空调工况下空气柱送风仿真模拟与舒适度评价

张国兵 程海峰 张洋 张举

1安徽建筑大学环境与能源工程学院

2建筑能效控制与评估教育部工程研究中心

3智能建筑与建筑节能安徽省重点实验室

合理气流组织使室内空气温度、流速、湿度等能更好的满足工艺要求，符合人们的舒适感觉[1-2]。目前，大空间气流组织形式有置换型和稀释型[3]，应用最为广泛的空调系统为分层空调系统[4]。针对大空间下的室内气流组织及热舒适性研究较少。本文提出空气柱送风方式，其具有布置便利、施工方便、送风直接进入工作区，无冷量耗散，节省初投资及运行能耗等优点。通过对该送风方式气流组织模拟及温度场，速度场，空气龄，PMV与PDD等热舒适指标分析，为今后更好地进行大空间内空气柱送风气流组织设计提供参考。

1 研究对象描述

本文所模拟的对象为夏季某大空间，房间尺寸为21 m×21 m×4.5 m。该模型房间采用空气柱送风方式，送风温度为18 ℃，送风速度为3 m/s，柱高2 m，回风风速为1.5 m/s，回风温度为26 ℃，送回风相对湿度为60%，风量为11400 m3/h。房间壁面温度取合肥地区室外计算干球温度值为35 ℃，地面温度设定为28 ℃。

2 数值模型建立及模拟方法

2.1 数学模型的建立

在模型建立过程中，运用Airpak自带的功能模块，根据房间实际尺寸建立等比例模型，具体模型如图1。

图1 空调房间物理模型

2.2 模拟方法

2.2.1 边界条件设置

整个模型边界条件的设置直接影响模拟结果的好坏，具体边界条件设置如下：

1）模型房间壁面。模型房间壁面温度选取合肥地区夏季室外计算干球温度35 ℃，左右、前后、上壁面温度设定为35 ℃。下璧面温度设定为28 ℃。在换热方面，壁面综合换热系数取1.85W/(m2·K)。对于舒适性研究而言，人员服装热阻取0.5clo。

2）空气柱。矩形，空气柱外有一个1.3 m×1.3 m×0.6 m矩形套筒，回风口位于套筒四周距地面0.15 m处，送风口位于空气柱四侧，距地面1.5 m，壁面可以看成绝热。具体详细边界条件汇总如表1所示。

表1 模拟边界条件参数

2.2.2 模型选取与简化

在 Airpak模型选择面板中，选用湍流Two-equation方程模型。虽然模型按照实际情况建立，但是空调房间内气体流动较为复杂与模拟存在一定差别。为了缩小模拟与现实之间的差距，需对模型进行简化和近似，并做以下假设：

1）空调房间空气为不可压缩流体，满足Bossinesq假设。

2）空调房间空气为稳定湍流流动。

3）忽略空调房间通过门缝漏风影响，该房间为密闭状态，避免漏风对空调房间内空气流动造成影响。

4）忽略流体粘性力的存在，流体做定常流动。

2.2.3 网格划分

本次模拟根据实际情况选取的是六面体非机构网格划分，对21 m×21 m×4.5 m的空调房间在X、Y、Z三个方向上的网格最大尺寸分别为0.2、0.2、0.3。此外，为了提高网格划分精度，对送回风口分别进行局部5×5、12×4加密，其余保持默认。该房间最终生成337866个网格，358610个节点。网格划分图示如图2：

图2 房间网格分布

从图3中，可以从本次模拟所生成的网格的表面对其率与单元纵横比两个指标来看，两个指标都无限接近1，网格划分质量较好。

图3 网格表面对其率与网格单元纵横比值分布图

3 区域最佳送风参数与舒适性研究

3.1 夏季工况舒适区最佳送风参数

为了确定一定区域是否为舒适区，可以用空气分布特性指标（ADPI）来判断。空气分布特性指标最早是由Nevins与Ward提出[5]，是指区域内满足规定风速与温度要求的测点数与总点数的比值。如果从舒适性角度来考虑，当区域内相对湿度在30%～70%内变化时，人体舒适性波动很小[6]。此时可以忽略湿度对舒适度的影响，主要考虑环境空气温度和空气流速对人体的影响[5]。根据大量实验结果分析得出有效温差的关系式如下：

