工位送风口形式对办公室内气流分布的影响研究

孙丽颖 ,吴 灵,郭昊霖*, 文志东,贺 征

(1.哈尔滨工程大学 航天与建筑工程学院， 哈尔滨150001; 2.湖南省建筑设计院有限公司，长沙 410006)

在办公建筑中，工作人员在室内度过的时间超过80%，办公环境的空气品质及舒适性直接影响人们的工作效率和身体健康.因此，如何通过合理的气流组织实现室内良好的舒适性和空气品质有必要进行深入的研究.

工位送风是一种控制工作区微环境的送风方式，它既能有效补充新风又可以提高排出污染物的效率，办公室内采用工位送风在提供高质量室内环境的同时，又有节能潜力，近年来越来越被专家学者们所关注.关于应用工位送风的办公室内气流分布前人已有很多相关研究.李戈[1]利用ANSYS CFX软件对五种桌面式个性化送风方式进行研究，研究结果表明，当个性化送风温度在21～22 ℃之间、送风量在30～90 m3/h之间、背景温度在27～28 ℃之间时工位热舒适性较好，不满意率较低.王月梅[2]提出胸部送风的工位空调方式，并对24名受试者利用主观投票的方法得出人体热感觉在采用胸部工位送风的工况下比背景环境更加偏向于中性与凉，同时提出了胸部工位送风的合理参数.任雨婷与端木琳等人[3]利用等效温度对于工位空调所产生的非均匀热环境情况下的整体热感觉以及局部热感觉进行了研究，通过热感觉以及等效温度得出了工位送风的等效温度舒适区.刘飞[4]等人对办公室空调风口倾角对温度场的影响进行了研究.王骏顺[5]对桌面送风冬季适宜的工位送风参数进行了分析.李红扩、龙杰、端木琳等人均从不同角度对工位送风的参数进行了相关研究，得出了适宜的工位送风参数[6-8].郭爽[9]等人对背景温度及送风参数对人体舒适性的影响进行了研究，并推荐工位送风的速度不宜超过1.0 m/s.Aleksandra Lipczynska[10]通过模拟两人办公室对冷却吊顶与个性化通风进行了研究，通过与传统的通风系统进行比较，发现使用个性化送风与冷却吊顶相结合对于提高热舒适具有显著作用.Marta Chludzińska[11]对人前方的矩形个性化送风孔板的穿孔形状进行了研究，针对320 mm×150 mm矩形风口上的的六种孔口进行了分析，得出小孔尺寸为5 mm时获得的冷却效果最好.

通过相关文献可以看出，很多学者对工位送风进行了研究，但是对工位送风口形式对办公室内空气品质与人员热舒适性的影响研究却相对较少，因此，本文选取一小型办公室作为研究对象，应用计算流体力学方法对办公室采用工位送风时的气流分布进行数值模拟，对不同的工位送风口形式进行对比分析，进而给出较为适宜的工位送风口形式，以期为工位送风在办公室中的设计应用提供技术参考.

1 模拟计算

1.1 物理模型

本文的研究对象为哈尔滨某四人办公室，采用辐射板与工位送风复合系统.办公室的尺寸为6.3 m×4.2 m×3.6 m(长×宽×高).辐射板设置在侧墙与隔板处,工位送风口位于桌面上方,房间的物理模型如图1所示.拟对比的四种送风口形式为百叶风口(上下出流张角40°)和孔径分别为3、5、10 mm的孔板送风口.风口尺寸均为240 mm×135 mm.夏季室内设计温度为26 ℃,设计相对湿度为50%.

1—门；2—侧墙辐射板；3—隔板辐射板；4—灯；5—排风口；6—南外窗；7—人体；8—电脑；9—桌面；10—桌面工位送风口

1.2 边界条件

1)入口边界条件：根据参考文献[12]的研究成果，工位送风温度取22 ℃，送风量为60 m3/(h·人).辐射板表面温度为20 ℃.

2)出口边界条件：室内设有1个300 mm×280 mm的回风口，有效面积系数为0.75.

3)固体壁面边界条件：南外墙热流密度为3.9 W/m2；南外窗热流密度为125.1 W/m2；其余壁面与空调房间相邻，按绝热处理.

4)室内热源边界条件：设室内人员为轻工作量，则人体呼出CO2量为0.004 L/s[13]，人体散热量为73 W/人[14]；灯具散热量为80 W/盏；电脑散热量为180 W/台.

