數值模擬層狀通風對室內熱環境的影響

劉澤勤，劉 哲

（1.冷凍冷藏技術教育部工程研究中心，天津 300134；2.天津市制冷技術重點實驗室，天津 300134；3.天津商業大學 機械工程學院，天津 300134）

數值模擬層狀通風對室內熱環境的影響

劉澤勤1，2，3，劉 哲3

（1.冷凍冷藏技術教育部工程研究中心，天津 300134；2.天津市制冷技術重點實驗室，天津 300134；3.天津商業大學 機械工程學院，天津 300134）

以采用層狀送風的典型辦公建筑為研究對象，采用CFX計算流體軟件，模擬分析建筑在不同送風速度下人體活動區的溫度場、速度場，評價控制區域的熱舒適性.模擬研究結果表明，在層狀送風條件下，房間在垂直方向上出現明顯的熱力分層.熱力分層以距地面0.9 m高的水平面為分界線；人體活動區域以上部分溫度高，人體活動區溫度低；在人體活動區域，頭部位置溫度最低，腳部溫度最高；這樣的熱力分層符合建筑節能和人體熱舒適性要求.送風速度在0～0.8 m/s的范圍內，控制區域內的熱舒適度相對較高，送風可及性好，新風可以很好的送到人體呼吸區，有效的提高呼吸區的空氣品質.

層狀通風；數值模擬；熱舒適性；空氣品質

0 引言

隨著社會的發展與生活水平的提高，室內空氣品質與建筑節能倍受國內外學者和研究人員的重視和關注.據統計，一個人一生大約有80%～90%的時間是在室內環境中度過的[1]，因此室內環境與房間使用者的健康以及工作效率密切聯系.尤其是近年來由于能源價格的飛速上升導致建筑密閉性提高，室內新風量減少，同時大量釋放揮發性有機物的建筑材料和裝修材料的采用，以及各種現代辦公設備的普及，這些因素都導致了室內空氣品質惡化，出現了大量“室內建筑綜合癥”的病例.現行的通風方式主要包括混合通風，置換通風和個性化通風方式.綜合考慮到節約空調能耗以及保障呼吸區空氣品質的雙重因素，Lin等[2-6]提出了層狀送風的概念.層狀通風是通過位于側墻上且略高于工作區的送風口將新鮮空氣直接送到呼吸區的送風方式.本文針對這種新的送風方式，研究送風速度對室內熱舒適度的影響.

1 模型介紹

圖1為一間典型辦公室的示意圖，辦公室幾何尺寸為5 m×4 m×3 m（長×寬×高）.房間內布置熱源包括模擬人、模擬電腦、燈、桌子.辦公室內有4個人，考慮到人在辦公室的工作狀態一般為坐姿，將人體設為1.1 m高的圓柱體，單個人體發熱量為75 W；室內有4個日光燈用于照明，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.送風口位于側墻1.2 m高處，墻體兩側各1個，排風口位于天花板正中間，室內設計溫度為25℃，送風口送風溫度為19℃，換氣次數為8次/h，建筑圍護結構設置為25℃的恒溫壁面.

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

2 數值模擬結果分析

表1給出了不同風速下的風口尺寸和風口個數，各工況下出風口的尺寸及位置不變，出風口的尺寸為1 600 mm×800 mm.圖2a）為送風速度為0.1 m/s時，辦公室中間位置的垂直溫度分布圖.從圖中可以看出當送風速度為0.1 m/s時，送風口送入的新風不能有效的消除人體活動區的熱量，整個垂直斷面內溫度差異較小.圖2b）為送風速度為0.1 m/s時，辦公室中間位置的垂直速度分布圖，從圖中可以看出，只有在辦公室進出風口很小的范圍內有很小的空氣流動，房間內的空氣流通性差，風口送入的新風不能有效的送到人體呼吸區.

表1 不同送風速度下的風口尺寸Tab.1 Outlet size at different velocities

圖2 送風速度為0.1 m/s時的溫度速度分布圖Fig.2 Temperature and velocity distribution at the speed of 0.1 m/s

圖3a）為送風速度為0.5 m/s時辦公室中間位置的垂直溫度分布圖，與速度為0.1 m/s的溫度速度分布圖相比，從送風口送入的新風能夠順利的送到人體呼吸區，很好的消除人體活動區的熱量.從圖3a）中可以看出，以送風口高度為分界，垂直平面上下出現明顯的熱力分層，上部溫度高，下部溫度低，且在下半部區域溫度從上往下逐漸升高，符合人體頭涼腳暖的熱舒適性要求.從圖3b）中可以看到，從進風口送入的新風送入房間后有足夠的進深，基本不會出現送風盲點.圖4為送風速度為0.5 m/s時辦公室內的空氣流線圖.從圖中可以看出，從進風口送入室內的空氣首先送到人體活動區域再流到上部空間，然后通過排風口排到室外，保證了人體呼吸區的空氣質量，提高人體舒適度.

