基于Airpak的空調送風方式對室內熱環境影響分析

劉鑫，張欣，韓非，王海濤

(1.安徽建筑大學 環境與能源工程學院，安徽 合肥，230601；2.安徽兩淮建設有限責任公司，安徽 合肥，230088)

0 引言

空調能提供一個舒適健康且滿足工作、生活的室內人工環境，多數空調是向房間送入和排出空氣，不同空間布局的房間、不同的送風口、回風口和排風口的位置、不同送風量等都影響著室內空氣的流速分布、溫濕度分布和污染物濃度分布。在暖通空調領域，承載能量的載體是空氣，空氣在室內流動的過程中，將其攜帶的能量與室內空氣進行交換，空調設計者應組織空氣合理流動，以營造合理的室內熱環境。因此，有必要預測不同空氣流動方式下，即空調在不同的送風方式下，室內的熱濕環境狀況。目前有四種預測空調房間內空氣分布的方法:射流理論分析、模型實驗、區域模型以及基于計算流體力學方法(CFD，computational fluid dynamics)的數值模擬。自20世紀40年代起，世界各地眾多學者以機械通風房間送風口的射流為研究對象，對其特性進行了實驗和理論研究，十幾年的時間內，建立了一系列射流公式，并將其用于室內空氣分布的預測，成為當時最簡單的室內空氣分布預測方法[1]。Zonal模型正式被提出的時間為1970年，源于對供暖房間溫度分層的研究分析[2]。此后，研究人員利用該模型對各種形式的房間和氣流形式進行研究，對房間內的自然通風量、溫度分布等進行預測，當時提出該模型限于用于自然通風，后期有學者根據研究結果提出該方法改進后也可用于機械通風[3]。以相似理論為理論依據的模型實驗為預測房間空氣分布最可靠的方法，在等比放大或等比縮小的實物模型中，通過測量流體各物性參數，從而對室內空氣分布作出預測[4]。利用CFD，可以對室內空氣流動進行模擬，模擬結果能夠清晰反映空氣流動所形成的速度場、溫度場、濕度場以及有害物濃度場，為空調房間營造合理氣流組織，提高室內空氣品質等提供理論依據，為空調設計提供技術支持。

國內，趙彬等以置換通風房間為研究對象，利用CFD軟件對室內的溫度場和速度場進行數值模擬，根據模擬結果，對房間的空氣品質、熱舒適性進行評價，從而優化置換通風設計[5]。化亞魏對大型體育館不同送風方式的節能效果和溫度場進行比較，得出下送上回送風方式優于上送下回[6]；吳丹尼等通過模擬得出側送下回送風方式中影響室內室內溫度場和溫度下降的主要因素[7]；李楊等對室內柜式空調三種送風角度進行數值模擬，得出各自流場和溫度分布特點[8]；黃壽元等利用CFD軟件模擬得出柜式空調機組位于東墻中心時室內溫度場和速度場的分布[9]；湯強等模擬三種不同送風速度在固定送風方式下的溫度場，表明送風速度影響室內熱環境[10]；劉彩霞等利用CFD軟件模擬某帶空調辦公室在開門和關門狀態下氣流組織變化，表明氣流組織對室內區域的的熱環境產生影響[11]。

國外，丹麥人P.V.Nielsen是第一個使用k-ε流體湍流模型用于室內空氣流動模擬，他利用流體的函數公式和流體的渦旋公式的組合對封閉的二維流動方程進行了數值求解[12]。Markatos等對大型電視播送室進行CFD數值模擬，得出室內三維流動和傳熱特性，為改善大空間的空調設計提供依據[13]。King Alan R等人利用CFD對高大空間、高負荷的房間進行分層空調系統的研究，并與普通房間空調系統能耗作比較[14]。Lee和Kisup等人利用CFD分別討論了分層空調系統在風口位置、空間類型等不同因素對空調效果的影響[15]。Zítek等人利用CFD技術對客機機艙內的氣流組織進行模擬，從而優化機艙內氣流組織形式的設計[16]。

前人的研究成果中，利用CFD模擬技術對各種類型的大空間，各種類型的氣流組織進行過數值模擬，其模擬結果可以為改善大空間的熱環境和氣流組織形式提供依據。對于小型空間，如辦公室不同送風方式下對室內熱環境的影響研究較少，利用CFD模擬技術可對小空間內空調所營造的室內熱環境進行模擬，揭示固定送風方式下不同送風速度、不同送風角度對室內熱環境的影響。本文利用Airpak軟件通過對辦公室內常見頂部側送下回、底部側送側回、頂部下送側回的三種空調送風方式進行數值模擬，通過對模擬結果的對比分析，以選擇最適合該辦公室的空調送風方式的氣流組織，為改善空調房間的熱環境設計提供方法和理論依據。

