室內(nèi)空調(diào)風(fēng)口風(fēng)速對(duì)熱舒適度影響

張文雯 李上志 曾 理 邱舒婷

室內(nèi)空調(diào)風(fēng)口風(fēng)速對(duì)熱舒適度影響

張文雯1李上志2曾 理2邱舒婷2

（1.浙江科技學(xué)院機(jī)械與能源工程學(xué)院 杭州 310000；2.溫州建正節(jié)能科技有限公司 溫州 325000）

傳統(tǒng)空調(diào)設(shè)備風(fēng)口位置基本憑借暖通或安裝工程師的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行布置，主觀性強(qiáng)，缺乏客觀的數(shù)據(jù)指導(dǎo)，并不完全滿足現(xiàn)代生活水平所要求的舒適度。采用CFD軟件，對(duì)溫州市城區(qū)某辦公樓的室內(nèi)氣流組織進(jìn)行模擬。根據(jù)模擬結(jié)果，從室內(nèi)作業(yè)熱舒適性的角度出發(fā)，分析室內(nèi)布局的有無對(duì)室內(nèi)風(fēng)速的影響，和在不同的送風(fēng)速率下室內(nèi)速度場合理性，并闡述不舒適的問題及改進(jìn)措施，為工程應(yīng)用提供參考。

室內(nèi)氣流組織；CFD模擬；空調(diào)氣流速率

0 引言

隨著我國城鎮(zhèn)居民生活質(zhì)量不斷提升，人們不僅對(duì)居住和工作環(huán)境的要求逐漸提高，對(duì)室內(nèi)熱濕環(huán)境也同樣愈發(fā)重視，基于人的一生中80%的時(shí)間都在室內(nèi)度過這個(gè)痛點(diǎn)，良好的室內(nèi)環(huán)境已經(jīng)顯著影響到了人的健康與工作、學(xué)習(xí)效率等[1]。因此項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)就位于夏熱冬冷地區(qū)的溫州市某辦公建筑4樓東側(cè)集中辦公空間展開氣流組織影響分析研究。

1 概述

影響室內(nèi)熱舒適度因素主要由空氣溫濕度、風(fēng)速和熱輻射組成。本文以室內(nèi)風(fēng)速作為研究突破口。

室內(nèi)風(fēng)速，也就是常說的“通風(fēng)”。它不僅影響人體體表換熱，也促進(jìn)著室內(nèi)空氣的流通。當(dāng)室內(nèi)空氣流動(dòng)性較低時(shí)，室內(nèi)環(huán)境中的空氣得不到充分的更新，各種有害物質(zhì)及常見廢氣（包括過多的二氧化碳?xì)怏w）不能及時(shí)得到排放，造成室內(nèi)空氣質(zhì)量惡化，影響人體健康。室內(nèi)風(fēng)速也非越高越好，特別處于夏季開啟空調(diào)制冷期間，當(dāng)室內(nèi)氣溫相對(duì)較低，風(fēng)速較大，產(chǎn)生明顯的冷熱吹風(fēng)感，容易造成人體不適，甚至影響身體健康。通常，風(fēng)速以0.2m/s作為人體對(duì)風(fēng)速可覺察的閾值，往往是用來確定室內(nèi)風(fēng)速的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[2]。

2 室內(nèi)氣流組織數(shù)值分析

2.1 研究目的

本文通過數(shù)值模擬，分析總結(jié)室內(nèi)辦公空間的氣流組織顯性特征（①在同一送風(fēng)速度下，室內(nèi)有無家具布局對(duì)熱舒適性的影響；②研究不同送風(fēng)速度對(duì)室內(nèi)氣流風(fēng)速的影響），從而獲取營造良好室內(nèi)微環(huán)境的解決策略。

2.2 研究步驟

（1）選定典型辦公樓作為研究對(duì)象。

（2）著手調(diào)查典型辦公空間的日?？照{(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)情況，收集該辦公空間的空調(diào)系統(tǒng)的各項(xiàng)基礎(chǔ)資料，進(jìn)行歸納整合。

（3）以歸納整合的數(shù)據(jù)作為數(shù)值模擬的邊界條件，進(jìn)行仿真。

（4）呈現(xiàn)室內(nèi)空間的風(fēng)場結(jié)構(gòu)分布狀況，結(jié)合現(xiàn)行熱舒適標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，并提出相應(yīng)的改善措施。

