方形散流器送风角度对室内热舒适度的影响

刘泽勤，李思泽，左珍君

（1.天津商业大学机械工程学院，天津 300134；2.天津市制冷技术重点实验室，天津 300134）

方形散流器送风角度对室内热舒适度的影响

刘泽勤1,2，李思泽1，左珍君1

（1.天津商业大学机械工程学院，天津 300134；2.天津市制冷技术重点实验室，天津 300134）

使用CFD数值模拟软件，进行数值模拟和分析，探索办公室建筑房间内方形散流器的送风角度对室内热舒适度的影响．采用温度不均匀系数、速度不均匀系数、空气分布特性指标ADPI和能量利用系数等作为人体热舒适度的综合评价指标．根据用户对工作区域的热环境要求，可合理选择不同角度的方形散流器：如对温度均匀性要求较高，应选择送风角度为50°；如对速度均匀性要求较高，应选择送风角度40°；如对热舒适性要求较高，应选择送风角度为30°～40°；如果对建筑节能效果要求较高，应选择送风角度为60°～70°．

送风角度；温度不均匀系数；速度不均匀系数；ADPI；能量利用系数

0 引言

随着社会经济的发展，人们对室内舒适度的控制要求越来越高，作为影响人体舒适度的主要因素，室内温度场和速度场已成为暖通空调专业学者们的研究内容之一，良好的室内气流组织是改善室内热环境的重要影响因素[1]．空调系统末端装置的方形散流器，以控制送风气流方向并均匀散流特性为主要特征，被广泛应用于室内空调系统[2]．散流器送风角度的不同会引起室内速度场的变化，进而对人体的热舒适性产生影响．

1974 年，丹麦的Nielsen P V[3]首次将CFD应用于空调工程，模拟室内空气流动情况，此后，国内外许多学者应用CFD模拟技术，模拟不同条件下室内环境的热舒适型，为CFD技术在暖通空调领域的应用提供了借鉴．应用CFD模拟技术，探索合理的气流分布，是确保室内达到最佳空气品质的前提与必要条件，对于建筑物而言，影响室内气流分布的主要因素是送风参数，而在实际空调工程中，送风口多采用方形散流器．目前对于方形散流器送风参数的研究，主要集中于送风温度与速度，对于送风角度对室内热舒适度的影响的研究还不是很广泛．本文通过使用CFD模拟软件，模拟分析办公建筑方形散流器送风角度的变化，对室内热舒适度和气流组织分布的影响，通过探索温度不均匀系数、速度不均匀系数、空气分布特性指标ADPI和能量利用系数等，对室内热环境进行综合评价．温度不均匀系数和速度不均匀系数分别反映了空调房间工作区的温度和速度分布的均匀程度．空气分布特性指标（ADPI）将空气温度、气流速度以及人的舒适感三者结合起来，充分反映了整个工作区的气流分布的优劣，是空调气流分布评估的唯一单个数据指标，由于大多数室内的舒适性空调辐射影响有限，且相对湿度在30%～70%范围内对人体影响不明显[4]，所以ADPI未考虑辐射以及相对湿度对人体舒适度的影响．因此，空气温度与风速对人体的综合作用，成为本课题研究的主要考虑因素，同时也用作供冷工况下，舒适性空调的评价指标[5]．

1 模型介绍

图1为1间典型办公室模型示意图，数值模拟边界条件将办公室几何尺寸设置为5 m×4 m×3 m．房间内所布置的热源为模拟人、模拟电脑、灯、桌子；办公室内设置4人，考虑到人在办公室内一般为坐姿，将人体简化为1.1 m高的圆柱体，单个人体发热量为130 W；室内有4组日光灯用于照明，每组2个日光灯，单个灯管发热量为36 W；办公室内配备4个电脑用于办公，单个电脑的发热量为108 W；室内所有的热源均设为面热源；送排风口位于天花板上，风口位置如图1所示，送风口尺寸为300 mm×300 mm，送风速度2 m/s，回风口尺寸为800 mm×400 mm；室内设计温度25℃，送风口送风温度20℃；建筑维护结构假设为绝热壁面．

2 数值模拟结果分析

图1 数值模拟办公室布置图Fig.1 Numerical simulation of office layout

通过使用CFX软件进行数值模拟计算，对使用不同角度的方形散流器的办公室空调进行数值模拟，模拟选取的送风角度如表1所示，文中选取距地面0.1 m、0.3 m、0.5 m、0.7 m、0.9 m、1.1 m、1.3 m、1.5 m水平平面进行分析，分析平面内的温度速度分布．

