工位送風技術節能應用研究
——以夏熱冬冷地區某辦公建筑為例

鐘輝智 劉聯華 周 航

（中國建筑西南設計研究院 成都 610042）

0 引言

通風空調系統節能對降低建筑能耗和減少碳排放有著舉足輕重的意義。因此，應用一種既節能又能滿足人員舒適需求的空調系統，對凈零能耗建筑的設計十分關鍵。

工位通風是在理論上能夠實現熱舒適的同時又節約能源的一種通風方式，通過改變局部熱環境從而滿足人員舒適性的要求[1]。Antoun 等研究了輻射不對稱時個性化吊頂送風系統的性能，發現吊頂個性化送風系統與混合通風相比可以節能36%[2]。Faulkner 等人對桌面個性化工位送風系統的通風效率進行了研究，結果表明個性化工位通風具有節能的潛力[3]。

此外，人員可以通過對各自工位送風系統的送風參數進行調節，實現對工作區微環境溫度、風速、濕度等參數進行控制，滿足自身熱舒適需求[4]。楊建榮等人研究了風速、風溫等送風參數對局部熱環境和空氣品質的影響，并通過實驗對送風效果進行了分析[5]。Habchi 等從熱舒適和空氣品質方面，研究了臺式扇或座椅扇輔助的頂棚個性化送風系統的性能[6]。Kaczmarczyk 等對比研究了個性化送風與混合送風系統，發現個性化送風系統能夠提高空氣品質并降低建筑綜合癥[7]。

基于此，本設計針對不同氣流組織形式下，人員工作區的熱舒適和節能效果進行研究，對個性化工位送風系統在工程實際中的應用潛力進行探討。提出了一種多出風裝置射流耦合的工位送風裝置，對送風系統裝置的有效性進行了優化，并對送風效果和耗冷量進行了橫向比較。

1 工程概況及研究內容

辦公樓項目位于成都市天府新區核心區興隆湖北側，項目地塊南側距興隆湖水面直線距離約200 米，周邊環境良好，建筑面積為2079.26m2，建筑類型為辦公建筑。項目設計目標為凈零能耗建筑，預期實現采暖和空調能耗≤40kWh/(m2·a)。

2 評價指標

為對比不同氣流組織形式下，人員工作區的熱舒適性，對人員工作區的溫度和速度進行分析，并引入有效吹風溫度、氣流分布特性指標ADPI 作為評價指標[8]。有效吹風溫度公式如下：

式中，θ為有效溫度差；ti為工作區某點溫度，℃；tn為室內平均溫度，℃；ui為工作區某點的風速，m/s。

對于辦公室，當θ為-1.7～1.1 溫度，ui＜0.35m/s 以下的范圍，大多數人感覺是舒適的，小于下限值有冷吹風感，大于上限值有熱吹風感。氣流分布特性指標ADPI 為滿足有效吹風溫度要求的點占總點數的百分比，其公式為：

3 數值模擬及計算

本設計通過選定傳統氣流組織形式中典型的上送下回，與個性化工位送風進行對比，考慮不同氣流組織形式人員工作區溫度、風速等環境參數的差異，確定不同氣流組織形式對人員熱舒適的影響。

本設計采用CFD 數值模擬來對不同氣流組織形式時，人員工作區的溫度、風速場，利用ANSYS Fluent 19.2 進行計算。模型選用為6m×6m×3m 房間，上送下回出風口距地面高度3m，出風口尺寸為0.2m×0.1m，出風風速為0.5m/s，風量滿足GB 50736-2012《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》要求，設定出風溫度為26℃[9]。考慮人員散熱、計算機及顯示屏散熱，將人員設為定壁溫邊界條件，溫度設為36℃。計算機及顯示器散熱，設為定熱流密度邊界條件，熱流密度為50W/m2。出風口尺寸為0.2m×0.1m，設置在房間底部距地面高度為0.3m 處。模型采用非結構網格劃分，在保證計算精度的前提下，對出風口和人員工作區平面進行了局部加密，劃分結果如圖1所示。

圖1 上送下回模型及網格劃分Fig.1 Up-and-down model and meshing

k-εStandard 模型是湍流問題中常用的模型，具有計算穩定性好、求解精度高、適用范圍廣等優點，在現有的氣流組織研究中被大量應用[10]。因此，本研究湍流模型選擇k-εStandard 模型作為計算模型，模型網格數為1930K。

個性化工位送風分為兩個方案，方案一是在上送下回形式的基礎上，加入了兩個工位送風裝置，風口面積為0.05m×0.05m，個性化工位送風口的出風風速為0.5m/s，出風溫度為24℃。此時上送風口的出風風速為0.5m/s，出風溫度為28℃。其他物理模型設置條件與上送下回形式保持一致。保證網格數仍為1930K，選擇k-εStandard 模型作為計算模型，模擬參數設置與上送下回模擬相同。方案二是在上送下回形式的基礎上，加入了一個工位送風裝置，風口面積為0.1m×0.05m，其他參數設置與方案一相同。

圖2 上送下回+個性化工位送風模型及網格劃分Fig.2 Up-and-down+personalized task air supply model and meshing

