辦公建筑碰撞射流通風室內熱環境特征研究

葉梅 陳童 鐘珂

1 中國海誠工程科技股份有限公司

2 東華大學環境科學與工程學院

0 引言

碰撞射流通風系統（Impinging Jet Ventilation,IJV）作為一種新型通風方式在過去十年間受到廣泛關注[1-2]。IJV 系統中，新鮮空氣由房間下部噴口高動量送出，垂直撞擊地板，在地板上形成薄空氣層后逐漸擴散[1]，供暖時可以克服了混合通風（Mixing Ventilation,MV）溫度分布下冷上熱的缺點[2]，供冷時具有與置換通風（Displacement Ventilation,DV）相近的溫度分層特征。Karimipanah 等[3]通過實驗和 CFD 模擬比較了IJV 和DV 系統的通風性能，結果表明，IJV 和 DV 室內通風氣流流態相似，但 IJV 系統具有更高的通風效率和更均勻的速度分布。Chen 等[4]主要運用CFD 數值模擬并加以實驗驗證，研究了 IJV 等溫和供冷時的氣流流動特性，并通過改變多項送風參數，評估了主要送風參數對室內熱舒適性的影響。

辦公建筑是人員長時間工作和活動的重點區域，目前我國辦公建筑空調通風方式通常采用 MV 來滿足區域內人員的舒適性需求，在供冷、供暖兩用模式下，MV 難以有效平衡辦公建筑中人員舒適性和空調系統節能降耗的目標[5]。因此，辦公建筑可作為 IJV 系統用于實際建筑的典型研究案例。值得注意的是，現今辦公建筑IJV 系統熱環境特征尚無人涉及，為此本文將針對于辦公建筑IJV 系統的室內溫度分布，熱舒適性和能耗等熱環境特征展開研究，為 IJV 系統推廣與應用進一步提供研究基礎和科學依據。

1 計算模型和研究方法

1.1 計算模型及邊界條件

辦公建筑空間布局如圖 1 所示，相鄰柱網空間內的空調送，回風口分布方式和位置相同。考慮到建筑的對稱性，選取一半柱距單位作為研究空間。

圖1 物理模型平面圖

物理模型幾何尺寸為長（x）× 寬（y）× 高（z）=4.5 m× 9 m× 3.9 m，碰撞射流送風管緊貼建筑結構柱布置。送風口尺寸為0.3 m× 0.3 m，距離地面高度0.3 m。回風口尺寸為0.3 m× 0.3 m，位于室內頂棚后方正中央。外窗尺寸為寬× 高=3 m× 2.1 m，位于南外墻，外窗的上下沿各設立了寬為0.06 m 的窗縫。模型房間內設有8 個坐姿狀態的人（0.4 m× 0.4 m× 1.1 m）、8 臺電腦（0.4 m× 0.5 m× 0.5 m）和 4 張辦公桌（1.6 m× 1.2 m）用于模擬辦公室內人員、設備等熱源的散熱過程，房間內熱源具體布置如圖2 所示。人體和電腦散熱量分別為60 W/人、100 W/臺，均采用熱流密度作為邊界條件。研究空間除南墻外其余3 面設為對稱面，所有壁面均設置為無滑移。

圖2 辦公建筑IJV 風口及熱源布置

本文假設供冷房間內空氣為三維連續不可壓縮流體，計算過程中認為流體屬性不變。湍流模型選用RNGk-ε模型，采用二階迎風格式對離散方程進行離散化，SIMPLE 算法用于求解離散方程。考慮到室內空氣受到由溫差引起的浮力影響，空氣密度采用Boussinesq 近似。送、回風口分別定義為 velocity-inlet和outflow，以保證進、出口質量流量相等。

本文選取上海作為計算模型的位置地點，查閱文獻計算得，南 外墻壁面熱流密度為 7.81 W/m2，室 內設計溫度Tr=26 ℃。空氣通過窗戶縫隙進入或流出房間滲透熱量，受到風速和溫度引起的壓力影響，上下窗縫入口設置為 velocity-inlet，滲透速度為 0.036 m/s，溫度為室外溫度34.6 ℃。

