隔板工位送風末端氣流組織數值模擬研究

孔培婷 王麗娟 張凱歌

隔板工位送風末端氣流組織數值模擬研究

孔培婷 王麗娟 張凱歌

（西安工程大學城市規劃與市政工程學院 西安 710048）

工位送風通常與背景送風相結合來消除室內余熱，該方式會增加系統的投資和運行費用。為解決此問題，采用數值模擬的方法對工位區迎面送風、面部雙側送風及頭腿送風等末端形式的送風性能進行研究，試圖用工位送風替代背景送風。研究結果表明，迎面送風和面部雙側送風在230m3/h～270m3/h風量范圍內可替代背景送風，其中面部雙側送風消除工位區和背景區余熱能力較強，在較小風量下就能達到室內溫度要求；而頭腿送風在144m3/h～288m3/h整個模擬風量范圍內都不能替代背景送風。研究結果可為個性化環境設計提供參考。

工位送風；數值模擬；氣流組織

0 引言

近年來，標準工作間被廣泛應用。為消除室內余熱，保證工位空氣品質，隔板工位空調應運而生。許多學者認為工位空調消除背景區余熱能力較差，為避免工位區與背景區溫差過大造成人體不舒適，工位空調系統有必要增添背景送風[1]。然而，背景送風系統的加入會導致投資和運行費用增加[2]。為減少空調系統投資費用，本文在無背景送風條件下，針對隔板工位不同末端送風形式對室內熱環境和人體熱舒適的影響展開研究。試圖尋找可替代背景送風的工位末端送風形式及送風參數范圍，以此降低空調系統投資及運行費用。

目前，工位空調送風性能的研究方法主要有實驗和模擬。與實驗相比，模擬成本低、速度快且工況設置靈活，可詳細計算出工位區熱環境參數。本文采用ANSYS軟件，對隔板工位不同末端送風形式下室內溫度場和速度場進行仿真。由于數值模擬的準確性受網格質量、邊界條件和湍流模型的影響[3]，所以本文先采用已有實驗數據與ANSYS模擬結果進行對比，來驗證模型的準確性，再開展對不同工況下室內熱環境的模擬分析。

1 數值模擬

1.1 物理模型

以典型辦公室為例，其物理模型如圖1所示。針對頭部、背部、大腿、小腿等局部冷熱敏感部位[4,5]，設計迎面送風、面部雙側送風及頭腿送風三種末端送風形式。模型具體尺寸如下：

（1）房間：X×Y×Z=5.4m×3.4m×2.8m；

（2）回風口：0.4m×0.4m；

（3）送風口：7號風口為迎面送風，尺寸為1m×0.1m；8、9號風口為面部雙側送風，尺寸為0.5m×0.1m；8、10號風口為頭腿送風，尺寸為0.5m×0.1m；

（4）室內各熱源：人員結構簡化為四個長方體，分別有頭部、上身、大腿和小腿，尺寸（長×寬×高）分別為0.3m×0.1m×0.3m、0.4m×0.1m×0.45m、0.3m×0.3m×0.1m、0.3m×0.1m×0.45m；電腦尺寸（長×寬×高）為0.3m×0.3m×0.3m；日光燈（長×寬×高）尺寸為1.2m×0.15m×0.1m；打印機尺寸（長×寬×高）為1.0m×0.5m×0.5m。

圖1 辦公室隔板工位送風模型

1—日光燈；2—打印機；3—隔板；4—電腦；5工作面；6—人；7—送風口；8、9、10—送風口；11—回風口；12—南北負荷墻

其中，所有送風口距離人體表面0.55m，7、8、9號風口中心線距離室內地面1.3m，10號風口中心線距離室內地面0.4m（見圖2）。將圖1所示物理模型導入ICEM CFD中，創建part，并劃分六面體網格，總網格數為347413。

圖2 工位區風口位置圖

1.2 數學模型的簡化假設

本文采用標準-兩方程模型，并做如下假設[6]：

（1）室內氣流低速流動，可視為不可壓縮流體；

（2）整個流場處于穩定狀態；

（3）流體密度的變化僅對浮升力產生影響；

（4）送風口均不考慮送風百葉的影響[7]；

（5）壁面上速度無滑移，定熱流密度。

1.3 邊界條件及數值求解計算

邊界條件設置：送風口為速度進口，回風口為壓力出口。熱源表面為恒熱流，其中南北墻熱流為180W，人員熱流為90W，電腦熱流為60W，日光燈熱流為90W，打印機熱流為250W。流場計算采用Simple算法，選用一階迎風格式來離散湍動耗散率項、湍動能項、能量項以及動量項。迭代步數設為500。

