基于置换通风的无管工位送风气流组织特性

郇超　孙雪花　于群　赵玉娇　屠冰冰

摘 要：建立了适用于无管工位送风与置换通风复合空调系统性能分析的CFD数值模型，并探讨了工位送风参数及房间围护结构传热对复合空调系统下室内热舒适及空气品质的影响。结果表明，与单置换通风相比，加入无管工位送风可显著提高空调系统的负荷承担能力及空调房间背景温度，在合理的送风参数下，无管送风与置换通风复合系统可在约100 W/m2的围护结构（如大面积玻璃幕墙）传热负荷下营造出人体可接受的热环境。此外，与置换通风相比，复合系统下人体呼吸区内的空气龄显著降低，室内空气品质较好。研究结果验证了无管工位送风与置换通风复合系统在空调能效提升方面具有很好的潜力。

关键词：工位送风;置换通风;热舒适模型;空气龄;计算流体动力学

中图分类号：X 936   文献标识码：A   文章编号：1672-7312（2020）06-0596-06

A study on Air Distribution Performance of Ductless Task Ventilation in Conjunction with Displacement Ventilation

HUAN Chao1，SUN Xue-hua2，YU Qun3，ZHAO Yu-jiao1，TU Bing-bing4

（1.College of Energy Engineering，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China;

2.College of Humanities and Foreign Languages，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China;

3.The Engineering Design Academy of Changan University，Co.，Ltd.，Xian 710064，China;

4.College of Sciences，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China;）

Abstract：This study proposed a validated CFD model that is used to investigate the system performance of ductless task ventilation（DTV）in conjunction with displacement ventilation（DV）.Under DTV system，effects of air supply parameters of task ventilation as well as heat transfer of building envelope on the indoor thermal comfort and air quality was numerically evaluated.The results indicate that in comparison with DV，the handling load and room temperature could be significantly improved under DTV system.With an envelope（especially large curtain wall）heat transfer of 100 W/m2，acceptable thermal environment for indoor occupants could be achieved under DTV in the condition of reasonable air supply parameters.Furthermore，compared to DV，DTV system could effectively reduce the air age in the breathing zone of occupants and subsequently provide better inhaled air.This study manifests the considerable potential of DTV to improve the energy efficiency of an air conditioning system.

Key words：task ventilation;displacement ventilation;thermal comfort model;air age;computational fluid dynamics

0 引言當今，人们近80%～90%的时间处于室内环境中[1-2]，室内环境的质量已与人们的健康状况及社会经济效益息息相关。不良的室内环境会使人胸闷、头痛、咳嗽、工作效率降低[3-5]。通风空调系统作为控制室内环境参数的有效手段之一[6]，被广泛地应用于现代建筑中，其主要目的是通过引入室外新风，在室内形成合理的气流组织，有效地移除室内污染物及冷（热）负荷，减少有害物在室内的囤积，从而为室内人员营造出舒适的热环境及良好的空气品质[7]。但是，在满足了人们的健康及舒适性需求的同时，通风空调系统也造成了巨大的能源消耗。据统计，建筑能耗已占社会总能耗的20%～40%[8]，而建筑能耗中40%来自于暖通空调系统（HVAC）[9]。特别是随着我国城镇化进程的加快，由建筑空调系统所产生的能耗将更为惊人。因此，如何营造健康、舒适及低能耗的室内环境已成为“节能减排”策略中极为重要，也是亟待解决的环节。 置换通风作为空调室内常见的气流组织方式之一，具有节能高效等优势，已被诸多学者广泛研究[10-11]。置换通风的基本原理是将新鲜的空气直接送入房间下部区域，并在地板附近形成一层较薄的空气湖（距地面约0.1 m高度）。在热浮升力的驱动下，房间内气流向上呈浮升运动，携带污染物和热量的气流由房间上部排出，在室内形成温度和污染物浓度分层分布的现象（如图1所示）。然而，由其运行机理所致，这一空调系统首先冷却了房间内热源分布较少的下部区域，往往会使人体腿部和脚踝部产生不舒适感[12]。此外，该空调系统室内气流主要受热浮力驱动，送风速度不可过高，使该系统不适用于空调负荷较大的场合[13]。

