送风口间距对层式通风热舒适性能影响的研究

马江泽 程勇 廖春晖

重庆大学土木工程学院

提高夏季建筑室内的空气温度可以节约能源，减 少二氧化碳的排放[1]。目前的标准允许提高空气速度，以抵消增加的室温对室内人员的热舒适的影响[2]。Lin等在综合前人研究的通风方式的基础上，提 出新型通风方式-层式通风方式，其以形成新鲜空气层并直接送到呼吸区为特点。通过位于侧墙上且略高于工作区的送风口来实现，房间热中性温度能达到约 27 ℃[3]。与混合通风和置换通风相比，在 相同的热舒适条件下，层式通风空调系统每年分别可节约至少44%和25%[4]。为了更好的指导层式通风的设计和运行，Y ao 等人使用实验和数值模拟的方法，研 究了空气末端的布局对层式通风性能的影响，发 现将回风口设置送风口同侧墙的下部有助于工作区空气混合，有 较好热舒适和空气质量，且这种布置还有助于节省系统安装的空间。随后，他 们也发现能达到较好通风性能的层式通风末端类型[5-6]。然而，目 前没有针对层式通风送风方式下的送风风口间距对通风性能影响的研究。研究表明：多股平面射流沿着平行的方向发展，到 达一个特定距离时，几 股射流有可能汇合为一股射流发展。风口间距越小，多 股射流的卷吸作用越强越容易汇流[7-8]。在层式通风房间，通 过布置在侧墙的送风口直接将处理过的空气送入人员呼吸区，形 成的多股送风射流直接以对流的方式带走工作区内热量。如果送风风口间距过小，多 股射流汇流后进入工作区，射 流区在工作区内过于集中，射 流集中区域两侧空气流动不足。如果送风风口间距过大，在 工作区范围内的多股射流变成孤立的几股单射流，射 流间由于空气流动不足形成空区，射流间空区与射流交替分布在工作区内，而 空区相对较热。因此找到合适的送风风口间距满足使用者的热舒适性要求是本文研究的重点。

1 实验研究

1.1 实验仪器与实验系统

本实验是在重庆大学城市建设与环境工程学院实验楼环境仓内进行。环境仓尺寸为 5850 mm×5057 mm×2554 mm，如 图1 所示。墙壁窗户均为内围护结构，其 中一面内墙同侧上下分别布置五个双层百叶送/回风口，所有风口尺寸均为180 mm×1 80 mm，上排风口下沿距地面的高度为 1250 mm，下 排风口下沿距地面高度为 395 mm。实验使用三个送风口和回风口，将 实验中未使用的风口进行密封处理，相 邻两风口的间距为650 mm。实 验过程中工作区内布置8个长方体假人，其 中假人尺寸为 1200 mm×4 00 m×250 mm，其 表面积与成年人坐姿时相当。每个假人内部都放置1 个功率为 100 W 灯泡，用 来模拟人体静坐时的散热量。天花板共有6 盏日光灯，每盏灯的功率为23 W。

图1 实验室布置图

速度测量采用SWEMA 03 万向微风速仪，可 以实时测量并记录实验期间各测点的速度和温度。可测量速度范围为0.05～10.00 m/s，精 度为±0 .03 m/s±3 %。采用WZY-1 温度自记仪用于记录房间各个壁面以及房间平均温度，测 量范围 -20～80 ℃，精 度为±0 .3 ℃。

1.2 实验内容

为了获取工作区内的温度和速度的分布情况，在 工作区内布置 Line 1～Line 5 五条测量铅垂线，如图 2所示。每条铅垂线上布置4 个测点，高 度分别为0.1 m（脚踝），0 .6 m（腹部），1 .1 m（坐姿头部）和 1.7 m（站姿头部）。送风速度为 1.6 m/s，送 风温度为22.8 ℃，此 送风工况下实测的房间温度为 27.1 ℃，满 足层式通风的房间热中性温度27 ℃[9]。

图2 测点布置平面图

2 数值模拟研究

2.1 物理模型

按照实际房间大小1：1 比例建立六种送风风口间距分别为 500 mm，650 mm，800 mm，950 mm，1100 mm 和1300 mm 的房间模型，除 了送风风口间距不同外，其他的几何布置与实验完全一样。将送风口简化为具有相同有效面积的矩形。其中 650 mm 送风风口间距房间模型用于数值模拟的验证，如图 3，利用ICEM 对该模型进行网格划分，网格类型为六面体网格。为了保证模拟的准确性，将 风口，热 源，壁 面和流动参数变化剧烈的区域进行了网格细化。本次的模拟共生成了六种数量分别为 650000、1650000、2110000、2620000、311000 和3650000 的网格，以 在该房间模型下，将 每种网格数量的模拟计算结果与实验测量结果进行对比。

