方形散流器送風角度對室內熱舒適度的影響

劉澤勤，李思澤，左珍君

（1.天津商業大學機械工程學院，天津 300134；2.天津市制冷技術重點實驗室，天津 300134）

方形散流器送風角度對室內熱舒適度的影響

劉澤勤1,2，李思澤1，左珍君1

（1.天津商業大學機械工程學院，天津 300134；2.天津市制冷技術重點實驗室，天津 300134）

使用CFD數值模擬軟件，進行數值模擬和分析，探索辦公室建筑房間內方形散流器的送風角度對室內熱舒適度的影響．采用溫度不均勻系數、速度不均勻系數、空氣分布特性指標ADPI和能量利用系數等作為人體熱舒適度的綜合評價指標．根據用戶對工作區域的熱環境要求，可合理選擇不同角度的方形散流器：如對溫度均勻性要求較高，應選擇送風角度為50°；如對速度均勻性要求較高，應選擇送風角度40°；如對熱舒適性要求較高，應選擇送風角度為30°～40°；如果對建筑節能效果要求較高，應選擇送風角度為60°～70°．

送風角度；溫度不均勻系數；速度不均勻系數；ADPI；能量利用系數

0 引言

隨著社會經濟的發展，人們對室內舒適度的控制要求越來越高，作為影響人體舒適度的主要因素，室內溫度場和速度場已成為暖通空調專業學者們的研究內容之一，良好的室內氣流組織是改善室內熱環境的重要影響因素[1]．空調系統末端裝置的方形散流器，以控制送風氣流方向并均勻散流特性為主要特征，被廣泛應用于室內空調系統[2]．散流器送風角度的不同會引起室內速度場的變化，進而對人體的熱舒適性產生影響．

1974 年，丹麥的Nielsen P V[3]首次將CFD應用于空調工程，模擬室內空氣流動情況，此后，國內外許多學者應用CFD模擬技術，模擬不同條件下室內環境的熱舒適型，為CFD技術在暖通空調領域的應用提供了借鑒．應用CFD模擬技術，探索合理的氣流分布，是確保室內達到最佳空氣品質的前提與必要條件，對于建筑物而言，影響室內氣流分布的主要因素是送風參數，而在實際空調工程中，送風口多采用方形散流器．目前對于方形散流器送風參數的研究，主要集中于送風溫度與速度，對于送風角度對室內熱舒適度的影響的研究還不是很廣泛．本文通過使用CFD模擬軟件，模擬分析辦公建筑方形散流器送風角度的變化，對室內熱舒適度和氣流組織分布的影響，通過探索溫度不均勻系數、速度不均勻系數、空氣分布特性指標ADPI和能量利用系數等，對室內熱環境進行綜合評價．溫度不均勻系數和速度不均勻系數分別反映了空調房間工作區的溫度和速度分布的均勻程度．空氣分布特性指標（ADPI）將空氣溫度、氣流速度以及人的舒適感三者結合起來，充分反映了整個工作區的氣流分布的優劣，是空調氣流分布評估的唯一單個數據指標，由于大多數室內的舒適性空調輻射影響有限，且相對濕度在30%～70%范圍內對人體影響不明顯[4]，所以ADPI未考慮輻射以及相對濕度對人體舒適度的影響．因此，空氣溫度與風速對人體的綜合作用，成為本課題研究的主要考慮因素，同時也用作供冷工況下，舒適性空調的評價指標[5]．

1 模型介紹

圖1為1間典型辦公室模型示意圖，數值模擬邊界條件將辦公室幾何尺寸設置為5 m×4 m×3 m．房間內所布置的熱源為模擬人、模擬電腦、燈、桌子；辦公室內設置4人，考慮到人在辦公室內一般為坐姿，將人體簡化為1.1 m高的圓柱體，單個人體發熱量為130 W；室內有4組日光燈用于照明，每組2個日光燈，單個燈管發熱量為36 W；辦公室內配備4個電腦用于辦公，單個電腦的發熱量為108 W；室內所有的熱源均設為面熱源；送排風口位于天花板上，風口位置如圖1所示，送風口尺寸為300 mm×300 mm，送風速度2 m/s，回風口尺寸為800 mm×400 mm；室內設計溫度25℃，送風口送風溫度20℃；建筑維護結構假設為絕熱壁面．

2 數值模擬結果分析

圖1 數值模擬辦公室布置圖Fig.1 Numerical simulation of office layout

通過使用CFX軟件進行數值模擬計算，對使用不同角度的方形散流器的辦公室空調進行數值模擬，模擬選取的送風角度如表1所示，文中選取距地面0.1 m、0.3 m、0.5 m、0.7 m、0.9 m、1.1 m、1.3 m、1.5 m水平平面進行分析，分析平面內的溫度速度分布．