表1 送风角度表Tab.1 A ir supply angle

图2为送风角度30°时距地面1.1 m处的温度速度分布图，其中图2a）为温度分布图，图2b）为速度分布图．从图2a）可以看出，在该平面内，温度分布均匀，横向温差小．模拟计算得出，平面计算平均温度为25.296℃，设计温度为25℃，模拟计算结果与设计差距不大，图中人体与电脑周围温度较高，是由于人体和电脑被设为面热源，从而造成小部分区域出现温度偏高现象．由图3b）可以看出，在1.1m平面内，风速分布较为均匀，人体周围风速不超过0.3m/s，不会产生吹风感，模拟计算得出，平面内平均风速为0.076m/s，符合人体热舒适度要求．

图2 距地面1.1 m处的温度、速度分布图Fig.2 Temperature and velocity distribution from the ground 1.1 m

图3为在不同送风角度下，距地面不同高度的平面平均温度与速度分布图．从图3a）中可以看出，送风角度在10°～50°范围内，垂直方向温度梯度不断减小，在50°～90°范围内，温度梯度不断增大，送风角度为50°时，1.5 m以下区域的温度梯度最小，垂直温差在1°以内．同一送风角度下，随着高度的增加，面平均温度增大．送风角度为70°时，同一高度平面的平均温度最低．图3b）为在不同送风角度下，距地面不同高度的平面平均速度分布图．从图中可以看出，随着距地面高度的增加，平面平均速度增加，在垂直方向的速度差较小．随着送风角度的增大，同一高度平面内的平均速度增加．送风角度在10°～30 °的范围内，垂直方向的速度差增大，送风角度在30°～50°范围内，垂直方面的速度差减小，在50°时达到最小，60°～90°的范围内，垂直方向的速度差基本保持不变．距地面高为0.1 m的平面的平均速度随送风角度的变化比较明显．但总体风速都不高于0.35 m/s，符合人体热舒适度的要求．

图3 不同送风角度下的温度、速度分布图Fig.3 Temperature and velocity distribution under different w ind angles

3 室内热舒适度评价

为了对使用方形散流器的房间进行总体的室内热舒适度评价，寻找出最适合的方形散流器送风角度．在房间1.1 m以下的区域选取数据采集点，房间内数据采集点的选取如图4所示．测点距两边墙体的距离为500 mm，每隔500 mm选取一排测点，每排测点最低点距地100 mm，然后每隔100 mm向上取点，依次取10个测点．采用温度不均匀系数、速度不均匀系数、ADPI指标和能量利用系数对1.1 m以下区域内的热舒适度进行总体评价．

图4 办公室内测点的布置图Fig.4 Layout of measuring points in the office

3.1 不均匀系数

在室内各点，气流组织的表现形式为温度、风速均有不同程度的差异，这种差异用“不均匀系数”指标来评价．在工作区内选择n个测点，分别测得各点的温度和风速，求其算术平均值为[6]

则不均匀系数的定义为

式中速度不均匀系数ku和温度不均匀系数kt都是无量纲数．ku、kt的值越小，表示气流分布的均匀性越好．

图5为不同送风角度下1.1 m以下工作区域的温度不均匀系数和速度不均匀系数变化情况．从图5a）中可以看出送风角度在10°～50°的范围内，温度不均匀系数呈下降趋势，在50°～70°的送风角度范围内又呈上升趋势，70°～90°的送风角度范围内，温度不均匀系数又开始降低，送风角度为50°时，温度不均匀系数最小．单从温度不均匀系数方面来考虑，送风角度为50°时效果最好．

从图5b）中可以看出，速度不均匀系数随送风角度的增加，总体呈增大趋势，只有在送风角度为40°时，出现一个突降．单从速度不均匀系数方面考虑，送风角度为10°时效果最好，送风角度为20°和40°时，效果也很不错．

图5 温度、速度不均匀系数随送风角度的变化Fig.5 The variation of uneven temperature and velocity coefficient w ith w ind angles

3.2 空气分布特性指标ADPI

在舒适性空气调节中，可以用测点温度、风速作用的有效温度差值来评价人的舒适性[7]

式中：为综合温度；t1为测点温度；tn为室内设计温度，参照《天津市2010年节能减排工作实施方案》，取室内温度为25℃，温度单位均为℃；vi为测点风速，速度单位为m/s．

根据相关资料显示，在=1.7～1.1的范围内，多数人体感觉较为舒适[8]．ADPI值可通过下式确定[2]

根据相关资料显示，当ADPI＞80%时，可视为空调区处于热舒适状态[9]，即办公室工作区处于热舒适状态．

3.3 能量利用系数

能量利用系数又称温度效率（Temperature Efficiency），反映的是室内的温度梯度，表示了室内热力分层的特性．工作区的平均能量利用系数为[10]

式中：te为排风温度；tm为工作区空气平均温度；ts为送风温度．

对通风系统而言，能量利用系数越高，节能潜力也越大，但同时也会导致室内较大的温度梯度，从而影响热舒适度，进而影响室内空气品质[11]．本次模拟实验，通过选取的工作区测点和排风测点，计算出该办公室能量利用系数，以此判断系统所具有的节能效果[12]．图6为ADPI值和能量利用系数随送风角度的变化情况图．其中，图6a）表示ADPI值随送风角度的变化情况．从图中可以看出，送风角度在20°～50°的范围内时，方形散流器送风基本能够保证工作区域内人体热舒适性的要求．送风角度为30°和40°时，工作区域内的人体热舒适性效果最好，送风角度为80°时，工作区域内的人体热舒适性效果最差．从人体热舒适性方面考虑，送风角度选择30°～40°范围内时效果最好．