2.3 研究對(duì)象確立

典型辦公空間選取對(duì)象應(yīng)滿足規(guī)模適中且大開間的辦公空間，其平面布局、空調(diào)系統(tǒng)風(fēng)口設(shè)計(jì)等因素能體現(xiàn)大部分辦公建筑的特點(diǎn)。本次模擬考慮實(shí)際數(shù)據(jù)采集因素，選取溫州設(shè)計(jì)集團(tuán)大樓4樓作為研究對(duì)象。

該空間長寬高約為19m×17m×3.3m，內(nèi)部通過辦公桌及書架進(jìn)行分隔，含22張辦公桌，29個(gè)大小不同柜子。空調(diào)系統(tǒng)出風(fēng)口和回風(fēng)口各9個(gè)，出風(fēng)口設(shè)于吊頂側(cè)邊，回風(fēng)口位于吊頂下面，屬于典型的頂部送風(fēng)系統(tǒng)。

2.4 實(shí)測及相關(guān)數(shù)據(jù)收集

（1）使用激光測距儀對(duì)辦公空間的平面尺寸進(jìn)行現(xiàn)場測量，采用Sketch Up對(duì)室內(nèi)空間模型進(jìn)行還原，詳見圖1至圖2辦公空間平面圖和俯視圖。

（2）利用CFD模擬軟件STAR-CCM+軟件，對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行數(shù)值模擬。

（3）本次評(píng)價(jià)分析指標(biāo)以《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》3.0.2條室內(nèi)空氣設(shè)計(jì)要求對(duì)室內(nèi)氣流組織模擬進(jìn)行評(píng)價(jià)，如表1所示。

表1 室內(nèi)風(fēng)速對(duì)人體以及作業(yè)之影響[3]

圖1 辦公空間平面圖

圖2 辦公空間俯視圖

2.5 數(shù)學(xué)模型及邊界

為了對(duì)所研究問題進(jìn)行簡化，本次數(shù)學(xué)模型設(shè)定為：

三維定常不可壓縮

介質(zhì)為空氣：密度為1.18415kg/m3，動(dòng)力粘性系數(shù)為1.85508×10-5Pa·s

采用分離式求解方法

雷諾應(yīng)力平均方程

Realizable-湍流模式

高y+壁面函數(shù)

假定該模型是氣密性良好的封閉空間，不考慮門、窗漏風(fēng)的影響。入口進(jìn)風(fēng)速率分別設(shè)置為：0.5m/s，1m/s，2m/s，3m/s，出口邊界采用壓力出口。

網(wǎng)格質(zhì)量直接決定了計(jì)算的精度和結(jié)果，本次采用多面體網(wǎng)格。針對(duì)送回風(fēng)口尺寸較小和速度梯度較大等地方進(jìn)行局部網(wǎng)格加密，保證模擬精度。如圖3至圖4室內(nèi)氣流模擬網(wǎng)格示意圖。

表2 室內(nèi)氣流模擬網(wǎng)格設(shè)置尺寸

圖3 室內(nèi)氣流模擬網(wǎng)格示意圖

圖4 送回風(fēng)口網(wǎng)格加密示意圖

2.6 數(shù)值模擬分析

2.6.1 室內(nèi)有無家具布局對(duì)熱舒適性的影響

圖5至圖9為在1m/s的送風(fēng)風(fēng)速下的無家具和有家具的室內(nèi)風(fēng)場示意圖。

圖5 無家具水平風(fēng)速分布云圖（V=1m/s）

圖6 無家具垂直氣流分布云圖（V=1m/s）

由圖5、圖6可知：無家具情況下，除東側(cè)入門處儲(chǔ)藏間出現(xiàn)一塊低風(fēng)區(qū)外，其余區(qū)域氣流通暢。在a作業(yè)區(qū)形成加速風(fēng)，平均風(fēng)速在0.25m/s，其他作業(yè)區(qū)平均風(fēng)速在0.1m/s左右，風(fēng)速均勻度不理想。

不同風(fēng)速下，室內(nèi)氣流分布形態(tài)基本一致，整理不同送風(fēng)風(fēng)速情況下模擬結(jié)果，得表3室內(nèi)速度范圍分布，由此看出平面與截面風(fēng)速隨著送風(fēng)口速度的增加而增加，且豎直與水平截面處速度相差不大。