表1 送風角度表Tab.1 A ir supply angle

圖2為送風角度30°時距地面1.1 m處的溫度速度分布圖，其中圖2a）為溫度分布圖，圖2b）為速度分布圖．從圖2a）可以看出，在該平面內，溫度分布均勻，橫向溫差?。M計算得出，平面計算平均溫度為25.296℃，設計溫度為25℃，模擬計算結果與設計差距不大，圖中人體與電腦周圍溫度較高，是由于人體和電腦被設為面熱源，從而造成小部分區域出現溫度偏高現象．由圖3b）可以看出，在1.1m平面內，風速分布較為均勻，人體周圍風速不超過0.3m/s，不會產生吹風感，模擬計算得出，平面內平均風速為0.076m/s，符合人體熱舒適度要求．

圖2 距地面1.1 m處的溫度、速度分布圖Fig.2 Temperature and velocity distribution from the ground 1.1 m

圖3為在不同送風角度下，距地面不同高度的平面平均溫度與速度分布圖．從圖3a）中可以看出，送風角度在10°～50°范圍內，垂直方向溫度梯度不斷減小，在50°～90°范圍內，溫度梯度不斷增大，送風角度為50°時，1.5 m以下區域的溫度梯度最小，垂直溫差在1°以內．同一送風角度下，隨著高度的增加，面平均溫度增大．送風角度為70°時，同一高度平面的平均溫度最低．圖3b）為在不同送風角度下，距地面不同高度的平面平均速度分布圖．從圖中可以看出，隨著距地面高度的增加，平面平均速度增加，在垂直方向的速度差較?。S著送風角度的增大，同一高度平面內的平均速度增加．送風角度在10°～30 °的范圍內，垂直方向的速度差增大，送風角度在30°～50°范圍內，垂直方面的速度差減小，在50°時達到最小，60°～90°的范圍內，垂直方向的速度差基本保持不變．距地面高為0.1 m的平面的平均速度隨送風角度的變化比較明顯．但總體風速都不高于0.35 m/s，符合人體熱舒適度的要求．

圖3 不同送風角度下的溫度、速度分布圖Fig.3 Temperature and velocity distribution under different w ind angles

3 室內熱舒適度評價

為了對使用方形散流器的房間進行總體的室內熱舒適度評價，尋找出最適合的方形散流器送風角度．在房間1.1 m以下的區域選取數據采集點，房間內數據采集點的選取如圖4所示．測點距兩邊墻體的距離為500 mm，每隔500 mm選取一排測點，每排測點最低點距地100 mm，然后每隔100 mm向上取點，依次取10個測點．采用溫度不均勻系數、速度不均勻系數、ADPI指標和能量利用系數對1.1 m以下區域內的熱舒適度進行總體評價．

圖4 辦公室內測點的布置圖Fig.4 Layout of measuring points in the office

3.1 不均勻系數

在室內各點，氣流組織的表現形式為溫度、風速均有不同程度的差異，這種差異用“不均勻系數”指標來評價．在工作區內選擇n個測點，分別測得各點的溫度和風速，求其算術平均值為[6]

則不均勻系數的定義為

式中速度不均勻系數ku和溫度不均勻系數kt都是無量綱數．ku、kt的值越小，表示氣流分布的均勻性越好．

圖5為不同送風角度下1.1 m以下工作區域的溫度不均勻系數和速度不均勻系數變化情況．從圖5a）中可以看出送風角度在10°～50°的范圍內，溫度不均勻系數呈下降趨勢，在50°～70°的送風角度范圍內又呈上升趨勢，70°～90°的送風角度范圍內，溫度不均勻系數又開始降低，送風角度為50°時，溫度不均勻系數最?。畣螐臏囟炔痪鶆蛳禂捣矫鎭砜紤]，送風角度為50°時效果最好．

從圖5b）中可以看出，速度不均勻系數隨送風角度的增加，總體呈增大趨勢，只有在送風角度為40°時，出現一個突降．單從速度不均勻系數方面考慮，送風角度為10°時效果最好，送風角度為20°和40°時，效果也很不錯．

圖5 溫度、速度不均勻系數隨送風角度的變化Fig.5 The variation of uneven temperature and velocity coefficient w ith w ind angles

3.2 空氣分布特性指標ADPI

在舒適性空氣調節中，可以用測點溫度、風速作用的有效溫度差值來評價人的舒適性[7]

式中：為綜合溫度；t1為測點溫度；tn為室內設計溫度，參照《天津市2010年節能減排工作實施方案》，取室內溫度為25℃，溫度單位均為℃；vi為測點風速，速度單位為m/s．

根據相關資料顯示，在=1.7～1.1的范圍內，多數人體感覺較為舒適[8]．ADPI值可通過下式確定[2]

