卡式風盤送風角度對室內熱舒適度的影響分析

沈文增，莊兆意，李彬，王斌

1.山東建筑大學熱能工程學院,山東濟南250101

2.山東博物館機電設備部,山東濟南250014

隨著社會經濟發展，人們對室內環境品質的要求越來越高。據調查，人員在室內活動的時間占比可達80%以上，通過調節空調送風參數來提高室內空氣熱濕品質，達到更好的熱舒適性，對提高人們生活質量有重要意義。在設計過程中，空調位置及空調送風角度對室內舒適性影響較大。如合理設計，可有效地改善室內熱濕環境、提高室內舒適度、降低空調能耗，從而節約建筑能耗及生態能源。而目前空調系統形式及末端的多樣性，使得對可調節送風角度的末端形式缺乏深入研究[1]。

辦公室是辦公人員長時間停留的場所，因而對其室內熱舒適性及空氣質量要求很高。通過計算流體力學(computational fluid dynamics，CFD)方法，在設定某室內環境參數下，通過對改變送風角度進行模擬，可有效對室內溫度、速度場等指標進行綜合性評價，進而分析室內空氣品質、熱舒適性。姚潤明等[2]利用CFD技術對空調房間進行數值模擬，分析了室內PMV-PPD，為室內舒適度的研究奠定了基礎；江億等[3]通過實驗研究為主，CFD技術模擬為輔，得出空調室內空氣齡分布，并推導出室內空氣齡的輸運方程。袁東升等[4]通過控制變量法對室內氣流組織進行研究，在相同的室內條件下，以氣流組織形式為變量，進行數值模擬，研究成果為空調房間的室內熱舒適度及氣流組織形式的優化提供參考。

本文利用Airpak 軟件對某建筑辦公室進行建模與數值模擬，設置空調參數(送風角度、溫度、速度等)，對比卡式風盤送風角度分別為30°、45°、60°、90°時對室內熱濕環境的影響，總結出室內熱舒適度分布特征，為合理選擇送風角度、調節室內氣流組織，從而達到更高的熱舒適性提供依據，也為空調專業的設計、研發、系統優化等提供了可靠的支撐。

1 數值模擬

1.1 物理模型

以某建筑內辦公室為模型，利用Airpak 軟件進行1∶1比例建模，房間幾何尺寸為6 m×4 m×3 m(長×寬×高)；風盤采用某廠家生產的卡式四出風風盤，布置在房間中心位置，負責室內4人工作區熱濕環境調節；每人配置一臺電腦；室內布置4盞熒光燈。房間模型及卡式風盤示意圖如圖1、2所示。

圖1 房間物理模型

圖2 風盤示意

將整個辦公區域作為計算域進行四面體網格劃分，網格尺寸0.15 m，網格單元數173 832，詳細外圍護結構、室內器具尺寸參數與邊界條件見表1。

表1 房間模型參數

1.2 房間實驗參數

空調室內空氣參數因室內氣流流動和分布狀況的影響而發生變化，這些都取決于空調系統形式，包含送回風口的形式、尺寸、位置，送風溫度、送風速度、送風角度[5]等影響因素。故要達到良好的室內熱舒適環境，就應結合建筑類型及空間構造，合理調整送風參數以達到良好的室內熱舒適性。

夏季舒適性空調的室內設計溫度建議值為24～28℃,設計相對濕度建議值為40%～60%，工作區溫差滿足ΔT≤3 ℃，風速v≤0.3 m/s[6-7]。按要求，此處取空調室內設計狀態點參數為設計溫度25℃、設計濕度RH 55%、含濕量10.89 g/kg、焓值52.88 kJ/kg、送風溫差6℃。

經負荷計算，得房間余熱2 250 W，余濕0.113 3 g/s，得送風狀態點參數為送風溫度19℃、送風含濕量10.56 g/kg、送風量0.33 kg/s、風口風速3.31 m/s。

風盤安裝在房間中部，送風角度由速度偏移量確定。室內辦公人員取坐姿打字狀態：新陳代謝率[8]為63.965 W/m2；服裝熱阻采用夏季經典穿搭為0.61 Clo。考慮實際送風狀態，送風角度選取與水平方向夾角分別為30°、45°、60°、90°的情況進行模擬分析。

2 數學模型

本文采用Airpak 軟件內置標準κ-ε模型，為便于計算室內空氣流動狀態與換熱情況、對室內狀態做以下簡化和假設：1)假設辦公室為封閉空間；2)不考慮門窗縫隙漏風、空氣滲透等影響；3)房間墻面、門窗設為定壁溫、定熱流密度，具體數值參考表1；4)室內空氣擬處理為穩態湍流流動，不可壓縮且符合Boussinesq 假設，其余物性取常數；5)忽略粘性耗散作用。