式中：EDT(θ)为有效温度差，℃；Tj为工作区内某点的空气温度值，℃；Tn为室内平均温度值，℃；Vj为工作区内某点的速度值，m/s。

当-1.7＜EDT(θ)＜1.1，区域内Vj≤0.35 m/s[7]，可以认为人员在该区域内会感觉到舒适。此时ADPI表达式如下：

式中：N0为-1.7＜EDT(θ)＜1.1的点数；N为总点数。

当区域内的ADPI≥80%时，则可以认为该区域为舒适区。

对于空气柱送风方式下，为了使人员所在区域为舒适区域，该区域划定为空调房间四侧距墙0.5 m，高度在0.1～1.8 m的区域。为了满足该区域为舒适区域，根据《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》GB50736-2012要求[8]，夏季舒适性空调室内设计参数，温度在24～28 ℃之间，选取送风温差为8 ℃，即16 ℃、18 ℃、20 ℃，送风速度取2 m/s、3 m/s、4 m/s，柱高取2 m、2.2 m、2.5 m，将送风温度、流速、柱高组合，得出27种工况，去除不满足要求的工况，从而确定满足舒适区的送风参数，具体模拟工况如表2。

表2 满足要求模拟工况

对模型房间测点进行布置，水平方向上，距四侧墙面0.5 m处，相邻每个测点间距2 m。垂直方向上，在每个水平测点处0.1 m、0.7 m、1.1 m、1.8 m高度处布置测点，去除空气柱正中央且不同高度的4测点，总测点数为480个，具体测点布置如图4。

图4 区域测点布置图

针对表2中6组满足要求的工况，运用Airpak自带的point功能，读取每个工况下每个测点的温度、流速值，计算每个测点有效温差，确定区域内满足要求的测点数，计算该区域内ADPI值，判定该区域是否为舒适区，具体数据如表3。

表3 对应工况数据表

从表2、3可以看出，以上6种工况下区域内ADPI值都大于80%，满足一定区域为舒适区的要求。工况2区域内ADPI值最小，为81%，工况4区域内ADPI值最大，为84%，是最令人满意的工况。结合表2、3可以看出，在空气柱送风方式下，满足一定区域为舒适区的送风参数区间可取：送风温度为18 ℃、20 ℃时，风速为3 m/s，空气柱高度为2～2.5 m。在以上送风参数下，可满足单柱舒适区大小为21 m×21 m×1.7 m。

3.2 模拟结果与云图分析

在对整个模型进行计算之后，先从粒子运动轨迹，再选取人员静坐高度Z=1.1 m截面，对温度场，速度场，空气龄，PMV与PDD进行分析，从而判定该送风方式下室内是否舒适。

1）空气粒子运动轨迹从图5可以看出，经过处理的空气从四侧送风口送出，在初速度作用下，沿着水平方向送出，由于射流的衰减特性，最终送风吹向地面。四面墙体阻碍了空气流动，吹向地面的风在房间内形成了涡流，涡流中的一部分空气从回风口流出，室内具有良好的空气流动。

图5 空气粒子运动轨迹图

2）温度场分析

从图6可以看出，当送风温度为18 ℃时，空气射流到Z=1.1 m截面与室内空气混合，整个截面平均温度为24.9 ℃，满足人员在室内舒适性要求。该截面颜色分布呈现对称特性，四侧呈现较为深的蓝色区域，温度在24 ℃左右，这是由于送风在初速度以及冷空气下沉作用下，出风吹向地面过程还未与室内空气完全充分混合，故出现四侧温度相对较低的深蓝区域。