1.2 研究方法

通風系統中送風參數變化會對室內熱環境和人員舒適性產生重要影響，送風參數主要包含送風速度和送風溫度兩部分，送風速度控制了送風氣流所受慣性力的大小，而送風溫差決定了送風氣流所受浮力的大小。慣性力和熱浮力對送風氣流的綜合作用效果可以通過浮力射流長度尺度l m 直接表現[6]，l m 定義式如下：

式中：M和B分別為送風動量通量和浮力通量；Q為送風口單位長度的體積流量，m3/ s；S為送風口面積，m2；g為重力加速度，m/s2。

本文根據通風房間層高H，引入無量綱化熱長度尺度Lm，其定義式為：

本文取6 種不同Lm工況進行模擬，分別為 1.73、1.56、1.22、1.07、0.9、0.76，6 種工況下均保證了 2.0 m高度工作區達到相同的舒適溫度（26.0± 0.5 ℃），模擬時各送風參數組合詳細見表1。

表1 不同送風參數組合匯總表

本文選取人員附近典型位置用于分析室內熱舒適性特征。圖3 所示為結果與分析中所取的典型位置示意，其中有靠近風口位置點，遠離風口位置點和房間中心位置點。三條取樣線均以送風口為起點，處于0.1 m 高度平面，分別為：沿 x 方向的取樣線 1，沿 45°方向的取樣線2 和沿y 方向的取樣線3。

圖3 典型位置選取示意

2 研究結果與分析

2.1 送風參數變化對室內溫度和流線分布的影響

圖4 所示為不同Lm工況下穿過人體模型中心的室內溫度和流線分布。從圖4 可以看出，Lm=1.56 時，送風慣性力占據主導作用，送風氣流保留了足夠的動量達到房間頂部，室內溫度分布均勻。當Lm=1.22 時，南墻加熱附近空氣形成的熱氣流上浮至房間上半區，室內開始形成一定程度的溫度分層。當Lm下降到 0.9時，室內已形成穩定的溫度分層，南墻得熱對室內溫度分布影響較小，熱量在房間上部排風區聚集，上下部空間形成了獨立的渦流區，且存在明顯垂直溫差。當Lm繼續減小至0.76，室內溫度分層現象更加明顯，工作區溫度降低，排風區溫度繼續升高，上下部空間的垂直溫差逐漸增大。總體上看，送風參數變化（即Lm下降），室內溫度分布存在從均勻分布到溫度分層的變化過程，且Lm越小，室內通風效果越接近 DV。

圖5 給出了不同Lm工況室內沿無量綱高度方向的垂直溫差和速度分布。從圖5 可以看出，室內垂直溫差整體上隨著的Lm降低而增大，當Lm為 1.73 和1.56 時，因送風速度較大，全室渦流存在，室內垂直溫差較小，伴隨Lm的逐漸降低，室內溫度分層效果深入，垂直溫差顯著增加。速度分布中各Lm工況表現出高度的一致性，在近地面處速度分布相對較高，并隨著高度上升迅速衰減，而近地面高速度分布易造成人員腳踝和小腿處的吹風感。因此，近地面處人員吹風感是本文室內人員熱舒適討論的重點。

圖5 不同Lm 工況下室內的垂直溫差和速度分布

2.2 送風參數變化對近地面處人員吹風感的影響

本文選取室內典型位置和0.1 m 高度平面分析送風參數變化對人員吹風感的影響。引入 Fanger 等[7]提出的 PD 模型，預測因吹風感而引起人員不舒適度，PD 計算式如下：

式中：PD 表示由于吹風引起房間人員的不滿意率，%；T為室內溫度，℃；Tcl為服裝表面溫度，取 34 ℃；V為室內空氣氣流速度，m/s；Tu為紊流強度，%，ASHRAE55-2017標準規定：室內人員無明顯吹風感時PD 值不應超過20%。

