摘 要：建立了適用于無(wú)管工位送風(fēng)與置換通風(fēng)復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)性能分析的CFD數(shù)值模型，并探討了工位送風(fēng)參數(shù)及房間圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱對(duì)復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)下室內(nèi)熱舒適及空氣品質(zhì)的影響。結(jié)果表明，與單置換通風(fēng)相比，加入無(wú)管工位送風(fēng)可顯著提高空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷承擔(dān)能力及空調(diào)房間背景溫度，在合理的送風(fēng)參數(shù)下，無(wú)管送風(fēng)與置換通風(fēng)復(fù)合系統(tǒng)可在約100 W/m2的圍護(hù)結(jié)構(gòu)(如大面積玻璃幕墻)傳熱負(fù)荷下營(yíng)造出人體可接受的熱環(huán)境。此外，與置換通風(fēng)相比，復(fù)合系統(tǒng)下人體呼吸區(qū)內(nèi)的空氣齡顯著降低，室內(nèi)空氣品質(zhì)較好。研究結(jié)果驗(yàn)證了無(wú)管工位送風(fēng)與置換通風(fēng)復(fù)合系統(tǒng)在空調(diào)能效提升方面具有很好的潛力。

　　關(guān)鍵詞：工位送風(fēng);置換通風(fēng);熱舒適模型;空氣齡;計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)

　　0 引言當(dāng)今，人們近80%～90%的時(shí)間處于室內(nèi)環(huán)境中[1-2]，室內(nèi)環(huán)境的質(zhì)量已與人們的健康狀況及社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益息息相關(guān)。不良的室內(nèi)環(huán)境會(huì)使人胸悶、頭痛、咳嗽、工作效率降低[3-5]。通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)作為控制室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的有效手段之一[6]，被廣泛地應(yīng)用于現(xiàn)代建筑中，其主要目的是通過引入室外新風(fēng)，在室內(nèi)形成合理的氣流組織，有效地移除室內(nèi)污染物及冷(熱)負(fù)荷，減少有害物在室內(nèi)的囤積，從而為室內(nèi)人員營(yíng)造出舒適的熱環(huán)境及良好的空氣品質(zhì)[7]。但是，在滿足了人們的健康及舒適性需求的同時(shí)，通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)也造成了巨大的能源消耗。據(jù)統(tǒng)計(jì)，建筑能耗已占社會(huì)總能耗的20%～40%[8]，而建筑能耗中40%來自于暖通空調(diào)系統(tǒng)(HVAC)[9]。特別是隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，由建筑空調(diào)系統(tǒng)所產(chǎn)生的能耗將更為驚人。因此，如何營(yíng)造健康、舒適及低能耗的室內(nèi)環(huán)境已成為“節(jié)能減排”策略中極為重要，也是亟待解決的環(huán)節(jié)。 置換通風(fēng)作為空調(diào)室內(nèi)常見的氣流組織方式之一，具有節(jié)能高效等優(yōu)勢(shì)，已被諸多學(xué)者廣泛研究[10-11]。置換通風(fēng)的基本原理是將新鮮的空氣直接送入房間下部區(qū)域，并在地板附近形成一層較薄的空氣湖(距地面約0.1 m高度)。在熱浮升力的驅(qū)動(dòng)下，房間內(nèi)氣流向上呈浮升運(yùn)動(dòng)，攜帶污染物和熱量的氣流由房間上部排出，在室內(nèi)形成溫度和污染物濃度分層分布的現(xiàn)象(如圖1所示)。然而，由其運(yùn)行機(jī)理所致，這一空調(diào)系統(tǒng)首先冷卻了房間內(nèi)熱源分布較少的下部區(qū)域，往往會(huì)使人體腿部和腳踝部產(chǎn)生不舒適感[12]。此外，該空調(diào)系統(tǒng)室內(nèi)氣流主要受熱浮力驅(qū)動(dòng)，送風(fēng)速度不可過高，使該系統(tǒng)不適用于空調(diào)負(fù)荷較大的場(chǎng)合[13]。

　　基于此，Melikov等學(xué)者在置換通風(fēng)的基礎(chǔ)上，提出了無(wú)管送風(fēng)與置換通風(fēng)相結(jié)合的概念[14]，其示意圖如圖2所示。該系統(tǒng)下的辦公桌內(nèi)嵌有送風(fēng)管道，安置于桌面下部的風(fēng)機(jī)充分利用置換通風(fēng)室內(nèi)的“空氣湖”，將“空氣湖”中的新鮮低溫氣流吸入，經(jīng)桌面嵌入式風(fēng)管系統(tǒng)，最終由桌面上部的噴嘴送至人員呼吸區(qū)。該系統(tǒng)可進(jìn)一步提高空調(diào)房間背景溫度，并能避免置換通風(fēng)條件下室內(nèi)人員“頭熱腳冷”的不舒適感。