图6b）表示能量利用系数随送风角度的变化情况．从图中可以看出，送风角度在10°～70°的范围内，能量利用系数都比较高，且都大于1，都具有很好的节能效果，送风角度为60°时的能量利用系数最高，节能效果最好．送风角度为80°和90°时的能量利用系数很低，且都低于0.5，不节能．从节能方面考虑，送风角度选择60°时，节能效果最为明显．

4 结论

通过上述的模拟研究发现，使用方形散流器对办公室进行空调制冷时，从不同的方面考虑，其最佳送风角度都有所不同．因此，在一般办公建筑内使用方形散流器作为空调的送风口时，应根据不同的使用要求，合理选择不同角度的方形散流器．如果对室内工作区内的温度均匀性要求较高，应选择送风角度为50°方形散流器；如果对室内工作区内的速度均匀性要求较高，应选择送风角度为40°方形散流器；如果对室内工作区内的热舒适性要求较高，应选择送风角度为30°～40°的方形散流器；如果对建筑节能效果要求较高，应选择送风角度为60°～70°的方形散流器．本课题的模拟实验研究，为方形散流器的工程设计选择提供了技术支持．

[1]Liu Z Q，Li G，Zheng C X．The simulation and calculation of indoor thermal environment and the PPD evaluation index affected by three typical air-conditioning supply modes[J]．HVAC&R Research，2014，20（3）：344-350．

[2]杨国荣，叶大法．采用ADPI方法选择变风量系统送风散流器[J].制冷空调与电力机械，2009，30（2）：1-7．

[3]Nielsen P V．Flow in air conditioned rooms（English Translation）[D]．Copenhagen：Technical University of Denmark，1976．

[4]范存养．大空间建筑空调设计与工程实录[M]．北京：中国建筑工业出版社，2001．

[5]ASHRAE．ASHRAE handbook-fundamentals[M]．A tlanta：American Society of Heating,Refrigerating and Air-Conditioning Engineers Inc，1997：15．

[6]李先庭，赵彬著．室内空气流动数值模拟[M]．北京：机械工业出版社，2009．

[7]臧效罡，赵树兴，李文杰．应用ADPI与PMV评价热舒适性的比较分析[J]．山西建筑，2010，36（33）：174-175．

[8]ASHARE Standard 55，Thermal environmental conditions for human occupancy[S]．ASHRAE，2004．

[9]张东生，彭彪．低温送风室内气流组织模拟及热舒适评价[J]．建筑热能通风空调，2007，26（6）：70-73．

[10]Grossman S，Hart O．The costs and benefits of ownership：a theory of vertical and lateral integration[J]．Journal of Political Economy，1986，94（4）：691-719．

[11]叶必朝．组合通风系统的实验与仿真研究[M]．青岛：青岛理工大学，2005．

[12]HART O．Firm s，contracts，and financial structure[M]．Oxford：Oxford University Press，1995．

The effect of square diffuser angle on indoor thermal com fort

LIU Zeqin1,2，LI Size1，ZUO Zhenjun1

(1.College of M echanical Engineering,Tianjin University of Commerce,Tianjin 300314,China;2.Key Laboratory of Tianjin Refrigeration Technology,Tianjin 300314,China)

To evaluate the human thermal com fort of different working area under the condition of different w ind angle square,the simulation of office building room using different wind angle square diffuser was proposed based on the CFD numerical simulation software.The evaluation of human thermal com fort index w as focused on the indoor thermal com fort,uneven tem perature coefficient,velocity asymmetry coefficient,air distribution performance index ADPI and energy using coefficient.As the tem perature uniform ity requirements are higher,the air supp ly angle should be 50 degrees;as the velocity uniform ity requirements are higher,the air supply angle of should be 40 degrees;as the higher requirements on thermal com fort,the air supply angle should be 30 to 40 degrees;as the higher requirement on the construction of energy-saving effect,the air supply angle should be 60 to 70 degrees.

wind angle;uneven temperature coefficient;velocity asymmetry coefficient;ADPI;energy utilization coefficient

TU831

A

1007-2373(2015)06-0058-05

10.14081/j.cnki.hgdxb.2015.06.011

2015-07-24

天津市自然科学基金（13JCZDJC27400）；天津市高等学校科技发展基金（20120910）

刘泽勤（1961-），男（汉族），教授，博士，liuzq@tjcu.edu.cn．

数字出版日期：2015-11-18数字出版网址：http://www.cnki.net/kcms/detail/13.1208.T.20151118.1054.010.htm l