空调器位置对室内气流组织的影响分析

乔哲明

（中信建设有限责任公司，天津 300000）

1 商住楼建筑概况

该项目建筑位于北京市，是一栋地上8层、地下1层的商住综合楼，内部房间主要用途为办公室和营业厅。建筑总面积为31 059.8 m2，空调器的覆盖面积为24 847.8 m2。

①第3层为营业厅。该层的室内标准温度为27℃，温差不超过1℃，显热冷负荷超过526 kW。该层室内总面积为3827 m2，共设有47台散流器，单台散流器的送风范围为52.9 m2，水平射程为3.29 m，垂直射程为3 m。空调器送风温度差是10℃，单位送风量为41.8 m3/h，换气频率为10次/h。喉部风速达到4 m/s，轴心温差仅为0.88℃。②第5层为办公室。考虑到办公层中包含若干面积各异的小房间，因此，需结合各个房间的空间平面结构选定散流器的安装位置。该层的室内标准温度为26℃，温差不超过1℃，显热冷负荷为864 kW。室内面积达到11 481 m2，空调器覆盖范围为7763 m3。以其中一个房间为例，该房间设置两台散流器，单台散流器的送风范围为64 m2，水平射程为4.08 m，垂直射程为3 m。送风温度差是6℃，单位送风量为55 m3/h，换气频率为5次/h。喉部风速为4 m/s，轴心温差为0.76℃。③地下1层和地上第1～2层的空调器均按照建筑标准层设置，仅结合热湿负荷进行细微调整。④建筑第4～8层均按照第5层的标准进行气流组织设计。建筑第5层的空调器送风设计如表1所示。

表1 建筑第5层的空调器送风设计

2 室内气流组织评价指标

（1）温度梯度。空调房若流入与原本温度有差异的气体，或者室内存在热源，都会在垂直方向上产生温度梯度。人体适宜标准是指活动区域从地面向上的0.1～1.1 m范围内，温差需在3℃以内，该标准是按照坐姿确定的。此外，还有一种标准是从地面向上的0.1～1.8 m范围内，温差要在3℃以内。秉承可靠性的原则，温度梯度建议采用后者。

（2）活动区风速。这项指标是影响室内热环境舒适度的关键要素之一。温度偏高的空间能通过提升风速加快气体流动，保持室内的舒适度，但如果风速太大，则会影响人体感受。试验结果显示，风速不足0.5 m/s的情况下，人体通常不会有明显感受。根据我国室内风速的相关规定，冬季时，室内风速不可超过0.2 m/s，夏季则要控制在0.3 m/s以内；工作区空调器的冬季室内风速需控制在0.3 m/s以内，夏季则可设置成0.2～0.5 m/s[1]。

（3）气流分布。在空调房内，容易引起人体不适的主要问题通常是吹风感。而该感受的主要形成原因是空气温度与风速导致人体局部区域产生冷的感受，引发不适感。衡量室内有无吹风感的主要指标是有效吹风温度。相关表达式为：

其中：EDT——有效吹风温度，℃；tx——室内某处温度，℃；tm——指室内某处温度均值，℃；vx——室内某处风速，m/s。在办公区域内，当EDT处于-1.5～1℃，vx在0.35 m/s以内，大部分人都会有舒适感，利用EDT判断室内空间有无吹风感是具有可行性的。室内气流分布主要借助相应的特性指标（ADPI）确认，其实质是在空间范围内，各处符合EDT以及风速规定的点位占整体的比值。

（4）通风效率。通风效率是实际参加稀释的风量与送入室内通风量的比值。通风效率和空调器安设位置及送风量都有较大的联系。另外，通风效率也能看成一种经济性指标，其数值大，意味着排出一定量污染物，实际需要的新鲜空气更少，对应的气体处理与传输能耗更小，空调器运行成本更低。

（5）空气龄。其是空气质点从送入空间内到抵达空间内部某处的时长，此概念较为抽象，现场检测难度大，对此通常根据气体浓度估计局部区域的空气龄。由送风口射出的气体进入空间中不断流动时会掺入污染物，令气体清洁度与新鲜程度降低。因此，若空气龄偏小，则意味着传递到某处的气体携带污染物少，同时清除污染物的效率更佳，这显然能评估气体流动形态的合理性。

（6）换气效率。其能衡量室内换气效果，属于气流组织的重要参数，不涉及污染物的问题，其等于气体最短滞留时长与室内气体整体平均滞留时长之比。从某个角度上看，换气效率能被定义成最佳空气龄均值和室内空气龄均值的比值。换气效率能说明气体流动情况的合理性，而该比例的最佳取值是1，但是室内普通气流组织都在该数值以下[2]。