基于此，Melikov等学者在置换通风的基础上，提出了无管送风与置换通风相结合的概念[14]，其示意图如图2所示。该系统下的办公桌内嵌有送风管道，安置于桌面下部的风机充分利用置换通风室内的“空气湖”，将“空气湖”中的新鲜低温气流吸入，经桌面嵌入式风管系统，最终由桌面上部的喷嘴送至人员呼吸区。该系统可进一步提高空调房间背景温度，并能避免置换通风条件下室内人员“头热脚冷”的不舒适感。

针对工位无管送风与置换通风复合空调系统下的气流组织方式，相关学者已围绕送风温差、送风量[15]、吸风口高度[16]及人员走动干扰等因素展开了一系列研究。然而，关于围护结构传热对该复合空调系统性能的影响却鲜有报道。为此，拟针对工位无管送风与置换通风复合空调系统，开展CFD数值模拟分析，探求其在不同围护结构传热条件下的气流组织特性。研究结果将为这一复合空调系统的负荷承担能力预测及设计参数选取提供理论指导。

1 数值模拟方法

1.1 控制方程 诸多研究工作表明，RNG k-ε模型的适用范围较广，且在模拟室内气流组织及热对流等方面的准确性较高，模拟结果与实测数据较为接近，因此，本研究采用数值模拟采用RNG k-ε模型。 对于室内空气流动，RNG k-ε模型中包含连续性方程、动量方程、能量方程、湍动能及其耗散方程、组分传输方程和空气龄方程。这些方程的通用形式如下

（1）式中：ρ为空气密度;为通用变量，可表示速度、温度、空气龄等变量，Г为有效扩散系数;S为源项。

1.2 边界条件 文中数值模拟研究中，采用二阶迎风格式对方程进行离散，采用SIMPLE算法对压力场和速度场进行耦合，对热浮力的作用分析采用Boussinesq假设，采用DO（Discrete Ordinate）模型分析各围护结构内壁面的辐射传热过程，采用标准壁面函数法来分析近壁面区域内的气流运动。房间送、回风口分别采用速度入口和自由出流边界，外围护结构和室内热源采用定热流边界。

1.3 模型验证 文中采用既有的实验数据[17]，对所建数值模型边界条件进行验证，结果如图3、图4所示。由图3、图4可知，对于室内气流速度及温度，实测数据和模拟计算值总体趋势一致性较好，虽存在一定误差，但在可接受范围内，所采用的数值模拟方法可用于文中复合空调系统的性能分析及评价。

1.4 评价指标 为了评价无管工位送风与置换通风复合空调系统相关性能，根据热舒适标准ISO-7730及ASHRAE 55，采用PMV指标对室内热舒适进行分析;采用空气龄来表征室内空气品质。其中PMV是由Fanger教授提出的热舒适模型，用于综合预测人体的热舒适性，该模型表示了人体在特定活动水平下的自身产热量与人体向环境散热量之间不平衡率的指标，其数值与诸多参数有关，如空气温度、流速、相对湿度、平均辐射温度、服装热阻及人体新陈代谢率等，数值大小客观反映了人体在环境中的热反应程度，数值越大，人体热感越明显，反之则人体冷感明显。ASHRAE 55中指出满足人体热舒适要求时，PMV数值应在-0.7～0.7。空气龄则是指通风过程送入室内的空气分子通过某特定点时所需要的时间，某点空气龄数值越低，表明送风气流流至该处的时间越短，空气则越新鲜。

1.5 工况选取模型中空调房间示意图如图2所示，房间尺寸为3.9 m×2.9 m× 2.6 m（长×宽×高），新鲜气流由房间右侧墙体下方的风口送入，并在近地面形成“空气湖”，受热后进行浮升运行，在浮力及顶部排风口抽吸作用下，经由顶部排风口排出。人体附近“空气湖”中的新鲜气流由桌内风机吸入，并由桌面工位送风口直接送至人体呼吸区，其中工位送风口是直径为0.1 m的圆形喷口。各模拟工况下的边界条件列于表1，其中ts为房间置换通风送风温度;Qe为围护结构传热量;v为无管工位送风口出风速度。所有工况下，房间换气次数ACH为6.6 次/h，房间内热源为285 W，由3部分构成：①人体发热65 W;②电脑发热80 W;③室内照明发热140 W。当工位风口送风速度为0时（如工况1），则房间气流组织形式为单独的置换通风。