　　針對(duì)工位無(wú)管送風(fēng)與置換通風(fēng)復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)下的氣流組織方式，相關(guān)學(xué)者已圍繞送風(fēng)溫差、送風(fēng)量[15]、吸風(fēng)口高度[16]及人員走動(dòng)干擾等因素展開了一系列研究。然而，關(guān)于圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱對(duì)該復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)性能的影響卻鮮有報(bào)道。為此，擬針對(duì)工位無(wú)管送風(fēng)與置換通風(fēng)復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)，開展CFD數(shù)值模擬分析，探求其在不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱條件下的氣流組織特性。研究結(jié)果將為這一復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷承擔(dān)能力預(yù)測(cè)及設(shè)計(jì)參數(shù)選取提供理論指導(dǎo)。

　　1 數(shù)值模擬方法

　　1.1 控制方程 諸多研究工作表明，RNG k-ε模型的適用范圍較廣，且在模擬室內(nèi)氣流組織及熱對(duì)流等方面的準(zhǔn)確性較高，模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較為接近，因此，本研究采用數(shù)值模擬采用RNG k-ε模型。 對(duì)于室內(nèi)空氣流動(dòng)，RNG k-ε模型中包含連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程、湍動(dòng)能及其耗散方程、組分傳輸方程和空氣齡方程。這些方程的通用形式如下

　　(1)式中：ρ為空氣密度;為通用變量，可表示速度、溫度、空氣齡等變量，Г為有效擴(kuò)散系數(shù);S為源項(xiàng)。

　　1.2 邊界條件 文中數(shù)值模擬研究中，采用二階迎風(fēng)格式對(duì)方程進(jìn)行離散，采用SIMPLE算法對(duì)壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)進(jìn)行耦合，對(duì)熱浮力的作用分析采用Boussinesq假設(shè)，采用DO(Discrete Ordinate)模型分析各圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)壁面的輻射傳熱過程，采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法來分析近壁面區(qū)域內(nèi)的氣流運(yùn)動(dòng)。房間送、回風(fēng)口分別采用速度入口和自由出流邊界，外圍護(hù)結(jié)構(gòu)和室內(nèi)熱源采用定熱流邊界。

　　1.3 模型驗(yàn)證 文中采用既有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[17]，對(duì)所建數(shù)值模型邊界條件進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果如圖3、圖4所示。由圖3、圖4可知，對(duì)于室內(nèi)氣流速度及溫度，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和模擬計(jì)算值總體趨勢(shì)一致性較好，雖存在一定誤差，但在可接受范圍內(nèi)，所采用的數(shù)值模擬方法可用于文中復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)的性能分析及評(píng)價(jià)。

　　1.4 評(píng)價(jià)指標(biāo) 為了評(píng)價(jià)無(wú)管工位送風(fēng)與置換通風(fēng)復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)相關(guān)性能，根據(jù)熱舒適標(biāo)準(zhǔn)ISO-7730及ASHRAE 55，采用PMV指標(biāo)對(duì)室內(nèi)熱舒適進(jìn)行分析;采用空氣齡來表征室內(nèi)空氣品質(zhì)。其中PMV是由Fanger教授提出的熱舒適模型，用于綜合預(yù)測(cè)人體的熱舒適性，該模型表示了人體在特定活動(dòng)水平下的自身產(chǎn)熱量與人體向環(huán)境散熱量之間不平衡率的指標(biāo)，其數(shù)值與諸多參數(shù)有關(guān)，如空氣溫度、流速、相對(duì)濕度、平均輻射溫度、服裝熱阻及人體新陳代謝率等，數(shù)值大小客觀反映了人體在環(huán)境中的熱反應(yīng)程度，數(shù)值越大，人體熱感越明顯，反之則人體冷感明顯。ASHRAE 55中指出滿足人體熱舒適要求時(shí)，PMV數(shù)值應(yīng)在-0.7～0.7。空氣齡則是指通風(fēng)過程送入室內(nèi)的空氣分子通過某特定點(diǎn)時(shí)所需要的時(shí)間，某點(diǎn)空氣齡數(shù)值越低，表明送風(fēng)氣流流至該處的時(shí)間越短，空氣則越新鮮。

　　1.5 工況選取模型中空調(diào)房間示意圖如圖2所示，房間尺寸為3.9 m×2.9 m× 2.6 m(長(zhǎng)×寬×高)，新鮮氣流由房間右側(cè)墻體下方的風(fēng)口送入，并在近地面形成“空氣湖”，受熱后進(jìn)行浮升運(yùn)行，在浮力及頂部排風(fēng)口抽吸作用下，經(jīng)由頂部排風(fēng)口排出。人體附近“空氣湖”中的新鮮氣流由桌內(nèi)風(fēng)機(jī)吸入，并由桌面工位送風(fēng)口直接送至人體呼吸區(qū)，其中工位送風(fēng)口是直徑為0.1 m的圓形噴口。各模擬工況下的邊界條件列于表1，其中ts為房間置換通風(fēng)送風(fēng)溫度;Qe為圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱量;v為無(wú)管工位送風(fēng)口出風(fēng)速度。所有工況下，房間換氣次數(shù)ACH為6.6 次/h，房間內(nèi)熱源為285 W，由3部分構(gòu)成：①人體發(fā)熱65 W;②電腦發(fā)熱80 W;③室內(nèi)照明發(fā)熱140 W。當(dāng)工位風(fēng)口送風(fēng)速度為0時(shí)(如工況1)，則房間氣流組織形式為單獨(dú)的置換通風(fēng)。