表3 室內(nèi)速度范圍分布

圖7 有家具水平風(fēng)速分布云圖（V=1m/s）

圖8 有家具水平氣壓分布云圖（V=1m/s）

圖7～圖9為家具布置后室內(nèi)氣流分布圖，由結(jié)果可知，室內(nèi)大部分區(qū)域氣流通暢。對(duì)比無家具氣流分布，最大風(fēng)速區(qū)域依舊在a作業(yè)區(qū)，但面積有所縮小，在b和c區(qū)風(fēng)速減弱，不同程度出現(xiàn)低風(fēng)區(qū)，從截面氣流分布也可明顯了解b作業(yè)區(qū)空間氣流較小。a作業(yè)區(qū)平均風(fēng)速最大在0.13m/s，其他作業(yè)區(qū)平均風(fēng)速在0.09m/s左右，風(fēng)速均勻度有一定改善。

當(dāng)送風(fēng)速率一定時(shí)，布置家具后室內(nèi)氣流最大風(fēng)速從0.45m/s遞減到0.22m/s，速度遞減幅度達(dá)到50%左右，遞降明顯。

由圖8和圖9可看出，空調(diào)系統(tǒng)將處理后的空氣以高于熱舒適指標(biāo)的速度從室內(nèi)空間上部頂棚側(cè)面送入，高速空氣射流和空間氣流形成融合，隨后送風(fēng)射流的溫度迅速趨近于整個(gè)房間的溫度，射流流速也隨之降低，在室內(nèi)南北兩側(cè)的墻壁上形成一道相對(duì)強(qiáng)壓，中部區(qū)域壓強(qiáng)較弱，促使室內(nèi)氣流流動(dòng)。

2.6.2 研究不同送風(fēng)速度對(duì)室內(nèi)氣流風(fēng)速的影響

圖11 有家具水平風(fēng)速分布云圖（V=1m/s）

圖12 有家具水平風(fēng)速分布云圖（V=2m/s）

圖13 有家具水平風(fēng)速分布云圖（V=3m/s）

四種不工況下，除變量送風(fēng)速率變化外，其余參數(shù)保存不變，其室內(nèi)的氣流分布軌跡基本一致，氣流分布數(shù)值隨送風(fēng)速率變化而變化。整理結(jié)果如表4室內(nèi)作業(yè)區(qū)氣流風(fēng)速分布。

表4 室內(nèi)作業(yè)區(qū)氣流風(fēng)速分布

依據(jù)室內(nèi)風(fēng)速對(duì)人體以及作業(yè)之影響指標(biāo)：（1）供熱工況下，空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)速度2～3m/s時(shí)，室內(nèi)氣流流速均＞0.2m/s不滿足評(píng)價(jià)要求，作業(yè)區(qū)辦公人員有較明顯的熱吹風(fēng)感，熱舒適性較差。[4]送風(fēng)風(fēng)速在0.5m/s時(shí)，空間內(nèi)氣流較緩，容易造成氣悶；（2）供冷工況下，室內(nèi)氣流速率應(yīng)控制在0.25m/s范圍內(nèi)，熱舒適性等級(jí)2級(jí)可適當(dāng)放寬到0.3m/s，從模擬結(jié)果可知，僅送風(fēng)速度3m/s不滿足評(píng)價(jià)要求，其余三組工況均符合要求，熱舒適性依次為2＞1＞0.5。

2.6.3 小結(jié)

本文通過數(shù)值模擬分析，以室內(nèi)風(fēng)場結(jié)構(gòu)分布和內(nèi)表面風(fēng)壓作為判定指標(biāo)，對(duì)室內(nèi)氣流組織進(jìn)行定量分析。結(jié)果表明：（1）當(dāng)各參數(shù)一定時(shí)，變量僅為氣流速率時(shí)，其室內(nèi)氣流軌跡基本不變，流分布數(shù)值隨送風(fēng)速率變化而變化；（2）有無家具布置氣流軌跡分布差異明顯，且布置家具后其速度遞減幅度在50%左右；（3）供冷和供熱對(duì)設(shè)備送風(fēng)速率要求不一，供冷工況熱舒適度1＞0.5＞2＞3，供熱工況則為2＞1＞0.5＞3。

3 室內(nèi)氣流組織問題及改進(jìn)措施

綜上所述，該辦公空間無論有無家具布置，其室內(nèi)整體氣流組織較為良好，大部分作業(yè)區(qū)氣流均衡，未出現(xiàn)大面積的無風(fēng)區(qū)和渦旋區(qū)，但在局部區(qū)域依然出現(xiàn)舒適性較差的區(qū)域，如a作業(yè)區(qū)出現(xiàn)加速區(qū)、b和c作業(yè)區(qū)形成小面積的低速區(qū)等。具體原因如下：