2 结果与讨论

2.1

工位送风速度及围护结构传热对室内PMV影响

图5所示为房间送风温度ts为19 ℃、换气次数为6.6 h-1时，不同工况下y=1.45 m断面的PMV分布。对比图5（a）、（b）可发现，除去人员头部前侧区域外，两图无明显差异，其中单置换通风条件下（图5（a））人员头部前侧区域PMV值接近-0.9，而工位送风装置开启后（图5（b）），人员头部前侧区域PMV值降至-1.2。这主要是由于工位送风装置的局部送风增加了人体头部区域的气流扰动，有效降低了该区域内的PMV值。上述结果表明，与单置换通风相比，无管工位送风对全室整体的PMV值无显著影响，但对人体头部区域的局部热舒适有较大影响。这表明了无管工位送风与置换通风复合空调系统具有在高温空调环境下营造舒适热环境的潜力，但是一定要合理选择工位送风速度，若速度过大，则会引发室内人员的吹风感。此外，对比图5（b）、（c）可发现，對于复合系统而言，在保持其余边界条件不变情况下，当围护结构传热由0增加至300 W后，全室PMV值将发生显著变化。当围护结构传热量为0 W时（图5（b）），人体附近区域PMV均为负值，人体处于冷感状态;当围护结构传热增加为300 W时（图5（c）），人体附近区域PMV值均变为正值，表明人体处于热感状态。这主要是由于随着围护结构传热的增大，围护结构内壁面温度也随之增加，致使人体所受辐射温度升高;同时，围护结构传热还会使室内温度升高，上述因素综合作用，使室内PMV值升高，增加了人体热不舒适的风险。

图6汇总了在房间送风温度ts为19 ℃、换气次数为6.6 h-1时，不同工位送风速度及围护结构传热负荷条件下，人体前侧区域的PMV值计算结果。其中围护结构不同的传热负荷，是根据西安地区夏季气象参数，结合冷负荷系数法计算而得。由图可知，随着围护结构负荷增大，室内PMV值也随之增大。对于单置换通风（即工位风速为0），当围护结构热负荷大致超过50 W/m2时，其室内人体附近PMV值也超出了热舒适标准的限值要求（-0.7～ 0.7），即超出了空调系统的负荷承担范围;加入无管工位送风装置后，当工位送风速度在0.7～0.9 m/s范围内变化时，大部分工况下室内PMV值处于舒适区范围内，满足热舒适标准要求。以上结果则表明单置换通风的负荷承担能力有限，在置换通风基础上加入无管工位送风装置后，若能选择合理的送风参数，则可显著提高空调系统的负荷承担能力。由图6还可发现，当围护结构热指标处于100 W/m2以内时，通过调节送风参数，无管工位送风与置换通风复合空调系统均可营造出人体可接受的热舒适环境。

2.2工位送风速度及围护结构传热对空气龄影响

图7为房间送风温度ts为19 ℃、换气次数为6.6 h-1时，不同工况下y=1.45 m断面的空气龄分布。在图7（a）、（b）、（c）中，房间内空气龄整体上呈现出下部低、上部高的分布特性，这主要是由于置换通风特点所致。置换通风系统下新鲜低温气流从房间底部风口送入，沿着地面铺开，受热后在密度差的作用下缓慢浮升。因此，房间底部的空气龄最小，空气最新鲜。 对比图7（a）、（b）可发现，图7（a）中人员呼吸区的空气龄约为575 s，而图7（b）中人员呼吸区的空气龄约为379 s，减小了196 s，已非常接近房间底部空气龄，表明与单独的置换通风相比，工位无管送风可显著减小人员呼吸区内的空气龄，提高人体可吸入空气品质。

