幼儿园空调送风方式对比分析

张钧程

（沈阳建筑大学市政与环境工程学院，辽宁 沈阳 110168）

空调的不同送回风口情况和空气输送方式等，均会对室内的热环境以及空气品质产生影响。因此，对室内空气流通形式包括在各种空气输送形式下幼儿园房间的热环境状态进行检测具有重要意义。目前，室内气流组织分析与研究方式主要包括4类，即区域模拟、喷射的物理研究、模型实验和应用计算流体力学技术（CFD）的数值模拟。计算流体力学技术是较为简单的室内气流组织分析与研究技术[1]，赵彬等[2]通过对置换通风房间内的风速场和温度场进行数值模拟，分析不同方法下的室内热环境和空气品质，得出置换通风系统的优选方法。吴丹尼等[3]以侧送下回中央空调房间为研究对象，通过数值模拟得出此种送风方式中各因素对室内温度的影响；Lee等[4]使用CFD技术对分层中央空调控制系统进行仿真，得到了影响中央空调效率的主要因素；刘鑫等[5]通过Airpak技术对某办公区各种送风模式下的气温场、热舒适指标（PMV-PPD）等进行了仿真模拟，对比分析了各种送回风系统的气流组织效率。幼儿园作为对儿童教育的主要场地，在不同的室内热环境条件下，孩子们对室内热环境的生理和行为反映与成人相比变化较为明显[6]。幼儿的机体代谢以及活动平面也与成人有所不同，通过CFD方法对幼儿园热环境进行模拟，分析各种送风方式对幼儿园热环境的影响较为重要。文章利用Airpak软件对某幼儿园空调活动室进行了数值模拟，并分析了侧送下回、侧送上回、侧送异侧下回方式下的幼儿活动的平面模拟数据，选取适宜幼儿园活动室的送回风模式，为改善幼儿园空调室内热环境及空气品质控制提供了参考。

1 数学模型

文章采用零方程模型[7]，该模型是把湍流黏性定义为当地时平均值速率与时间尺度的关系函数，通过代数关系式将湍流黏性比率与时平均数联系起来，解决室内难题时易于收敛。Airpak软件使用零方程模型和有限体积法，通过对流体运动基本方程的数值求解可以获得流场内各个位置的基本物理量分布。基于数值模拟需求和实际情况，假定空气为不可压缩流体，实现Bossinesq假设[8]。

设定室内空气为稳态紊流；不计围护结构与物体间的辐射换热；室内空气为辐射透明体；忽略门窗漏风，认为室内外无空气交换。根据假设，基本的数学模型即控制方程通用形式为：

2 物理模型及模拟方法

2.1 物理模型

以某幼儿园活动室为研究对象，该房间的模型长×宽×高为8.0 m×6.0 m×3.5 m。北墙面有1扇尺寸为2.10 m×0.95 m的内门；南墙面上有2扇尺寸为2.0 m×1.8 m的外窗。活动室内含有24名儿童，设定为坐姿状态。具体设备及人员分布的三维物理模型如图1所示。

选择3种常见的送风方式。

方式1：侧送下回。送、回风口均位于北内墙，送风口距顶棚0.50 m，回风口距地面0.35 m。

方式2：侧送上回。送、回风口均安装于北墙吊顶。

方式3：侧送异侧下回。送风口位于东内墙，距顶棚0.50 m；回风口位于西内墙，距地面0.35 m。

2.2 模拟方法

2.2.1 边界条件设置

入口边界条件：定送风参数，送风速度1.5 m/s，送风温度20 ℃。

出口边界条件：采用局部单向化处理，默认ambient值，自由出流。

壁面边界条件：南外墙初始温度31.5 ℃，其他壁面与空调房间相邻，可以认为是绝热壁面。

其他的边界条件如表1所示。

表1 边界条件

2.2.2 网格划分

以三维空间为计算区域，网格划分采用六面体网格，网格最大尺寸为0.250 m×0.175 m×0.300 m，对送回风口附近区域进行网格加密，其他区域网格疏密保持一致。