4 結果與討論

4.1 不同氣流組織形式工作區速度場分析

工作區風速是決定人員熱舒適的關鍵環境參數，風速過大會導致人員出現吹風感，極大的影響人員熱舒適。所以本節對不同氣流組織形式下人員工作區的速度場進行分析對比。

選取人前方0.1m 處作為特征面，對不同氣流組織形式下人員工作區的速度場進行分析對比。對于上送下回氣流組織形式，由于出風口距離工作區較遠，且受到人員阻礙，工作區平均風速接近為零。方案一的個性化工位送風裝置，可以實現工作區有風，且工作區風速較小，不會影響人員出現吹風感。對于方案二的個性化工位送風裝置，工作區流場均勻性較差，影響人員熱舒適。

圖3 不同氣流組織形式工作區速度場Fig.3 Velocity field in working area with different air distribution

4.2 不同氣流組織形式工作區溫度場分析

工作區溫度直接影響人員熱舒適，所以本節對不同氣流組織形式下人員工作區的溫度場進行分析對比。

選取人前方0.1m 處作為特征面，對不同氣流組織形式下人員工作區的溫度場進行分析對比。對于上送下回氣流組織形式，由于人員及設備散熱，且工作區處于無風狀態，難以帶走熱量，工作區平均溫度為30.2℃。

采用方案一的個性化工位送風裝置，工作區溫度可以降低1.5℃，工作區平均溫度降低為28.5℃。對于方案二的個性化工位送風裝置，工作區平均溫度可降低1℃，降低至29℃。

圖4 不同氣流組織形式工作區溫度場Fig.4 Temperature field in working area with different air distribution

4.3 有效吹風溫度θ及ADPI 分析

表1 不同氣流組織形式有效吹風溫度θ及ADPI 對比Table 1 Comparison of effective draft temperature θ and ADPI with different air distribution

為了進一步分析不同氣流組織形式下人員的熱舒適，本節針對不同氣流組織形式下人員工作區的有效吹風溫度和ADPI 進行分析。

通過公式（1）計算不同氣流組織有效吹風溫度再取絕對值后平均，計算得方案一平均有效吹風溫度最低，且ADPI 值最高為1，滿足ADPI≥80%的要求。基于此，選定方案一作為工位送風技術設計方案。

對方案一的個性化工位送風裝置出風風速進行優化，設定出風風速為0.3m/s、0.5m/s、0.8m/s、1.0m/s、1.5m/s。考慮不同風速下人員工作區的有效吹風溫度θ平均值及ADPI，調節個性化工位送風裝置出風風速。

從圖5 可知，不同出風風速下，ADPI 的值均為1，而針對有效吹風溫度，出風風速為0.3m/s 時最低。在綜合考慮人員工作區熱舒適及耗冷量的基礎上，確定個性化工位送風裝置的出風風速為0.3m/s。

圖5 不同出風風速下工作區的有效吹風溫度θ及ADPIFig.5 Effective draft temperature θ and ADPI in working area at different air supply velocity

4.4 不同氣流組織形式的耗冷量

對不同氣流組織耗冷量分析，主要針對于送風處理到指定溫度參數下所需的冷量進行比較[11]。計算公式如下：

式中，c為空氣的比熱容，當t=30℃時，c=1.01kJ/kg·℃；ρ為空氣的密度，當t=30℃時，ρ=1.165kg/m3；v為風口出風速度，m/s；s為風口面積，m2；Δt為送風溫度與室內溫度的溫差，℃。

從表2 可知，上送下回形式送風溫差較大為4℃，出風風速為0.5m/s。對于方案一的個性化工位送風形式，上送風的溫差較小，為2℃，出風風速為0.5m/s；個性化送風的溫差較大，為6℃，出風風速為0.3m/s。相較于只采用上送下回形式，采用方案一的個性化工位送風形式的風口耗冷量更低，可降低約27.6%。

表2 不同氣流組織形式耗冷量對比Table 2 Comparison of cooling consumption with different air distribution

5 結論

不同氣流組織形式下，人員工作區環境參數有較大差異。采用上送下回形式，工作區接近無風，人員散發的熱量及設備產熱無法帶走，工作溫度相較于房間初始環境溫度提高了0.2℃，達到了30.2℃，難以滿足人員熱舒適需求。

應用方案一的個性化送風裝置時，可以實現工作區有風且風速較小，不會影響人員出現吹風感，工作區溫度可以降低1.5℃，平均溫度為28.5℃。方案二的個性化工位送風裝置，工作區流場均勻性較差，影響人員熱舒適，工作區平均溫度降低1℃，降低至29℃。

方案一的工位送風裝置，可以較好的滿足人員熱舒適需求，降低人員工作區溫度。對方案一裝置的出風風速進行優化后，可以在滿足人員熱舒適需求的基礎上，同時實現節約耗冷量27.6%。也可以進一步調節個性化送風的送風參數，滿足不同熱舒適需求的人群。

本設計通過引入吹風溫度和ADPI 指標等評價指標，對不同氣流組織形式下人員工作區的熱舒適和節能效果進行研究，為之后工位送風技術在工程實際設計中的應用提供參考。