此外，对比图7（b）、（c）可发现，对于文中的复合送风系统，围护结构传热对室内空气龄也会产生一定影响。图7（b）中，围护结构为绝热，人体呼吸区空气龄约为379 s，当围护结构热负荷增加至300 W时，保持其他边界条件不变，人体呼吸区内空气龄也随之增大至418 s。主要原因是由于围护结构传热使室内空气温度升高，送风冷气流受热作用增强，可较快的产生浮升运动，致使送风气流运动至人体附近区域的速度减缓，从而增加了人体呼吸区附近气流的空气龄。

3 结语

1）与单置换通风相比，加入无管工位送风后对全室整体热舒适无显著影响，但对人体头部区域的局部热舒适影响较大。该复合系统在进一步提高房间空调温度、降低空调能耗方面具有可观的发展潜力。 2）与单置换通风相比，加入无管工位送风后的复合系统在空调负荷承担能力上具有明显优势，特别是当存在高强度围护结构传热（如大面积玻璃幕墙）时，该负荷系统仍然具有较好的室内热舒适营造能力。 3）文中复合系统高效利用了置换通风房间“空气湖”中的新鲜气流，与单置换通风相比，该复合系统下人体呼吸区内的空气龄可降低100 s以上，显著提高了人体可吸入空气品质。

参考文献：

[1]Zhao R，Sun S，Ding R.Conditioning strategies of indoor thermal environment in warm climates[J].Energy and Buildings，2004，36（12）：1281-1286.

[2]Awbi H B.Ventilation of buildings[M].New York：USA，Taylor & Francis，2003.

[3]Mlhave L，Bach B，Pedersen O F.Human reactions to low concentrations of volatile organic compounds[J].Environment International，1986，12（1-4）：167-175.

[4]Berglund B，Brunekreef B，Kn ppe H，et al.Effects of indoor air pollution on human health[J].Indoor Air，1992，2（01）：2-25.

[5]Mendell MJ.Non-specific symptoms in office workers：a review and summary of the epidemiologic literature[J].Indoor Air，2010，3（04）：227-236.

[6]卢振.通风空调系统空气微生物传播与消毒控制方法[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2007.

[7]Cao G，Awbi H，Yao R，et al.A review of the performance of different ventilation and airflow distributionsystems in buildings[J].Building and Environment，2014，73（01）：171-186.

[8]Pérez-Lombard L，Ortiz J，Pout C.A review on buildings energy consumption information[J].Energy and Buildings，2008，40（03）：394-398.

[9]Huang Y，Niu J L，Chung T M.Study on performance of energy-efficient retrofitting measures on commercialbuilding external walls in cooling-dominant cities[J].Applied Energy，2013，103（01）：97-108.

[10]赵彬，李先庭，彦启森.置换通风的数值模拟[J].应用力学学报，2002（04）：75-79.

[11]李楠，廖建科，郑文茜.冷却顶板与置换通风复合空调系统的热舒适性分析[J].中南大学学报（自然科学版），2012（06）：2434-2440.

[12]Wyon D P.Thermal manikin prediction of discomfort due to displacement ventilation[J].AshraeTransactions，1990，96（01）：67-75.

[13]Chen Q，Glicksman L.System performance evaluationand design guidelines for displacement ventilation[J].American Society of Heating，Refrigerating and Air-Conditioning Engineering，1999：298-309.

[14]Halvonova B，Melikov A K.“Ductless” personalized ventilation in conjunction with displacement ventila-tion[C].In：Proceedings of indoor air 08.Copenhagen，Denmark.

[15]Dalewski M，Melikov A K，Vesely M.Performance ofductless personalized ventilation in conjunction with displacement ventilation：physical environment and hu-man response[J].Building and Environment，2014，81：354-364.

[16]Halvoňová B，Melikov AK.Performance of “ductless”personalized ventilation in conjunction with displacement ventilation：Impact of intake height[J].Building and Environment，2010，45：996-1005.

[17]Zhang L，Lin T，Ying Y，et al.Experimental and numerical study of room air-flow under stratum ventilation[J].Building and Environment，2011，46：235-244.

（責任编辑：张 江）