室內空調風口風速對熱舒適度影響

張文雯 李上志 曾 理 邱舒婷

室內空調風口風速對熱舒適度影響

張文雯1李上志2曾 理2邱舒婷2

（1.浙江科技學院機械與能源工程學院 杭州 310000；2.溫州建正節能科技有限公司 溫州 325000）

傳統空調設備風口位置基本憑借暖通或安裝工程師的經驗進行布置，主觀性強，缺乏客觀的數據指導，并不完全滿足現代生活水平所要求的舒適度。采用CFD軟件，對溫州市城區某辦公樓的室內氣流組織進行模擬。根據模擬結果，從室內作業熱舒適性的角度出發，分析室內布局的有無對室內風速的影響，和在不同的送風速率下室內速度場合理性，并闡述不舒適的問題及改進措施，為工程應用提供參考。

室內氣流組織；CFD模擬；空調氣流速率

0 引言

隨著我國城鎮居民生活質量不斷提升，人們不僅對居住和工作環境的要求逐漸提高，對室內熱濕環境也同樣愈發重視，基于人的一生中80%的時間都在室內度過這個痛點，良好的室內環境已經顯著影響到了人的健康與工作、學習效率等[1]。因此項目團隊就位于夏熱冬冷地區的溫州市某辦公建筑4樓東側集中辦公空間展開氣流組織影響分析研究。

1 概述

影響室內熱舒適度因素主要由空氣溫濕度、風速和熱輻射組成。本文以室內風速作為研究突破口。

室內風速，也就是常說的“通風”。它不僅影響人體體表換熱，也促進著室內空氣的流通。當室內空氣流動性較低時，室內環境中的空氣得不到充分的更新，各種有害物質及常見廢氣（包括過多的二氧化碳氣體）不能及時得到排放，造成室內空氣質量惡化，影響人體健康。室內風速也非越高越好，特別處于夏季開啟空調制冷期間，當室內氣溫相對較低，風速較大，產生明顯的冷熱吹風感，容易造成人體不適，甚至影響身體健康。通常，風速以0.2m/s作為人體對風速可覺察的閾值，往往是用來確定室內風速的設計標準[2]。

2 室內氣流組織數值分析

2.1 研究目的

本文通過數值模擬，分析總結室內辦公空間的氣流組織顯性特征（①在同一送風速度下，室內有無家具布局對熱舒適性的影響；②研究不同送風速度對室內氣流風速的影響），從而獲取營造良好室內微環境的解決策略。

2.2 研究步驟

（1）選定典型辦公樓作為研究對象。

（2）著手調查典型辦公空間的日?？照{運轉情況，收集該辦公空間的空調系統的各項基礎資料，進行歸納整合。

（3）以歸納整合的數據作為數值模擬的邊界條件，進行仿真。

（4）呈現室內空間的風場結構分布狀況，結合現行熱舒適標準進行分析評價，并提出相應的改善措施。

2.3 研究對象確立

典型辦公空間選取對象應滿足規模適中且大開間的辦公空間，其平面布局、空調系統風口設計等因素能體現大部分辦公建筑的特點。本次模擬考慮實際數據采集因素，選取溫州設計集團大樓4樓作為研究對象。

該空間長寬高約為19m×17m×3.3m，內部通過辦公桌及書架進行分隔，含22張辦公桌，29個大小不同柜子。空調系統出風口和回風口各9個，出風口設于吊頂側邊，回風口位于吊頂下面，屬于典型的頂部送風系統。

2.4 實測及相關數據收集

（1）使用激光測距儀對辦公空間的平面尺寸進行現場測量，采用Sketch Up對室內空間模型進行還原，詳見圖1至圖2辦公空間平面圖和俯視圖。

（2）利用CFD模擬軟件STAR-CCM+軟件，對研究對象進行數值模擬。

（3）本次評價分析指標以《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》3.0.2條室內空氣設計要求對室內氣流組織模擬進行評價，如表1所示。

表1 室內風速對人體以及作業之影響[3]

