空調(diào)工況下空氣柱送風(fēng)仿真模擬與舒適度評價

張國兵 程海峰 張洋 張舉

1安徽建筑大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)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(nèi)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(yīng)用最為廣泛的空調(diào)系統(tǒng)為分層空調(diào)系統(tǒng)[4]。針對大空間下的室內(nèi)氣流組織及熱舒適性研究較少。本文提出空氣柱送風(fēng)方式，其具有布置便利、施工方便、送風(fēng)直接進(jìn)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(fēng)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(biāo)分析，為今后更好地進(jìn)行大空間內(nèi)空氣柱送風(fēng)氣流組織設(shè)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(fēng)方式，送風(fēng)溫度為18 ℃，送風(fēng)速度為3 m/s，柱高2 m，回風(fēng)風(fēng)速為1.5 m/s，回風(fēng)溫度為26 ℃，送回風(fēng)相對濕度為60%，風(fēng)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(shè)定為28 ℃。

2 數(shù)值模型建立及模擬方法

2.1 數(shù)學(xué)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(jù)房間實際尺寸建立等比例模型，具體模型如圖1。

圖1 空調(diào)房間物理模型

2.2 模擬方法

2.2.1 邊界條件設(shè)置

整個模型邊界條件的設(shè)置直接影響模擬結(jié)果的好壞，具體邊界條件設(shè)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(shè)定為35 ℃。下璧面溫度設(shè)定為28 ℃。在換熱方面，壁面綜合換熱系數(shù)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(fēng)口位于套筒四周距地面0.15 m處，送風(fēng)口位于空氣柱四側(cè)，距地面1.5 m，壁面可以看成絕熱。具體詳細(xì)邊界條件匯總?cè)绫?所示。

表1 模擬邊界條件參數(shù)

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(diào)房間內(nèi)氣體流動較為復(fù)雜與模擬存在一定差別。為了縮小模擬與現(xiàn)實之間的差距，需對模型進(jìn)行簡化和近似，并做以下假設(shè)：

1）空調(diào)房間空氣為不可壓縮流體，滿足Bossinesq假設(shè)。

2）空調(diào)房間空氣為穩(wěn)定湍流流動。

3）忽略空調(diào)房間通過門縫漏風(fēng)影響，該房間為密閉狀態(tài)，避免漏風(fēng)對空調(diào)房間內(nèi)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(wǎng)格劃分

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

圖2 房間網(wǎng)格分布

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

圖3 網(wǎng)格表面對其率與網(wǎng)格單元縱橫比值分布圖

3 區(qū)域最佳送風(fēng)參數(shù)與舒適性研究

3.1 夏季工況舒適區(qū)最佳送風(fēng)參數(shù)

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(biāo)（ADPI）來判斷?？諝夥植继匦灾笜?biāo)最早是由Nevins與Ward提出[5]，是指區(qū)域內(nèi)滿足規(guī)定風(fēng)速與溫度要求的測點數(shù)與總點數(shù)的比值。如果從舒適性角度來考慮，當(dāng)區(qū)域內(nèi)相對濕度在30%～70%內(nèi)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(jù)大量實驗結(jié)果分析得出有效溫差的關(guān)系式如下：

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

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

式中：N0為-1.7＜EDT(θ)＜1.1的點數(shù)；N為總點數(shù)。

當(dāng)區(qū)域內(nèi)的ADPI≥80%時，則可以認(rèn)為該區(qū)域為舒適區(qū)。

對于空氣柱送風(fēng)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(diào)房間四側(cè)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(jù)《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》GB50736-2012要求[8]，夏季舒適性空調(diào)室內(nèi)設(shè)計參數(shù)，溫度在24～28 ℃之間，選取送風(fēng)溫差為8 ℃，即16 ℃、18 ℃、20 ℃，送風(fēng)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(fēng)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(fēng)參數(shù)，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(jìn)行布置，水平方向上，距四側(cè)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(shù)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(nèi)滿足要求的測點數(shù)，計算該區(qū)域內(nèi)ADPI值，判定該區(qū)域是否為舒適區(qū)，具體數(shù)據(jù)如表3。

表3 對應(yīng)工況數(shù)據(jù)表

從表2、3可以看出，以上6種工況下區(qū)域內(nèi)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(nèi)ADPI值最小，為81%，工況4區(qū)域內(nèi)ADPI值最大，為84%，是最令人滿意的工況。結(jié)合表2、3可以看出，在空氣柱送風(fēng)方式下，滿足一定區(qū)域為舒適區(qū)的送風(fēng)參數(shù)區(qū)間可?。核惋L(fēng)溫度為18 ℃、20 ℃時，風(fēng)速為3 m/s，空氣柱高度為2～2.5 m。在以上送風(fēng)參數(shù)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(jié)果與云圖分析

在對整個模型進(jìn)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(jìn)行分析，從而判定該送風(fēng)方式下室內(nèi)是否舒適。

1）空氣粒子運動軌跡從圖5可以看出，經(jīng)過處理的空氣從四側(cè)送風(fēng)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(fēng)吹向地面。四面墻體阻礙了空氣流動，吹向地面的風(fēng)在房間內(nèi)形成了渦流，渦流中的一部分空氣從回風(fēng)口流出，室內(nèi)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(dāng)送風(fēng)溫度為18 ℃時，空氣射流到Z=1.1 m截面與室內(nèi)空氣混合，整個截面平均溫度為24.9 ℃，滿足人員在室內(nèi)舒適性要求。該截面顏色分布呈現(xiàn)對稱特性，四側(cè)呈現(xiàn)較為深的藍(lán)色區(qū)域，溫度在24 ℃左右，這是由于送風(fēng)在初速度以及冷空氣下沉作用下，出風(fēng)吹向地面過程還未與室內(nèi)空氣完全充分混合，故出現(xiàn)四側(cè)溫度相對較低的深藍(lán)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(dāng)送風(fēng)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(fēng)射流的路徑上，故送風(fēng)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(xiàn)明顯的對稱現(xiàn)象，結(jié)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(jié)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(fēng)方式是適用于大空間一種新的送風(fēng)方式，滿足室內(nèi)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(xiàn)在該送風(fēng)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(fēng)速為0.23 m/s，人員在其中無強烈出風(fēng)感，區(qū)域內(nèi)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(biāo)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(diào)設(shè)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(fēng)溫度為26 ℃、28 ℃、30 ℃，送風(fēng)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(shù)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?cè)绫?。

表4 模擬工況及數(shù)據(jù)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(xiàn)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(jìn)行模擬，分析Z=1.1 m截面平均PMV與PDD值，判定該種送風(fēng)方式舒適性的情況。

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

1）制冷工況下，送風(fēng)溫度為18 ℃、20 ℃，風(fēng)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(fēng)溫度為26 ℃、28 ℃、30 ℃，風(fēng)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(nèi)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。