图3 房间物理模型

2.2 模拟设置

层式通风通过提高送风速度以改善较高空气温度下室内的热舒适，故 空气可以视为三维不可压缩湍流流动。为简化问题起见，作 如下假设：气 流流动为紊态流动。室 内气体为不可压缩流体，且 符合 Boussinesq假设，即 认为流体密度变化仅对浮升力产生影响。室内气体属于牛顿流体，作 定常流动。流场具有高湍流Re 数，流 体的紊流粘性具有各向同性。

使用商业软件Fluent 进行模拟计算。两方程的模型均能较好预测通风空调室内空气流动[10]。其中标准k-ε模型由于其在预测室内气流方面具有良好的精度，数 值稳定性和计算效率，因 此在研究中得到了广泛应用[11-12]。此外，该 模型在层式通风办公室得到了验证，其 性能略优于RNG 模型[13]。因此本研究使用标准k-ε模型，由 于标准k-ε模型仅适用于主流，因 此采用标准壁函数来模拟近壁区域的湍流特性[14]。控制方程离散化方法采用有限体积法。采用二阶迎风格式作为方程组的差分格式。采用SIMPLE 法作为压力和速度的耦合算法。使用Boussinesq 假设来估计由于温度改变导致的密度变化，采 用 Discrete Ordinates（DO）辐 射模型来计算不同壁面（外墙、外 窗、人 体表面、灯 和电脑）之 间热传递。假人和顶灯为定热流密度边界60.24 W/m2和638.89 W/m2。墙 壁，地 板和天花板为定温度边界28.6 ℃。排风口为自由出流边界（outflow）。为了保证模拟结果的准确性，在 模拟过程中，质 量残差，动 量残差，湍 流动能残差和湍流耗散残差的收敛准则设置为 10-4，能量残差和辐射强度残差的收敛准则设为10-6。

2.3 模拟验证

为保证数值模拟方法的可靠性，进行定量的分析，分 别计算了六种网格数量下的房间工作区风速和温度模拟结果与实测结果的均方根误差RMSE。相较于其他数量的网格模型，2 110000 网格模型下温度和速度的均方根误差最小，分 别为 0.639 ℃和 0.066 m/s。因此，采用网格数为2110000 的网格模型进行数值模拟计算研究，除 了送风风口间距不同外，模 拟计算过程中的设置和使用的边界条件完全相同。将 其中line5测线的温度和速度模拟结果与实测结果做直观比较，如图4。

式中：Pj为第j个样本的（温度或速度）模 拟预测值；Qj为第j个样本的（温度或速度）实 测值；n为待预测的样本数目。

图4 line5 测量线各点实测值与模拟值的比较

从模拟和实验直观对比图来看，总 体上模拟结果与实验结果吻合较好，但 少数位置的模拟数据与实验数据的差异略大，这 在一定程度上可能是由于实验测量误差和实验边界条件不稳定导致的。

2.4 评价指标

在本研究中，为 了评价不同送风风口间距下的层式通风的热舒适性能，将 采用下面的评价指标：①预测平均热感觉投票 PMV[2]。②层式通风有效通风温度EDTS。

EDTS 是对现有的混合通风有效通风温度（EDT）进行的修正，用于评价层式通风热舒适指标。这些评价指标采用用户自定义函数 UDFs（user define functions）编 译到Fluent 软件进行计算。假设房间是用作自习室使用，故将PMV 计算程序公式内的人员的活动代谢水平设为1 met，服 装热阻取夏季工况典型的着装热阻0.57 clo。根据标准 ASHRAE 55-2013[15]以及层式通风性能评价和设计指南[7]，为 实现室内满意的热舒适，这 些评价指标应该限制在一定范围内：-0.5＜PMV＜+0.5，-0.6 K＜θeds＜ 0.6 K。在 本文的研究中不考虑个人的热偏好，所以 PMV 和 EDTS 的绝对值越接近0，表 示热舒适性越好。