圖3 送風速度為0.5 m/s時的溫度速度分布圖Fig.3 Temperature and velocity distribution at the speed of 0.5 m/s

圖4 送風速度為0.5 m/s時的空氣流線圖Fig.4 The streamlines of air-conditioning supply air at the speed of 0.5 m/s

辦公區具有對稱性，工位及周邊環境直接關系到辦公人員的熱感覺，因此取送風口處2工位中間位置即距地面1.1 m、距送風口1 m、距兩側墻體2 m處為測試點，分析測試點在不同送風速度下溫度與速度變化.圖5為測試點的溫度、速度變化曲線.從圖5a）可以看出隨著送風速度的增大，測試點溫度變化總體呈下降趨勢，溫度波動范圍在2.5℃以內.從圖5b）可以看到，隨著送風速度的增大，測試點速度總體呈上升趨勢，速度波動范圍在0.4 m/s以內.圖6為不同送風速度下的測試點預測不滿意百分比PPD[7]，由圖可以看出，當送風速度低于0.8 m/s時，PPD值在5%左右，熱舒適性較好.當風速大于0.8 m/s時，PPD值快速上升，當送風速度達到1 m/s時，PPD值大于40%，預測不滿意百分比偏高，不能滿足人體熱舒適性要求.

圖5 測試點溫度速度變化曲線Fig.5 Temperature change curve of test point

取測試點高度方向為測試直線，分析在送風速度為0.8 m/s時溫度、速度隨高度的變化情況.圖7為送風速度為0.8 m/s時溫度、速度變化曲線.從圖7a）可以看出在距地面高度0.9 m以下的空間，隨著高度的增大溫度逐漸降低；在0.9～1.5 m的高度空間內，溫度隨高度的增加呈遞增趨勢；高度方向高于1.5 m的空間溫度趨于恒定.從圖7b）可以看到在0.9 m以下的空間內，隨著高度的增加，風速逐漸增大；在0.9～1.5 m的高度空間內，隨著高度的增加，風速逐漸減小；1.5 m以上空間點的風速基本趨于0.

圖6 測試點PPDFig.6 PPD of test point

圖7 垂直方向溫度速度變化曲線Fig.7 Temperature change curve of vertical direction

3 結論

分析辦公室房間在不同的送風速度下的室內熱舒適性，可以為設計人員在設計時選取合適層狀送風的送風速度提供參考依據，提高層狀送風房間的熱舒適性.隨著層狀送風這種的新的送風方式的提出和其優點的不斷發掘，越來越多的學者也開始關注與研究層狀送風.通過研究層狀送風受送風速度的影響可以得到以下結論：

1）層狀送風速度在0.8 m/s以下的范圍內可以保證室內人員的熱舒適性.送風速度低于0.8 m/s時熱舒適性最好，當送風速度為1 m/s時，PPD值大于40%，預測不滿意百分比偏高，不能滿足人體熱舒適性要求.

2）層狀送風條件下，房間內出現明顯的熱力分層.在1.5 m以下的區域，房間熱舒適性較高，有效的將空調控制區域控制在1.5 m以下的空間范圍內，利于建筑能耗的降低.

3）層狀送風條件下，在人體活動區域頭部的空氣溫度低，腳部空氣溫度高，符合人體頭涼腳暖的熱舒適性要求，有效的提高了房間內的熱舒適度.

[1]Rongyi Zhao，Shufeng Sun，Rongyi Ding.Conditioning strategies of indoor thermal environment in warm climates[J].Energy and Buildings，2004，36（12）：1281-1286.

[2]Lin Z，Chow TT，Tsang CF.Validation of CFD model for research into stratum ventilation[J].International Journal of Ventilation，2006，5（3）：345-363.

[3]Lin Z，Chow TT，Tsang CF.Stratum ventilation-a conceptual introduction[C]//Proceedings 10th International Conference Indoor Air Quality and Climate[C].Beijing，2005：3260-3264.

[4]Lin Z，Chow TT，Tsang CF.Perceived control of stratum ventilation system[C]//Proceedings of Climate 2007 Wellbeing Indoors.Helsinki，2007：168-175.

[5]林章，周天泰，曾志寬.層式通風——高溫空調下的出路[J].化工學報，2005，59（S2）：235-239.

[6]王灃浩，劉曉東，李遠斌，等.辦公建筑通風系統的實驗與數值模擬研究[J].制冷學報，2009，30（5）：45-50.

[7]ISO 7730：2005，Ergonomics of the thermal environment-analytical determination and interpretation of thermal comfort using calculation of the PMV and PPD indices and local thermal comfort criteria[S].

[責任編輯 田 豐]

Numerical simulation of the influence on indoor thermal environment by stratum ventilation

LIU Zeqin1，2，3，LIU Zhe3
（1.Engineering Research Center of Freezing and Cold Storage Technology,Ministry of Education,Tianjin 300134,China;2.Tianjin Key Laboratory of Refrigeration Technology,Tianjin 300134,China;3.College of Mechanical Engineering,Tianjin University of Commerce,Tianjin 300134,China）

This paper studies the effect of indoor thermal environment by air velocity from the stratum ventilation system in a typical office building.The CFX calculation software was used to study the temperature field,velocity field in human active area and thermal comfort in control area which was evaluated in different air supply velocities.Results show that the room appeared thermal stratification obviously in the vertical direction under the condition of stratum ventilation.The thermal stratification plane was located at the level of 0.9 m above the ground.In human active area,the room temperature of the zone over human acive area was higher than that in the human active area.And the temperature of human head was the lowest and that of the human foot was the highest in the human active area.The thermal stratification met the requirements of building energy conservation and thermal comfort of human body.The thermal comfort in control area was high when the range of supply air velocity was 0～0.8 m/s and fresh air could be effectively sent to the breathing area,thus the air quality of the breathing zone was improved.

stratum ventilation;thermal comfort;air quality;numerical simulation

TU834

A

1007-2373（2017）01-0094-04

10.14081/j.cnki.hgdxb.2017.01.016

2016-11-30

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，教授，博士，liuzq@tjcu.edu.cn.