3 室内环境评价指标

3.1 不平均系数

对室内温度、含湿量、风速及焓值的不平均系数进行分析，评价室内热环境及气流组织。将评价中通过计算得到的不平均系数进行比较，不平均系数越小，则均匀性越好。

（1）算术平均值。

（2）均方根偏差。

（3）不平均系数。

3.2 空气龄

空气龄是指某处的空气在室内的停留时间，代表着室内空气的新鲜程度，能够合理评价室内的通风换气效果，是评价室内空气品质的重要指标。

4 模拟结果及分析

4.1 不均匀性分析

为分析温度、速度、含湿量的不均匀性，共设置27个测点，并对测点布置进行编号。

空间测点如图2所示。

图2 空间测点（单位：mm）

4.1.1 温度不平均系数分析

活动室内3种送风方式下的温度不平均系数如图3所示。

图3 活动室内3种送风方式下的温度不平均系数

A区方式1的温度不平均系数为0.023，方式2和方式3的温度不平均系数分别为0.036和0.032，可见方式1的温度不平均系数最小，方式2的温度不平均系数最大。在B区和C区及整体中，方式1的温度不平均系数分别为0.021、0.013、0.021，方式2的温度不平均系数分别为0.028、0.017、0.029，方式3的温度不平均系数分别为0.037、0.045、0.041。在B区和C区及整体中，方式3的温度不平均系数远大于其他两种方式。侧送异侧下回（方式1）的温度不平均系数最小，可以营造更稳定、更适宜的温度环境。

4.1.2 风速不平均系数分析

活动室内3种送风方式下的室内风速不平均系数如图4所示。

图4 活动室内3种送风方式下的室内风速不平均系数

A区侧送上回（方式3）的风速不平均系数为0.143，相较于其他两种方式的风速不平均系数略小，但C区和整体的风速不平均系数分别为0.538和0.653，远大于方式1和2中的C区和整体的风速不平均系数；A区侧送异侧下回（方式1）的风速不平均系数为0.185，B区风速不平均系数为0.224；A区侧送下回方式（方式2）风速不平均系数为0.279，B区的风速不平均系数为0.161。C区高度为3 m，不属于人员日常活动平面，且活动室内幼儿大部分时间处于A区平面高度。因此，侧送异侧下回（方式1）的送风方式更合理。

4.1.3 含湿量不平均系数分析

同温度不均匀系数分布相似，方式1的A区、B 区、C区及整体的含湿量不平均系数分别为0.032、0.031、0.023、0.029，均小于其他两种方式的A区、B区、C区及整体的含湿量不平均系数。所以，侧送异侧下回（方式1）的含湿量分布较为均匀。

活动室内3种送风方式下的室内含湿量不平均系数如图5所示。

图5 活动室内3种送风方式下的室内含湿量不平均系数

4.2 空气龄的对比分析

侧送下回方式中北墙及桌面附近区域空气龄在280～340 s，但其余墙体附近区域的空气龄在450～550 s。不同送回风方式下的空气龄分布如图6所示。

侧送上回方式的结果与侧送异侧下回相似，但各区域空气龄更低，南外墙附近区域的空气龄在470～490 s；侧送异侧下回方式中，人员集中区域的空气龄约为230～267 s，墙壁附近约为350 s，房间西北角出现涡流空气龄稍高约为450 s。综上所述，侧送异侧下回方式优于侧送下回和侧送上回方式。

5 结语

营造舒适的教学活动环境是幼儿园室内环境设计中较为重要的内容。为得到适宜的送回风方式，文章利用Airpak软件对幼儿园夏季空调活动室的室内环境进行了数值模拟，计算了不同方式下各项指标的不平均系数，结合空气龄分布情况，得到最优的送回风方式。侧送异侧下回的A、B、C区的温度不平均系数和含湿量不平均系数均小于其他两种方式；侧送异侧下回的A区风速不平均系数为0.185，小于B区风速不平均系数，而活动室内幼儿大部分时间处于A区平面高度。所以，适宜的营造舒适热环境的方式是侧送异侧下回。侧送异侧下回的工作区空气龄较小，西北角因涡流导致空气龄较大，但整体上空气龄分布情况优于其他两种方式，能够提供较好的室内空气品质。通过对温度、风速和含湿量不平均系数和空气龄分布情况的对比分析，确定幼儿园夏季空调活动室适宜的送回风方式是侧送异侧下回。因此，在设计幼儿园活动室热环境及控制空气品质时应优先选用侧送异侧下回方式。