　　2 結(jié)果與討論

　　2.1

　　工位送風(fēng)速度及圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱對(duì)室內(nèi)PMV影響

　　圖5所示為房間送風(fēng)溫度ts為19 ℃、換氣次數(shù)為6.6 h-1時(shí)，不同工況下y=1.45 m斷面的PMV分布。對(duì)比圖5(a)、(b)可發(fā)現(xiàn)，除去人員頭部前側(cè)區(qū)域外，兩圖無(wú)明顯差異，其中單置換通風(fēng)條件下(圖5(a))人員頭部前側(cè)區(qū)域PMV值接近-0.9，而工位送風(fēng)裝置開啟后(圖5(b))，人員頭部前側(cè)區(qū)域PMV值降至-1.2。這主要是由于工位送風(fēng)裝置的局部送風(fēng)增加了人體頭部區(qū)域的氣流擾動(dòng)，有效降低了該區(qū)域內(nèi)的PMV值。上述結(jié)果表明，與單置換通風(fēng)相比，無(wú)管工位送風(fēng)對(duì)全室整體的PMV值無(wú)顯著影響，但對(duì)人體頭部區(qū)域的局部熱舒適有較大影響。這表明了無(wú)管工位送風(fēng)與置換通風(fēng)復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)具有在高溫空調(diào)環(huán)境下營(yíng)造舒適熱環(huán)境的潛力，但是一定要合理選擇工位送風(fēng)速度，若速度過大，則會(huì)引發(fā)室內(nèi)人員的吹風(fēng)感。此外，對(duì)比圖5(b)、(c)可發(fā)現(xiàn)，對(duì)于復(fù)合系統(tǒng)而言，在保持其余邊界條件不變情況下，當(dāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱由0增加至300 W后，全室PMV值將發(fā)生顯著變化。當(dāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱量為0 W時(shí)(圖5(b))，人體附近區(qū)域PMV均為負(fù)值，人體處于冷感狀態(tài);當(dāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱增加為300 W時(shí)(圖5(c))，人體附近區(qū)域PMV值均變?yōu)檎担砻魅梭w處于熱感狀態(tài)。這主要是由于隨著圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱的增大，圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)壁面溫度也隨之增加，致使人體所受輻射溫度升高;同時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱還會(huì)使室內(nèi)溫度升高，上述因素綜合作用，使室內(nèi)PMV值升高，增加了人體熱不舒適的風(fēng)險(xiǎn)。

　　圖6匯總了在房間送風(fēng)溫度ts為19 ℃、換氣次數(shù)為6.6 h-1時(shí)，不同工位送風(fēng)速度及圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱負(fù)荷條件下，人體前側(cè)區(qū)域的PMV值計(jì)算結(jié)果。其中圍護(hù)結(jié)構(gòu)不同的傳熱負(fù)荷，是根據(jù)西安地區(qū)夏季氣象參數(shù)，結(jié)合冷負(fù)荷系數(shù)法計(jì)算而得。由圖可知，隨著圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷增大，室內(nèi)PMV值也隨之增大。對(duì)于單置換通風(fēng)(即工位風(fēng)速為0)，當(dāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱負(fù)荷大致超過50 W/m2時(shí)，其室內(nèi)人體附近PMV值也超出了熱舒適標(biāo)準(zhǔn)的限值要求(-0.7～ 0.7)，即超出了空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷承擔(dān)范圍;加入無(wú)管工位送風(fēng)裝置后，當(dāng)工位送風(fēng)速度在0.7～0.9 m/s范圍內(nèi)變化時(shí)，大部分工況下室內(nèi)PMV值處于舒適區(qū)范圍內(nèi)，滿足熱舒適標(biāo)準(zhǔn)要求。以上結(jié)果則表明單置換通風(fēng)的負(fù)荷承擔(dān)能力有限，在置換通風(fēng)基礎(chǔ)上加入無(wú)管工位送風(fēng)裝置后，若能選擇合理的送風(fēng)參數(shù)，則可顯著提高空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷承擔(dān)能力。由圖6還可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱指標(biāo)處于100 W/m2以內(nèi)時(shí)，通過調(diào)節(jié)送風(fēng)參數(shù)，無(wú)管工位送風(fēng)與置換通風(fēng)復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)均可營(yíng)造出人體可接受的熱舒適環(huán)境。

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