1.3 数学模型

本文选用RNGk-ε湍流模型和DO辐射模型对办公室内气流分布进行模拟.假设办公室内流场为常温、低速、不可压缩的定常流动，符合Boussinesq假设，并且是自然对流、强迫对流和辐射换热都存在的湍流流动.求解的控制方程如式(1)所示[15].

(1)

对式(1)采用SIMPLEC算法联接压力和速度，采用六面体网格，对风口处气流变化比较剧烈的地方进行局部加密，网格数量为1.60×106.

2 送风口形式对办公室内气流分布的影响

为分析不同送风方式对办公室内气流分布的影响，本文选取温度、速度、污染物质量浓度、吹风感、PMV等指标进行计算，对比分析不同送风口形式对室内热舒适性与空气品质的影响.

2.1 温度场分布

在采用辐射板供冷的办公室内，分别对采用百叶风口和不同孔径孔板风口送风时时的室内气流组织进行模拟，办公人员所在截面的室内温度分布如图2所示.

图2 温度场分布

从图2中可以看出，采用四种风口时的室内整体温度分布较为均匀，由于电脑和人体自身热辐射的作用，在人体附近的温度略高；由于侧墙辐射板的冷辐射作用，使得辐射板周边温度略低，采用四种不同风口时人体所在工作区的平均温度均在24.8～24.9 ℃之间.其中，侧送风时人员周围的温度分布处于23～25 ℃之间,温度略低；而不同孔径孔板风口送风时人员周围的温度分布处于24～26 ℃之间，人员舒适性更佳，其中，3 mm孔径孔板风口形成的温度场更加均匀.

2.2 速度场分布

办公人员所在截面的室内速度分布如图3所示.从图3中可以看出，人体附近风速基本都处在0.01～0.3 m/s的范围,满足人体舒适性要求.与百叶风口送风相比，孔板风口送风时的速度场更加均匀.这主要是因为百叶风口的送风风速大于孔板风口，进而带动了周围更多的空气流动，人体周围速度也相应增大.

图3 速度场分布

2.3 PMV分布

4种方案的PMV分布如图4所示.从图4中可以看出，除了10 mm孔径孔板风口外的其他风口送风时人体表面PMV均分布在0.33～0.49之间，处在热中性范围内，人体感觉比较舒适.采用10 mm孔径孔板风口送风时人体表面PMV分布在0.68～0.81之间，人体感觉微热.这主要是因为采用10 mm孔径孔板风口送风时送风气流速度较低，所以其室内的PMV也相对较高.

2.4 浓度场分布

本文用人体说话时产生的气溶胶颗粒作为室内污染物的散发源,研究对象为粒径为1 μm的气溶胶颗粒，假设人嘴喷射气流的速度为2 m/s，喷射气溶胶颗质量流量为0.085 μg/s[14].图5为采用不同方案时的室内颗粒污染物质量浓度分布图.从图5中可以看出，采用不同方案时的房间颗粒物质量浓度分布各不相同，送风口形式是影响颗粒物质量浓度分布的主要因素之一.从图5中可以看出，由于人体为主要污染源，所以人体及其头部上方区域的颗粒物质量浓度相对较高.四种送风形式中孔板送风时室内人员附近的颗粒物质量浓度明显低于百叶送风；采用3、5 mm孔径的孔板风口送风时，室内人员呼吸区附近的颗粒物质量浓度相对较低.

图4 人体表面PMV分布

图5 室内颗粒污染物质量浓度分布

3 结 语

本文对百叶风口和三种不同孔径的孔板送风口送风进行了对比研究，比较了风口形式对办公室内温度、速度和污染物质量浓度分布的影响.得出以下结论：采用四种风口送风均能满足室内温度、速度和污染物质量浓度的设计要求.从温度场分布可以看出，采用孔径为3 mm的孔板送风时室内温度更加均匀.从速度场分布可以看出，和百叶风口送风相比，孔板风口送风时的速度场更加均匀.从PMV分布可以看出，除10 mm孔径孔板风口外的其他风口送风时均满足人体热舒适性要求.从污染物质量浓度分布可以看出，孔板风口送风时人员附近的颗粒物质量浓度明显低于百叶送风；采用3、5 mm孔径的孔板风口送风时，室内人员呼吸区附近的颗粒物质量浓度相对较低.综合比较各送风口形式，推荐采用孔径为3 mm的孔板风口送风方案.