式中：θeds为层式通风有效通风温度，K ；tx局部气流干球温度，℃ ；troom为房间的平均干球温度，℃ ；v x为局部气流中心线速度，m/s。

3 结果及分析

3.1 室内气流组织

为了分析送风风口间距对室内气流组织的影响，选取坐姿的头部高度水平截面作为研究平面（Z=1.1 m）。图 5 和图6 分别为Z=1.1 m 平面下的速度和温度分布云图。通过对比最小和最大送风风口间距工况下的速度和温度分布云图，可 以看出送风风口间距对室内气流组织有明显的影响。在 500 mm 的最小送风风口间距下，三 股送风射流过早形成汇流且过于集中，在 第一排中间的两名人员附近，风 速较大温度较低，人 员易感到凉爽或偏冷。然 而，在 两侧的人员附近，空气的流动明显不足且温度较高，人 员容易感觉到环境偏热。在 1300 mm 的最大送风风口间距下，三 股送风射流自风口射出后，在第一排人员前几乎没有交汇，较 大的射流间距之间形成了空区，在 空区会出现空气流速偏低温度偏高的情况，空 区内的人员易感到环境偏热，各 个单一射流路径上的人员则会感到凉爽或偏冷。以上两种情况说明，送 风风口间距过小或过大都会在空间形成较大的热不均匀环境。

结合送风风口间距从 500 mm 到 1300 mm 的速度和温度分布云图演变过程，可 以看出，随 着送风风口间距的增大，起初 500 mm 送风风口间距下出现的射流高集中度现象逐渐减弱，多 股射流在第一排人员附近辐射的距离逐渐增大，工 作区两侧的空气流动逐渐增大，且 后排人员附近的空气流速和温度分布也逐渐均匀。然 而当送风风口间距增加到950 mm 以后，随着送风风口间距的增加，三 股送风射流之间的间距也在增大，第 一排人员前三股射流间的汇流也在逐渐减弱，射流与射流之间空气流动不足的空区在逐渐增大，在1300 mm 送风风口间距下几乎无汇流部分，三股射流几乎是孤立地送入工作区域。综合分析500 mm 到 1300mm 送风风口间距下室内气流组织的变化过程，发 现其间存在一个较为合理的送风风口间距，在 工作区形成较为合理均匀的气流组织，提 供给工作区人员较好的热舒适性环境。

图5 不同送风风口间距下Z=1.1 m 平面的速度分布

图6 不同送风风口间距下Z=1.1 m 平面的温度分布

3.2 热舒适分析

通过室内气流组织的分析，初 步推测在 500～1300 mm 内存在较为合理的送风风口间距。本研究继续结合热舒适分析，以 PMV 和EDTS 作为评价指标，进一步确定能提供较好热舒适环境的送风风口间距。层式通风的研究表明，在 地面以上1.1 m 处的PMV 结果与实际平均热感觉投票（ATS）有 更好的一致性[16]，且1.1 m 是坐姿的头部呼吸区高度，故将Z=1.1 m 水平截面作为 PMV 和 EDTS 的计算平面，计 算出 1.1 m高度平面的平均PMV 和EDTS。通过拟合，分 别得到PMV 以及EDTS 与送风风口间距L 的函数关系式，图 7 给出了拟合曲线。

图7 PMV 和EDTS 随送风风口间距变化图

从图7 中可以看出，在 本研究选定的送风工况下，所有送风风口间距的PMV 计算结果均能达到标准要求，然 而 EDTS 计算结果能满足标准要求的只有800 mm，950 mm 和 1100 mm 三个风口间距。随着送风风口间距从 500 mm 增加到 1300 mm，P MV 和EDTS 随送风风口间距变化的趋势都是先减小后增加，在 950 mm 送风风口间距下 PMV 和 EDTS 的计算值均达到正最小值，接 近于 0，说 明 950 mm 送风风口间距下室内的环境更接近热中性。由于本研究不考虑人员的热舒适偏好，因 此该送风风口间距下室内环境的热舒适性最好。故 800～1100 mm 为本研究送风工况下较为合适的送风风口间距范围，且 950 mm 为最佳送风风口间距。

4 结论

本文采用实验数据验证的CFD 数值模拟，结 合速度场，温 度场和热舒适分析，对 六种不同送风风口间距下的层式通风热舒适性能进行了研究。研究结果表明：层 式通风房间送风风口间距会影响多股送风射流的相互作用，送 风风口间距过小，多 股射流过早汇流，汇流射流较为集中且向两侧扩散范围较窄。送风风口间距过大，多 股射流汇流较晚甚至在工作区内保持单射流状态，从 而影响室内气流组织分布，以 致影响工作区的热舒适。结合PMV 和EDTS 的热舒适分析，发 现在本研究的层式通风送风参数和送风风口间距条件下，P MV 和 EDTS 与风口间距 L 都呈二次函数关系。较为合适的送风风口间距范围为 800～1100 mm，且950 mm 为最佳送风风口间距，该送风风口间距下的PMV 和EDTS 绝对值最小，工作区最接近于热中性环境。