圖1 辦公空間平面圖

圖2 辦公空間俯視圖

2.5 數學模型及邊界

為了對所研究問題進行簡化，本次數學模型設定為：

三維定常不可壓縮

介質為空氣：密度為1.18415kg/m3，動力粘性系數為1.85508×10-5Pa·s

采用分離式求解方法

雷諾應力平均方程

Realizable-湍流模式

高y+壁面函數

假定該模型是氣密性良好的封閉空間，不考慮門、窗漏風的影響。入口進風速率分別設置為：0.5m/s，1m/s，2m/s，3m/s，出口邊界采用壓力出口。

網格質量直接決定了計算的精度和結果，本次采用多面體網格。針對送回風口尺寸較小和速度梯度較大等地方進行局部網格加密，保證模擬精度。如圖3至圖4室內氣流模擬網格示意圖。

表2 室內氣流模擬網格設置尺寸

圖3 室內氣流模擬網格示意圖

圖4 送回風口網格加密示意圖

2.6 數值模擬分析

2.6.1 室內有無家具布局對熱舒適性的影響

圖5至圖9為在1m/s的送風風速下的無家具和有家具的室內風場示意圖。

圖5 無家具水平風速分布云圖（V=1m/s）

圖6 無家具垂直氣流分布云圖（V=1m/s）

由圖5、圖6可知：無家具情況下，除東側入門處儲藏間出現一塊低風區外，其余區域氣流通暢。在a作業區形成加速風，平均風速在0.25m/s，其他作業區平均風速在0.1m/s左右，風速均勻度不理想。

不同風速下，室內氣流分布形態基本一致，整理不同送風風速情況下模擬結果，得表3室內速度范圍分布，由此看出平面與截面風速隨著送風口速度的增加而增加，且豎直與水平截面處速度相差不大。

表3 室內速度范圍分布

圖7 有家具水平風速分布云圖（V=1m/s）

圖8 有家具水平氣壓分布云圖（V=1m/s）

圖7～圖9為家具布置后室內氣流分布圖，由結果可知，室內大部分區域氣流通暢。對比無家具氣流分布，最大風速區域依舊在a作業區，但面積有所縮小，在b和c區風速減弱，不同程度出現低風區，從截面氣流分布也可明顯了解b作業區空間氣流較小。a作業區平均風速最大在0.13m/s，其他作業區平均風速在0.09m/s左右，風速均勻度有一定改善。

當送風速率一定時，布置家具后室內氣流最大風速從0.45m/s遞減到0.22m/s，速度遞減幅度達到50%左右，遞降明顯。

由圖8和圖9可看出，空調系統將處理后的空氣以高于熱舒適指標的速度從室內空間上部頂棚側面送入，高速空氣射流和空間氣流形成融合，隨后送風射流的溫度迅速趨近于整個房間的溫度，射流流速也隨之降低，在室內南北兩側的墻壁上形成一道相對強壓，中部區域壓強較弱，促使室內氣流流動。

2.6.2 研究不同送風速度對室內氣流風速的影響

圖11 有家具水平風速分布云圖（V=1m/s）

圖12 有家具水平風速分布云圖（V=2m/s）

圖13 有家具水平風速分布云圖（V=3m/s）

四種不工況下，除變量送風速率變化外，其余參數保存不變，其室內的氣流分布軌跡基本一致，氣流分布數值隨送風速率變化而變化。整理結果如表4室內作業區氣流風速分布。

表4 室內作業區氣流風速分布

依據室內風速對人體以及作業之影響指標：（1）供熱工況下，空調系統送風速度2～3m/s時，室內氣流流速均＞0.2m/s不滿足評價要求，作業區辦公人員有較明顯的熱吹風感，熱舒適性較差。[4]送風風速在0.5m/s時，空間內氣流較緩，容易造成氣悶；（2）供冷工況下，室內氣流速率應控制在0.25m/s范圍內，熱舒適性等級2級可適當放寬到0.3m/s，從模擬結果可知，僅送風速度3m/s不滿足評價要求，其余三組工況均符合要求，熱舒適性依次為2＞1＞0.5。