图6 Z=1.1 m截面温度场分布图

图7 Z=1.1 m截面速度矢量图

3）速度场分析

从图7可以看出，当送风速度为3 m/s时，整个截面速度分层明显，颜色越深代表流速越大，截面四处深黄色区域，是整个截面流速最高区域，为1 m/s左右，原因在于这四处在送风射流的路径上，故送风速度最大。从图8可以看出，整个截面有4个明显的涡流区域，故也是整个截面流速最小的区域，为0.05 m/s，整个截面平均流速为0.23 m/s。

图8 Z=1.1 m截面速度云图

4）空气龄分析

从图9可以看出，整个截面空气龄分布呈现明显的对称现象，结合图8分析，四个流速最大深黄色区域，也是空气龄最小的区域，约为358 s。结合图7、9分析，四个涡流区域流速最小，也是空气龄最大区域，从里往外逐渐减小，从698.8 s减小到666.9 s。截面平均空气龄为627 s。

图9 空气龄分布云图

5）PMV与PDD分析

从图10～11可以看出，PMV与PDD分布相近，PMV越小的区域，正是PDD大的区域。整个截面平均PMV值为-0.34，平均PDD值为8.67%，都满足规范对舒适区的要求，整个截面较为舒适，无明显冷感。

图10 Z=1.1 m截面PMV分布图

图11 Z=1.1 m截面PDD分布图

综上，空气柱送风方式是适用于大空间一种新的送风方式，满足室内舒适度要求，通过对粒子运动轨迹、温度场、速度场、空气龄的分析，发现在该送风工况下，整个Z=1.1 m截面温度分布均匀，截面平均温度为24.9 ℃，截面平均风速为0.23 m/s，人员在其中无强烈出风感，区域内存在涡流，不存在气流死角，截面平均空气龄为627 s，满足要求。通过对PMV与PDD指标分析，整个截面平均PMV值为-0.34，平均PDD值为8.67%，满足民用建筑空调设计要求[9]，即热舒适为I级：-0.5≤PMV≤0.5，PDD≤10%。

3.3 冬季（上送下回）舒适性研究

改变模型边界条件，璧面温度为12 ℃，选取送风温度为26 ℃、28 ℃、30 ℃，送风速度、柱高与夏季工况相同，研究方法与夏季工况相同。将以上不同参数组合，共有27组工况，列出具有代表性的9组工况如下，并模拟得到Z=1.1 m截面平均PMV与PDD值汇总如表4。

表4 模拟工况及数据表

从表4可以看出，以上9组工况截面平均PMV值均小于0，平均PDD值在10%左右。选取工况2、5、8，分别计算区域ADPI值，发现其值均大于90%。

4 冬季（下送上回）工况校核

选取了表4中工况9进行模拟，分析Z=1.1 m截面平均PMV与PDD值，判定该种送风方式舒适性的情况。

从图12～13可以看出，冬季该送风工况下，整个截面平均PMV为0.06、平均PDD为5.2%，区域内ADPI值为60%。满足《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》GB50736-2012要求[10]，则说明该送风方式能满足冬季室内热舒适性要求。

图12 Z=1.1 m截面PMV分布图

图13 Z=1.1 m截面PDD分布图

5 结论

1）制冷工况下，送风温度为18 ℃、20 ℃，风速为3 m/s、空气柱高度为2～2.5 m时，单柱舒适区大小为21 m×21 m×1.7 m，区域ADPI值均大于80%，平均PMV值为-0.34，平均PDD值为8.67%。

2）制热工况下（上送下回），送风温度为26 ℃、28 ℃、30 ℃，风速为2～4 m/s、空气柱高度为2～2.5 m时，区域ADPI值均大于90%，平均PMV值为-0.47，平均PDD为10.2%。

3）单柱区域内制冷工况热舒适性优于制热工况舒适性。

4）冬季热工况（下送上回），区域ADPI值为60%，平均PMV为0.06、平均PDD为5.2%。验证冬季热工况热舒适性优于制热工况。