1.4 模型驗證

圖3 隔板工位送風實驗測點布置圖

為確保模型和計算方法的準確性，本文采用盧昱等人[8]夏季單獨使用隔板工位送風的實驗數據進行驗證。該實驗的末端送風形式為迎面送風，送風溫度為20℃，送風速度為0.6m/s。針對此工況，本文對室內溫度及速度分布進行仿真，提取圖3各測點數據，對比模擬值和實測值，結果如圖4所示。

圖4 模擬值與實測值對比圖

圖4表明，溫度、速度的模擬值和實測值變化趨勢一致。其中溫度模擬值和實測值偏差最大的測點是13號，相差0.9℃，相對誤差為3.54％。速度模擬值和實測值偏差最大的測點是9號，相差0.08m/s，相對誤差為30.77%。溫度場的相對誤差比速度場高，主要原因在于模型中的風口沒有格柵，且假定空間流場為穩定狀態，而實驗空間流場存在波動。

盧昱等人[8]的實驗和模擬結果表明，溫度場相對誤差不超過6.87％，速度場偏差在0.15m/s以內，物理模型及計算方法是準確可靠的。本文溫度場和速度場偏差在此范圍內，且兩者模擬值和實測值基本吻合。由此表明，本文采用的物理模型及計算方法是準確可靠的。

1.5 模擬工況

以上分析證明了本研究所使用的模型是可靠的。本文將基于此模型，進一步研究迎面送風、面部雙側送風及頭腿送風對室內熱環境和人體熱舒適的影響。具體模擬工況如表1所示。

表1 模擬工況

2 模擬結果分析

2.1 速度分析

圖5 三種送風形式下Y=1.7平面速度分布圖

圖5是三種送風形式送風溫度為23℃，送風速度為0.6m/s時，=1.7m平面的速度分布。從該圖可以看出，末端送風形式不同，氣流速度分布不同；頭部和腿部送風氣流區風速最大，最大風速在0.22m/s左右，符合規范要求[9]，不會對人體產生吹風感；由于氣流卷吸作用，氣流速度會衰減，背景區風速均維持在0.12m/s以下。可見，若人體頭部風速符合規范要求，則可避免送風對人體吹風感。

三種送風形式下人體頭部風速如圖6所示，從該圖可以看出，風量增加，頭部風速增加；若要保證人體頭部風速不大于0.3m/s，則三種送風形式的送風量不宜超過270m3/h。

圖6 三種送風形式下人體頭部風速

2.2 溫度分析

《采暖空調制冷手冊》中規定，舒適性條件下，空調室內人體頭部到腳部之間的溫差應盡可能小，一般不超過1.5℃，最大不超過3℃。圖7是三種送風形式下人靜坐時人體溫差（人體頭部到腳部之間的溫差）變化圖。該圖表明，風量增加，人靜坐時人體溫差降低；迎面送風和頭腿送風在210m3/h～288m3/h風量范圍內，面部雙側送風在150m3/h～288m3/h風量范圍內，人體溫差小于3℃，滿足人體在工位區的舒適性。

圖7 三種送風形式下人靜坐時人體溫差

若要工位送風替代背景送風，則工位送風不僅要滿足人員在工位區的舒適性，而且要避免工位區與背景區溫差過大造成人體不舒適。為分析工位區與背景區的溫差，本文在人員前方工位區和人員后方背景區布置測點，取工位區和背景區各測點平均值。

圖8是三種送風形式工位區及背景區平均溫度變化圖。該圖表明，風量增加，工位區及背景區平均溫度降低，且溫度降低幅度變小；在整個風量范圍內，面部雙側送風工位區平均溫度和背景區平均溫度在三種送風形式中最低。其工位區平均溫度比迎面送風和頭腿送風低0.5℃以上，背景區平均溫度比迎面送風和頭腿送風低1℃以上。分析表明，面部雙側送風消除工位區和背景區余熱能力較強。

對于保證人體熱舒適的工位區與背景區溫差范圍，雖在現有規范中沒有明確規定，但端木琳等人通過熱舒適調查指出背景區溫度不應超過28℃，工位區與背景區溫差不宜超過2℃[10]。圖9顯示了三種送風形式工位區與背景區溫差變化。由圖8和圖9可知，在144m3/h～288m3/h整個風量范圍內，頭腿送風工位區與背景區溫差都超過2℃；在230m3/h～288m3/h風量范圍內，迎面送風和面部雙側送風工位區與背景區溫差小于2℃，且背景區溫度低于28℃。可見，三種送風形式中，僅迎面送風和面部雙側送風工位區與背景區溫差滿足人體舒適性要求。