圖7 所示為室內人員附近典型位置的PD 垂直分布。從圖6 可以發現，室內遠離風口位置和中心位置在近地面處PD 值相對較高，并隨著高度上升逐漸減小，高Lm工況下 PD 表現較高，但各工況的室內整體吹風感均滿足要求。對于靠近風口位置，室內整體空間 PD 較小，和遠離風口位置、中心位置表現一致；而在近地面處，各工況 PD 均小幅度超過 20%，超出ASHRAE55-2017 標準規定范圍，可能對送風口附近人員腳踝造成一定程度的吹風感影響。

圖6 人員附近典型位置的PD 垂直分布

圖7 給出了0.1 m 高度平面（即腳踝高度）三種取樣方向PD 值與送風口距離的變化情況。從圖 7 中可以看出，沿x方向上，與送風口距離相同位置處，PD 隨著Lm的減小而降低。所有工況在靠近風口附近PD 值均較高，人員腳踝處吹風感強烈，而 PD 值隨著與送風口距離的增大而快速減小，約在 0.8 m（Lm=0.76）～1.8 m（Lm=1.73）處滿足標準要求。在人員辦公的45°方向上，不同Lm工況的 PD 變化趨勢相同，約在距離送風口1.2 m 處開始顯著降低，所有工況下辦公人員活動區附近的PD 值均小于 20%，滿足標準要求。此外，對于沿y方向，因IJV 兩側風口對稱布置，在距離風口方向上PD 值呈對稱性分布。Lm從1.73 減小至0.76 時，PD分布小于20%的送風口距離從3.5 m 下降到 1.8 m，明顯高于PD 值沿x方向上的分布。因此，為滿足辦公建筑室內人員舒適性需求，人員工位應避免正對 IJV 送風口布置，且盡量保證1.2 m 以上的送風口距離。

圖7 三種取樣方向PD 值與送風口距離的變化情況

2.3 送風參數變化對通風能量利用率的影響

圖8 所示為6 種Lm工況下室內整體空間、排風和1.8 m 以下工作空間的平均溫度。可以看出，室內冷負荷相同時，不同Lm工況的全室整體空間平均溫度基本一致；隨著Lm的不斷減小，室內垂直溫度從均勻分布到逐漸形成溫度分層，且Lm越小分層效果更加明顯，導致了室內余熱在排風區聚集，表現為排風溫度逐漸升高，而 1.8 m 工作區以下空間的平均溫度不斷降低。

圖8 不同空間位置的平均溫度比較

本文利用能量利用系數η分析 IJV 系統能量利用的有效性，計算式如下：

式中：te為排風溫度；ts為送風溫度；toz則為工作區平均溫度。

圖9 所示為 IJV 能量利用系數η隨著Lm的變化趨勢。可以看出，η隨著的Lm增大而減小，當Lm=0.76時，室內因溫度分層存在，通風能量利用率較高，達1.76。而Lm增大至1.73 時，因室內垂直溫度分布均勻，η顯著降低，僅為1.1。此外，η的擬合公式R2達0.979，擬合精度高，可用于預測不同送風參數工況下辦公建筑IJV 系統的能量利用效率。

圖9 能量利用率η 隨Lm 的變化趨勢

3 結論

辦公建筑可作為 IJV 系統用于實際建筑的典型研究案例。本文利用數值模擬的方法研究了辦公建筑IJV 系統的室內溫度分布，熱舒適性和能耗等熱環境特征。主要結論如下：

1）送風參數Lm從1.73 減小至0.76，I JV 室內溫度分布存在從均勻分布到溫度分層的變化過程，且Lm越小，溫度分層現象更加明顯，工作區溫度降低，排風區溫度升高，上下層的垂直溫差逐漸增大，室內通風效果越接近DV。

2）不同Lm工況下室內人員活動區 0.1 m 腳踝高度處的PD 值均小于20%，滿足舒適性要求。IJV 送風口附近人員具有較強吹風感，人員工位布置應避免正對IJV 送風口，且盡量保證1.2 m 以上的送風口距離。

3）I JV 室內形成溫度分層可顯著提高系統能量利用率，能量利用系數η隨著的Lm增大而減小，當Lm=0.76 時，通風能量利用率較高，達 1.76；Lm增大至 1.73時，η僅為1.1。建立了η的擬合公式，可用于評估不同送風參數下辦公建筑IJV 系統的節能潛力。