空氣齡顯著低于噴口形式，換氣效率更高。噴口形式下實際的換氣形式為全空間內(nèi)的換氣，故僅考慮7m以下空間時，整體換氣效率較低。當送風量降低后，房間溫度變化不大，但隨著風量降低，房間空氣流動減弱，房間平均空氣齡增加，換氣效率基本不變。散流器送風和噴口送風對比，噴口送風下房間平均溫度略微較低，各種形式下房間平均溫度保障在合理范圍內(nèi)。

表8 房間空氣齡、換氣效率、平均溫度統(tǒng)計Table 8 Statistics of room air age,ventilation efficiency and average temperature

4 總結(jié)

綜合溫濕度、風速和人員熱舒適等各項評價指標，對于空間大、人員密度高的地下工程而言，采用散流器和噴口送風形式均能夠保障室內(nèi)熱濕環(huán)境和人員熱舒適性，PMV 均可保持在-1 到1 之間，不滿意率PPD 均小于30%。其中，散流器送風室內(nèi)PMV 更加均勻穩(wěn)定，整體不滿意率低于噴口形式，平均空氣齡約為噴口形式的50%左右；噴口送風室內(nèi)平均溫度更低，空氣流動性更強，靠近回風附近的風速偏大，略微有吹風感。為保證工作環(huán)境更加舒適，采用散流器16℃11ACH 的室內(nèi)熱濕環(huán)境保障效果最優(yōu)，舒適度最佳。