圖9 三種送風形式下工位區與背景區溫度差

模擬結果分析表明，迎面送風和面部雙側送風可替代背景送風，其送風量宜在230m3/h～270m3/h之間。一般推薦辦公室夏季設計溫度為24℃～27℃[11]。考慮到節能因素，一定溫度下，供冷工況采用較小的送風量有利于節能。與迎面送風相比，面部雙側送風消除工位區和背景區余熱能力較強，較小送風量下就能達到室內溫度要求。因此，夏季單獨使用隔板工位送風宜采用面部雙側送風形式進行送風。

3 結論

在無背景送風條件下，本文對迎面送風、面部雙側送風及頭腿送風三種末端送風形式下室內熱環境和人體舒適性進行研究。得出以下結論：

（1）在144m3/h～288m3/h整個風量范圍內，三種送風形式中，僅迎面送風和面部雙側送風在230m3/h～270m3/h風量范圍內可替代背景送風。

（2）與迎面送風相比，面部雙側送風在較小送風量下就能達到室內溫度要求。考慮到空調節能因素，隔板工位送風宜采用面部雙側送風形式進行送風。

（3）在144m3/h～288m3/h整個風量范圍內，面部雙側送風工位區平均溫度比迎面送風和頭腿送風低0.5℃以上，背景區平均溫度比迎面送風和頭腿送風低1℃以上。分析表明，面部雙側送風消除工位區和背景區余熱能力較強。

[1] 高加加.辦公環境隔板式工位空調送風性能實驗研究及氣流組織數值模擬[D].上海:東華大學,2009.

[2] 沈翔昊.單獨使用隔板工位空調的送風參數和送風量計算研究[D].成都:西南交通大學,2011.

[3] 韓占忠,王敬,蘭小平.Fluent流體工程仿真計算實例與應用[M].北京:北京理工大學出版社,2004.

[4] Nunneley S A, et al. Head cooling in work and heat stress[J]. Aerospace medicine, 1970,42:64-68.

[5] Lijuan Wang, Yufei Tian, Jungsoo Kim, et al. The key local segments of human body for personalized heating and cooling[J]. Elsevier Ltd, 2019,81.

[6] 高加加,劉剛,李寶業.過渡季節隔板式工位空調房間氣流組織的數值模擬[J].能源研究與信息,2009,25(1): 22-27.

[7] 趙彬,李先庭,彥啟森.室內空氣流動數值模擬的風口模型綜述[J].暖通空調,2000,(5):33-37.

[8] 盧昱.辦公環境隔板式工位空調氣流組織數值模擬與送風系統的性能研究分析[D].上海:東華大學,2008.

[9] GB 50019-2003,采暖通風與空氣調節設計規范[S].北京:中國計劃出版社,2003.

[10] 端木琳.桌面工位空調系統室內熱環境與熱舒適性研究[D].大連:大連理工大學,2007.

[11] 陸亞俊,馬最良,鄒平華.暖通空調[M].北京:中國建筑工業出版社,2002.

Numerical Simulation Study on Airflow Distribution at the Partition-type Task Air Supply Terminal

Kong Peiting Wang Lijuan Zhang Kaige

( Xi'an Polytechnic University，School of Urban Planning and Municipal Engineering, Xi’an, 710048 )

Task air supply is usually combined with background air supply to eliminate residual heat in the room. This method will increase the investment and operating costs of the system. In order to solve this problem, this paper uses numerical simulation method to study the end-type air supply performance such as head-on air supply, face-side air supply, head-leg air supply, etc. in the task area, and attempts to replace the background air supply with task air supply. The research results show that the on-air supply and the double-sided supply can replace the background supply in the range of 230m3/h～270m3/h. Among them, the double-sided supply of the face eliminates the residual heat in the task area and the background area. The indoor temperature requirement can be reached under a small air volume; the head and leg air supply can’t replace the background air supply in the entire simulated air volume range of 144m3/h～288m3/h. The research results can provide a reference for the design of personalized environment.

task air supply; numerical simulation; air distribution

TU83

A

1671-6612（2021）01-046-05

孔培婷（1995.2-），女，在讀碩士研究生，E-mail：2693352772@qq.com

王麗娟（1984.3-），女，博士研究生，副教授，E-mail：643547601@qq.com

2020-07-02