1 數學模型

在數學模型上，本文采用陳清焰教授在1998年提出的零方程模型[17](Zero Equation model)，該模型的基本思想是將湍流黏度歸結為當地平均速度和長度尺度的函數，此方程不需要求解微分方程，而是用代數關系式把湍流粘性系數與時均值相聯系，相對雙方程k-ε湍流模型，其處理室內問題更容易收斂且節約計算資源。Airpak軟件也是基于零方程模型，并采用有限體積法(FVM，Finite Volume Method)離散的方法[18]，通過對流體流動的基本方程(連續性方程、能量守恒方程和動量守恒方程)的數值求解可以獲得流場內各個位置上的基本物理量(包括溫度、濕度、壓力、速度、濃度等)的分布。根據實際情況及數值模擬需要，假設室內空氣為不可壓縮流體，并且符合Bossinesq假設[19]；

(1)室內空氣的流態為穩態紊流；

(2)忽略圍護結構及室內物體間的輻射換熱；

(3)室內空氣為輻射透明體；

(4)不考慮門、窗縫隙的漏風影響，認為室內與外界沒有空氣交換。

根據假設，基本的數學模型即控制方程通用形式:

式中:ρ為空氣密度(kg/m3)；U為速度矢量(在坐標 X、Y、X 的分速度分別為 u、v、w)；φ為通用變量，代表分速度(u、v、w；單位:m/s)及溫度(T；單位:K)等變量；Γ為廣義擴散系數；S為廣義源。

2 物理模型及模擬方法

2.1 物理模型

本文以某大樓的辦公室為研究對象，該房間的幾何尺寸為:長(L)×寬(B)×高(H)=8.5 m×5.8 m×3.5 m，南墻有一扇2.05 m×0.95 m的門與走廊相連，門的側上方開有2扇1.15 m×0.55 m的小窗，窗橫向間距0.5m；北墻上開有6扇窗戶與室外環境相連，3扇1.15 m×0.55 m的小窗，窗橫向間距0.3 m，3扇1.55 m×1.35 m的大窗，窗橫向間距0.3 m，上下窗縱向間距0.25 m；東西面墻則與空調房間相連，故邊界條件可設為絕熱，辦公室內有8名學生，處于坐狀態，每人配置一臺電腦，室內2盞日光燈。具體辦公設備及人員分布的物理模型如圖1所示。

圖1 辦公室的三維物理模型

為選擇最合適的空調位置及送風方式，針對此物理模型，本文選擇了三種常見的空調擺放位置及對應的送風方式，第一種為北墻頂部側送下回，空調的送風口位于北墻的中心位置上，風口中心軸線距頂棚0.5 m，如圖2中①圖；第二種為北墻底部側送側回，空調的送風口位于北墻的中心位置上，風口中心軸線距地面0.5 m，如圖2中②圖；第三種為中間頂部頂送側回，風口位于房間的正中央，風口斷面距頂棚0.5 m，如圖2中③圖。具體的模型如圖2所示。

圖2 空調在房間的不同擺放位置

2.2 模擬方法

除控制方程的選擇以及模擬假設外，對模擬結果好壞起決定性影響的就是邊界條件和網格劃分。因此在計算前應該合理確定邊界條件以及進行計算區域網格劃分。

2.2.1 邊界條件設置

邊界條件設置是否合理直接決定模擬的結果是否準確，所以邊界條件的定義需要準確合理。

入口邊界條件:固定送風參數，送風速度2.5 m/s，送風溫度20℃；

出口邊界條件:采用局部單向化處理，即假定出口界面上的節點不影響第一個節點，如此便不需知道出口邊界的值，采用默認ambient值，自由出流；

壁面邊界條件:北邊的圍護構件有太陽照射，初始溫度為環境溫度30℃，其他壁面與相鄰空調區域相連，可認為為絕熱壁面；

熱流邊界條件:電腦熱流量為90 W/臺；日光燈熱流量為35 W/盞；人體模型為坐姿，熱流量為75 W/人。

已知環境溫度為30℃。本文的其他邊界條件如表1所示:

2.2.2 網格劃分

以整個辦公室作為計算區域，在笛卡爾直角坐標系下劃分網格，網格的疏密對計算精度和模擬結果的準確性產生重要影響。由于以三位空間作為計算區域，網格劃分采用六面體網格，網格數為26*40*16，網格單元最大尺寸為0.32 m，送風口附近，流速大且溫度變化大，網格劃分較密，其他區域網格疏密一致。