3 空调器安装位置对室内气流组织影响的试验分析

3.1 物理模型

在分析空调房内环境时，为保持综合楼室内的舒适度，先模拟气流组织与热环境。分析对象为散流器，探讨其送风均匀性和喉部结构优化的问题，构建相应的物理模型与数学模型，借助数值求解的方式，探究最优的安装位置。分析对象有2个：①送风末端管道，其风管尺寸为320 mm×200 mm，在其末端连接的散流器喉部截面规格为220 mm×220 mm，此处喉管长度分别设置成0.1 m、0.2 m、0.3 m。②风机盘管接风管送风，其送风管尺寸为1250 mm×245 mm，长度为5 m。该风管连接的两个喉部截面尺寸为220 mm×220 mm，长度为0.3 mm。两处送风口间距为3.5 m。由于风管外面裹有保温材料，因此建模时将风管简化成完全绝热。相应的物理模型如图1、图2所示。

图2 物理模型（二）

空调器送风属于不能被进一步压缩的流体，在后期数据分析期间，可利用高精度的求解装置，借助微分方程，以有限容积为指标，求出物理模型的各项尺寸参数，其中数值差分格式选择一阶迎风形式。

3.2 边界条件

在物理模型中，把风管入口当成速度进口，设置机组末端与主干风管等的风速参数，其中，物理模型（一）对应的入口风速分别设置成4 m/s、6 m/s与8 m/s，基于此进行对比分析。物理模型（二）实际入口风速直接设置成6 m/s。散流器送风温度都调整到26℃。出口是充分开放的区域，为了简化分析过程，其他边界都当成绝热边界，室内气流组织整体流场按照速度入口边界实施初始化设置。

3.3 结果分析

利用专业软件程序构建模型，为了让模型展现的效果尽量贴近现实，在设置网格时采取无关性的分析。通过系统运行计算，物理模型（一）的网格距离为0.005个单位，散流器喉管长度分别取值为0.1 m、0.2 m、0.3 m，相应的网格数量分别为55.072万、58.944万、62.816万；物理模型（二）的网格取值为0.1个单位，实际数量为127.904万。因为模拟模型结构比较规则，在设置网格时，选择六面体的网格。在网格设定结束后，直接把相应数据导进专业软件进行模拟运算[3]。下文以活动区域风速、通风效率及气流分布情况为例进行分析。

3.3.1 活动区域风速

当散流器喉管长度为0.3 m时，在各个试验风速条件下，空调器末端风管与喉部出口位置的速度场分布有差异。总体来看，无论水平风管的风速如何变化，散流器喉管内部的气流组织几乎不变，例如，在喉部截面处，即在喉部截面垂直于风管出口方向上的两侧分布最大与最小风速，接近上风向的区域形成气流“死区”，速度趋近于0。同时，下风向区域的风速最快，此时两侧空气分布差异过大。散流器喉部截面顺着风管送风方向区域的速度场比较均匀，气流组织趋于合理[4]。

3.3.2 通风效率

在实际的安装建设项目中，散流器的喉管长度一般为0.1～0.3 m，当其他环境条件一致的情况下，可将喉管长度分别设置成0.1 m、0.2 m、0.3 m。通过软件模拟可以发现，喉管长度偏小时，流场“死区”范围随之缩小，并且在喉部截面周围的气流组织也更加合理，室内环境的舒适度更高。当喉部截面的高速气流区域面积不断缩小时，周围风速差值也会更小，使室内气流组织更为合理，通风效率也趋于平稳。其中，垂直短管的尺寸是根据水平风管和室内吊顶间距确定的。安装施工期间，在符合其他条件要求的前提下，需尽量拉近散流器和短管的间距，如此才能使喉部流场和风管内部流场距离更近，保持通风效率，使散流器周围送风比较均匀，有利于优化室内气体组织。

3.3.3 气流分布情况

安装空调器时，为适应建筑吊顶条件，风机盘管可能要额外连接水平风管，用于下送风。由于送风位置的差异，造成送风抵达相应风口过程中承受的阻力有区别，而且动压与静压也会有差别，进而影响送风的风量。在风口和风机盘管出口实际间距拉近后，送风量会有所增加。为了有效分析空调器位置及喉部气流分布情况，利用物理模型（二）进行分析，尽量得出比较准确的结论[5]。

送风位置分析物理模型如图3所示。具体来说，散流器Y比较接近风机盘管的出风口，而散流器X则接近风管的末端。因为两个散流器安装位置有差异，流场状态略有不同。简单来看，散流器Y的气流组织不均匀，而且流场速度偏快，在喉部前后区域的速度差值较大。散流器X同样有流场不均匀的问题，但和散流器Y相比，其气流组织较佳。出现上述情况的主要原因在于二者安装位置的差异，散流器Y接近风机盘管，所以送风量较多，存在严重的气流扰动问题，气流组织较差。而散流器X距离风管末端更近，送风量偏小，气流组织也就比较稳定。并且设置在风管末端的挡板可以作为气体导流机构，加强对室内气流组织的调节。

图3 送风位置分析物理模型

4 结语

综上所述，气流组织关系着室内环境的质量，并且受到空调器安装位置的影响。在实际设计中，建议考虑将散流器尽可能贴近风管末端设置，这样可稳定送风量，保持室内气流组织的稳定性，使房间内部流场更加舒适。并根据建筑内部空间格局，配置适当数量的散流器，确保空调器能发挥出实际价值。