（1）無論是否布置家具，在a作業(yè)區(qū)均出現(xiàn)加速風(fēng)，主要原因是小房間內(nèi)形成全空間最大風(fēng)壓差，促使氣流加速，再經(jīng)通道效應(yīng)增速，該區(qū)域作業(yè)人員容易形成較強(qiáng)的冷熱吹風(fēng)感。

圖14 a作業(yè)區(qū)放大圖（左風(fēng)壓&右風(fēng)速）（V=1m/s）

（2）b作業(yè)區(qū)位于回風(fēng)口下方，氣流在形成內(nèi)循壞時(shí)，受b區(qū)的桌子隔板影響，被迫繞流，該區(qū)域不能形成有效的通風(fēng)路徑，通風(fēng)較差，利于污濁氣流聚集，不宜長時(shí)間辦公作業(yè)。

圖15 b作業(yè)區(qū)豎向截面放大風(fēng)速圖（V=1m/s）

Fig15 b Vertical wind velocity enlarged view of work space（=1m/s）

（3）c作業(yè)區(qū)主要由于該區(qū)域未設(shè)置出風(fēng)口。

圖16 c作業(yè)區(qū)放大圖（左風(fēng)壓&右風(fēng)速）（V=1m/s）

針對(duì)上述問題，提出以下幾點(diǎn)改進(jìn)措施：（1）在a區(qū)上風(fēng)向書架上增加一定的植物盆栽，減少風(fēng)口直射小房間，削減小房間里的風(fēng)壓；（2）b區(qū)辦公桌降低桌子隔板高度或直接取消，構(gòu)建通風(fēng)路徑；（3）c區(qū)則只要增加風(fēng)口即可改善。

4 結(jié)語

傳統(tǒng)空調(diào)設(shè)備風(fēng)口位置基本憑借暖通或安裝工程師的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行布置，主觀性強(qiáng)，缺乏客觀的數(shù)據(jù)指導(dǎo)，并不完全滿足現(xiàn)代生活水平所要求的舒適度。因此，本文采用CFD模擬技術(shù)手段，通過數(shù)值模擬結(jié)果，客觀評(píng)價(jià)辦公空間內(nèi)的氣流組織，提出改善措施及意見，提高室內(nèi)人員的舒適性。

[1] 丁偉翔,劉春林,劉紅梅.基于正交設(shè)計(jì)的不同送風(fēng)參數(shù)對(duì)室內(nèi)氣流組織和舒適性影響的模擬研究[J].建筑節(jié)能,2018,46(11):51-56.

[2] 徐小林,李百戰(zhàn),羅明智.室內(nèi)熱濕環(huán)境對(duì)人體舒適性的影響分析[J].制冷與空調(diào),2004,(4):55-58.

[3] GB 50736-2012,民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2012.

[4] 丁偉翔,劉秀會(huì),金羽佳.基于Fluent的某超市空調(diào)工況下室內(nèi)氣流組織模擬[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào),2018, 37(9):60-63.

The Influence of Indoor Air Conditioning Outlet Wind Velocity on Thermal Comfort

Zhang Wenwen1Li Shangzhi2Zeng Li2Qiu Shuting2

( 1.School of Mechanical and Energy Engineering, Zhejiang University of Science and Technology, Hangzhou, 310000;2.WenZhou JianZheng Energy Technology Co., Ltd, Wenzhou, 325000 )

The position of outlet of traditional air-conditioning equipment is based on the experience of HVAC or installation engineers, which is subjective and lacks objective data guidance, and does not fully meet the comfort required by modern living standards. In this paper, CFD software is used to simulate the indoor air distribution of an official building in Wenzhou city. According to the simulation results, from the perspective of indoor thermal comfort, this paper analyzes the influence of indoor layout on indoor wind velocity, discusses the rationality of indoor velocity situation under different air supply rates, and expounds the uncomfortable problems and improvement measures, provide reference for practical engineering application.

Indoor airflow organization; CFD simulation; Air conditioning airflow rate

1671-6612（2019）06-674-05

TU834

A

張文雯（1997.10-），女，本科，E-mail：591614165@qq.com

2019-02-13