根據相關資料顯示，當ADPI＞80%時，可視為空調區處于熱舒適狀態[9]，即辦公室工作區處于熱舒適狀態．

3.3 能量利用系數

能量利用系數又稱溫度效率（Temperature Efficiency），反映的是室內的溫度梯度，表示了室內熱力分層的特性．工作區的平均能量利用系數為[10]

式中：te為排風溫度；tm為工作區空氣平均溫度；ts為送風溫度．

對通風系統而言，能量利用系數越高，節能潛力也越大，但同時也會導致室內較大的溫度梯度，從而影響熱舒適度，進而影響室內空氣品質[11]．本次模擬實驗，通過選取的工作區測點和排風測點，計算出該辦公室能量利用系數，以此判斷系統所具有的節能效果[12]．圖6為ADPI值和能量利用系數隨送風角度的變化情況圖．其中，圖6a）表示ADPI值隨送風角度的變化情況．從圖中可以看出，送風角度在20°～50°的范圍內時，方形散流器送風基本能夠保證工作區域內人體熱舒適性的要求．送風角度為30°和40°時，工作區域內的人體熱舒適性效果最好，送風角度為80°時，工作區域內的人體熱舒適性效果最差．從人體熱舒適性方面考慮，送風角度選擇30°～40°范圍內時效果最好．

圖6b）表示能量利用系數隨送風角度的變化情況．從圖中可以看出，送風角度在10°～70°的范圍內，能量利用系數都比較高，且都大于1，都具有很好的節能效果，送風角度為60°時的能量利用系數最高，節能效果最好．送風角度為80°和90°時的能量利用系數很低，且都低于0.5，不節能．從節能方面考慮，送風角度選擇60°時，節能效果最為明顯．

4 結論

通過上述的模擬研究發現，使用方形散流器對辦公室進行空調制冷時，從不同的方面考慮，其最佳送風角度都有所不同．因此，在一般辦公建筑內使用方形散流器作為空調的送風口時，應根據不同的使用要求，合理選擇不同角度的方形散流器．如果對室內工作區內的溫度均勻性要求較高，應選擇送風角度為50°方形散流器；如果對室內工作區內的速度均勻性要求較高，應選擇送風角度為40°方形散流器；如果對室內工作區內的熱舒適性要求較高，應選擇送風角度為30°～40°的方形散流器；如果對建筑節能效果要求較高，應選擇送風角度為60°～70°的方形散流器．本課題的模擬實驗研究，為方形散流器的工程設計選擇提供了技術支持．

[1]Liu Z Q，Li G，Zheng C X．The simulation and calculation of indoor thermal environment and the PPD evaluation index affected by three typical air-conditioning supply modes[J]．HVAC&R Research，2014，20（3）：344-350．

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[6]李先庭，趙彬著．室內空氣流動數值模擬[M]．北京：機械工業出版社，2009．

[7]臧效罡，趙樹興，李文杰．應用ADPI與PMV評價熱舒適性的比較分析[J]．山西建筑，2010，36（33）：174-175．

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[12]HART O．Firm s，contracts，and financial structure[M]．Oxford：Oxford University Press，1995．

The effect of square diffuser angle on indoor thermal com fort

LIU Zeqin1,2，LI Size1，ZUO Zhenjun1

(1.College of M echanical Engineering,Tianjin University of Commerce,Tianjin 300314,China;2.Key Laboratory of Tianjin Refrigeration Technology,Tianjin 300314,China)

To evaluate the human thermal com fort of different working area under the condition of different w ind angle square,the simulation of office building room using different wind angle square diffuser was proposed based on the CFD numerical simulation software.The evaluation of human thermal com fort index w as focused on the indoor thermal com fort,uneven tem perature coefficient,velocity asymmetry coefficient,air distribution performance index ADPI and energy using coefficient.As the tem perature uniform ity requirements are higher,the air supp ly angle should be 50 degrees;as the velocity uniform ity requirements are higher,the air supply angle of should be 40 degrees;as the higher requirements on thermal com fort,the air supply angle should be 30 to 40 degrees;as the higher requirement on the construction of energy-saving effect,the air supply angle should be 60 to 70 degrees.

wind angle;uneven temperature coefficient;velocity asymmetry coefficient;ADPI;energy utilization coefficient

TU831

A

1007-2373(2015)06-0058-05

10.14081/j.cnki.hgdxb.2015.06.011

2015-07-24

天津市自然科學基金（13JCZDJC27400）；天津市高等學校科技發展基金（20120910）

劉澤勤（1961-），男（漢族），教授，博士，liuzq@tjcu.edu.cn．

數字出版日期：2015-11-18數字出版網址：http://www.cnki.net/kcms/detail/13.1208.T.20151118.1054.010.htm l