表1 模擬計算的邊界條件

3 室內環境評價方法

3.1 PMV-PPD指標

綜合考慮了人體主觀和客觀環境的因素，人體主觀因素包括人體活動程度、服裝熱阻等，客觀環境因素為室內空氣溫度、空氣濕度和空氣流動速度等，其為評價熱環境較全面的指標[20]。PMV指標即預測平均評價，代表同一環境條件下多數人的熱感覺，但由于人體間的差異，其不能全面的反映所有人的熱感覺。故Fanger提出采取與PPD指標(人群對熱環境不滿意的百分數)相結合的方式，通過兩者的定量關系及關系曲線來反映人體對熱環境的評價[21-22]，兩者定量關系為:PPD=100-95exp[-(0.03353PMV4+0.2179PMV2)]。當室內熱環境處于最佳的熱舒適狀態時，PMV=0，PPD為5%，表明即使室內熱環境處于最佳的舒適狀態時，仍存在5%的人感到不滿意。ISO07730推薦PMV-PPD指標的范圍為PPD≦10%，-0.5≦PMV≦0.5，并稱之為舒適狀態，表明室內熱環境處于舒適狀態時，允許有10%的人感到不滿意[23]。本文使用的Airpak軟件嵌入了PMV-PPD的計算程序，可以直接得到室內環境的PMV值和PPD值的分布云圖，進而可以直接評價整個房間的舒適度。

表2 PMV熱感覺標尺

3.2 空氣齡

指空氣從房間進風口到達室內某一點所需的時間，該點的空氣齡是指該點處所有微團空氣齡的均值，故空氣齡反映房間空氣新鮮程度。此外，還反映房間去除污染物的能力，平均空氣齡小的房間，能夠很好的排除污染物。因此空氣齡可以作為衡量房間空氣新鮮程度與通風換氣能力的指標。Airpak提供了評價室內空氣品質的空氣齡分布云圖，根據模擬結果，可直觀的反映和評價室內空氣的新鮮程度[24]。

4 模擬結果及分析

4.1 模擬結果

在空調不同擺放位置及送風方式下，通過Airpak的模擬得到辦公室內溫度、空氣齡及PMV值和PPD值的分布云圖。本文的人體模型身高為170 cm，當其處在坐立狀態時，其口鼻附近空間里的空氣距地高度大概實測在1.2 m附近，即呼吸帶高度為1.2 m。故為了便于比較，本文選取的是同一個平面y=1.2 m處各指標的計算結果，即1.2 m高處溫度、空氣齡及PMV值和PPD值的分布云圖，如圖3至圖5所示。

圖3 北墻頂部側送下回

4.2 室內溫度分布的對比分析

模擬結果表明空調三種送風方式下，室內的溫度情況均比較好，其中圖3北墻頂部側送得到的溫度主要集中在22.4℃左右，但在西北角溫度稍高，出現溫度分布不均勻的現象，人員會感到不適，北墻底部側送側回得到的溫度分布集中在24.5℃，且出現南北分界的狀況，有微小的溫度差，1℃左右，人體能夠接受。對于中間頂部頂送側回方式得到的人員所在區域的溫度集中在22.4℃，最重要的是室內溫度分布較為均勻。綜上分析對比故中間頂部頂送側回營造的溫度分布效果最佳，室內溫度均勻。

4.3 PMV-PPD值及空氣齡的對比分析

圖3所示北墻頂部側送下回方式得到的PMV值集中在0.5到0.7，少部分區域出現0.4接近微暖的狀態，室內大體區域PPD值在8%左右，中間出現PPD值為6%的區域；圖4所示北墻底部側送側回得到PMV值則集中在0.3左右，但門處出現PMV值為負的微涼區域，靠近空調附近的PPD值為6%左右，遠離空調區域值為10%左右，出現波動；圖5所示中間頂部頂送側回的到PMV值集中在0.3至0.5，較為接近適中的狀態，PPD值在9%左右，波動性較小。所以相比較而言，中間頂部頂送側回的方式的PMV值處于適中的狀態，PPD值波動較小，故優于另外兩種。

圖4 北墻底部側送側回

圖5 中間頂部頂送側回

4.4 空氣齡的對比分析

通過觀察三個空氣齡的分布圖發現，圖3所示北墻頂部側送下回方式得到的空氣齡大致在230～290 s范圍，靠近空調出空氣齡小，在門處空氣齡高達430 s；圖4所示北墻底部側送側回空氣齡大致在270～370 s范圍，主體集中在310左右；圖5所示中間頂部頂送側回方式空氣齡大致在180～350 s范圍，主體分布在200左右。根據空氣齡的定義，空氣齡越小，房間內的空氣越新鮮，故中間頂部頂送側回優于其他兩種方式。

5 結論

通過對某辦公室北墻頂部側送下回、南墻底部側送側回、中間頂部頂送側回三種不同位置及送風方式下室內的溫度、PMV-PPD值及空氣齡的綜合對比分析。結果表明，當將空調室內機放在室內中間的頂部，且采用頂送側回的氣流組織時，能營造出合理的溫度場，且PMV-PPD、空氣齡指標優于其他兩種方式。室內人員能獲得較佳的熱舒適性。該模擬結果可以為小空間的合理氣流組織設計提供參考依據。