2.6.3 小結

本文通過數值模擬分析，以室內風場結構分布和內表面風壓作為判定指標，對室內氣流組織進行定量分析。結果表明：（1）當各參數一定時，變量僅為氣流速率時，其室內氣流軌跡基本不變，流分布數值隨送風速率變化而變化；（2）有無家具布置氣流軌跡分布差異明顯，且布置家具后其速度遞減幅度在50%左右；（3）供冷和供熱對設備送風速率要求不一，供冷工況熱舒適度1＞0.5＞2＞3，供熱工況則為2＞1＞0.5＞3。

3 室內氣流組織問題及改進措施

綜上所述，該辦公空間無論有無家具布置，其室內整體氣流組織較為良好，大部分作業區氣流均衡，未出現大面積的無風區和渦旋區，但在局部區域依然出現舒適性較差的區域，如a作業區出現加速區、b和c作業區形成小面積的低速區等。具體原因如下：

（1）無論是否布置家具，在a作業區均出現加速風，主要原因是小房間內形成全空間最大風壓差，促使氣流加速，再經通道效應增速，該區域作業人員容易形成較強的冷熱吹風感。

圖14 a作業區放大圖（左風壓&右風速）（V=1m/s）

（2）b作業區位于回風口下方，氣流在形成內循壞時，受b區的桌子隔板影響，被迫繞流，該區域不能形成有效的通風路徑，通風較差，利于污濁氣流聚集，不宜長時間辦公作業。

圖15 b作業區豎向截面放大風速圖（V=1m/s）

Fig15 b Vertical wind velocity enlarged view of work space（=1m/s）

（3）c作業區主要由于該區域未設置出風口。

圖16 c作業區放大圖（左風壓&右風速）（V=1m/s）

針對上述問題，提出以下幾點改進措施：（1）在a區上風向書架上增加一定的植物盆栽，減少風口直射小房間，削減小房間里的風壓；（2）b區辦公桌降低桌子隔板高度或直接取消，構建通風路徑；（3）c區則只要增加風口即可改善。

4 結語

傳統空調設備風口位置基本憑借暖通或安裝工程師的經驗進行布置，主觀性強，缺乏客觀的數據指導，并不完全滿足現代生活水平所要求的舒適度。因此，本文采用CFD模擬技術手段，通過數值模擬結果，客觀評價辦公空間內的氣流組織，提出改善措施及意見，提高室內人員的舒適性。

[1] 丁偉翔,劉春林,劉紅梅.基于正交設計的不同送風參數對室內氣流組織和舒適性影響的模擬研究[J].建筑節能,2018,46(11):51-56.

[2] 徐小林,李百戰,羅明智.室內熱濕環境對人體舒適性的影響分析[J].制冷與空調,2004,(4):55-58.

[3] GB 50736-2012,民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范[S].北京:中國建筑工業出版社,2012.

[4] 丁偉翔,劉秀會,金羽佳.基于Fluent的某超市空調工況下室內氣流組織模擬[J].建筑熱能通風空調,2018, 37(9):60-63.

The Influence of Indoor Air Conditioning Outlet Wind Velocity on Thermal Comfort

Zhang Wenwen1Li Shangzhi2Zeng Li2Qiu Shuting2

( 1.School of Mechanical and Energy Engineering, Zhejiang University of Science and Technology, Hangzhou, 310000;2.WenZhou JianZheng Energy Technology Co., Ltd, Wenzhou, 325000 )

The position of outlet of traditional air-conditioning equipment is based on the experience of HVAC or installation engineers, which is subjective and lacks objective data guidance, and does not fully meet the comfort required by modern living standards. In this paper, CFD software is used to simulate the indoor air distribution of an official building in Wenzhou city. According to the simulation results, from the perspective of indoor thermal comfort, this paper analyzes the influence of indoor layout on indoor wind velocity, discusses the rationality of indoor velocity situation under different air supply rates, and expounds the uncomfortable problems and improvement measures, provide reference for practical engineering application.

Indoor airflow organization; CFD simulation; Air conditioning airflow rate

1671-6612（2019）06-674-05

TU834

A

張文雯（1997.10-），女，本科，E-mail：591614165@qq.com

2019-02-13