數值模擬過程所需要的流體流動與換熱的基本控制方程選用的是采用Launder 及Spalding 等提出的平均湍流能量模型：κ-ε雙方程湍流模型，控制方程[9-10]主要有以下4個：

1)連續性方程。對于不可壓縮流體，其流體密度為常數，方程可簡化為

3 結果分析

3.1 評價指標

文中熱舒適性評價指標按照《熱環境的人類工效學-通過計算PMV 和PPD指數與局部熱舒適準則對熱舒適進行分析測定與解釋》(GB/T 18049-2017)進行評價[11]，即PMV-PPD評價方法，其數值分別用PPMV和PPPD表示，依據溫度(T)、相對濕度( ΦRH)、風速(v)、空氣齡(t)等[12-15]指標進行綜合評價。舒適區間為-1≤PPMV≤+1，PPPD≤27%。PMV 用于評價室內環境冷熱感，通過客觀的數字反映人體所處環境的冷熱感。一般遵守ASHRAE 7 分制[16]，如表2所示。PPD即預測不滿意百分數，一般不超過10%。

表2 PMV 熱感覺標尺

PMV-PPD熱舒適性評價指標是綜合考慮人體因素及所在環境因素后給出的[17]。人體因素包括人體活動程度、服裝熱阻等；環境因素包括室溫、空氣相對濕度和室內空氣流速等。

Fanger 提出的通過兩者的定量關系及關系曲線來反映人體對熱環境的評價[18]，兩者定量關系為

空氣齡[19]是指空氣自進入房間開始至到達室內某點所歷經的時間。常用以評價室內空氣品質，可用于綜合評價房間的通風換氣效果。

跟據ASHRAE Standard 55-2017[20]，PPMV=0時，人體熱感覺處于最舒適狀態，此時PPPD=5%，表明即使室內熱環境處于最佳的舒適狀態時，仍存在5%的人感到不滿意。本文把PPPD≤10%，-0.5≤PPMV≤0.5的人體感覺定義為舒適狀態，即表明在-0.5≤PPMV≤+0.5時，最多允許有10%的人感到不滿意。

3.2 最優送風角度分析

模擬取人體坐姿狀態，測點高度Y分別取h1=0.1 m(人體腳踝處位置)、h2=0.7 m(人體坐姿中心處位置)、h3=1.1 m(人體坐姿頭部位置)、h4=1.7 m(人體站姿頭部位置)、h5=2.4 m(人員活動最大高度)，考慮外窗得熱影響及人體彼此間的熱影響選取3個觀測點，測點平面布置圖如圖3所示。在人體活動范圍高度0.1～2.4 m 內，取近窗側觀測點1(1.2,Y,2)，主要考慮外窗得熱對室內熱濕環境的影響；觀測點2(兩人距離中心)(3,Y,2.8)，主要考慮人體間輻射換熱與氣流阻擋的影響；遠窗側觀測點3(4.8,Y,2)，主要用于與近窗側數據做對比。

圖3 觀測點平面示意

分別以送風角度30°、45°、60°、90°進行模擬分析。室內熱濕環境優劣以室內溫濕度、工作區風速為依據，以PMV-PPD作為最終評價標準，通過模擬得到不同送風角度下室內3個觀測點在不同測點高度的PMV-PPD數據分布差異，如圖4～6所示。

圖4 觀測點1 PMV-PPD垂直分布

圖5 觀測點2 PMV-PPD垂直分布

圖6 觀測點3 PMV-PPD垂直分布

觀測點1在1～1.5 m 高度內。PPD-PMV 趨勢分布一致，呈現先升高后下降的趨勢。0.2≤PPMV≤0.8，5%≤PPPD≤20%，由于受電腦與人體散熱及窗戶得熱影響，局部熱量集中，相對于0.1～0.7 m、1.7～2.4 m 區間熱舒適性較差。

觀測點2在0.5～1.5 m 高度內。90°垂直送風時，受桌面擋板作用，起到導流效果，將未經充分熱交換的新風沿桌子平面送達觀測點2位置，造成局部熱舒適性較好。

觀測點3處于房間標準室內，受外窗得熱及電腦散熱直接影響較小，熱舒適性較好，在45°送風時，基本保持PPMV=0，PPPD=5%。

從圖4～6可以看出，在3個觀測位置的不同測點高度，PMV-PPD分布具有協同一致性，對比觀測點1、3可以明顯得出，外窗得熱對室內熱濕環境有明顯影響，遠窗側舒適度優于近窗側，可以通過適當采取遮陽措施改善。根據人體最佳舒適度評價標準可以看出，送風角度優劣排序為45°＞30°＞60°＞90°。大角度送風 時，氣流直接送入人體工作區，風速未經充分衰減，未與室內熱空氣進行充分熱交換，空間冷熱不均，體表吹風感強，熱舒適性較差；小角度送風時，雖能有效降低人體吹風感，但制冷范圍集中在房間中上部，射流不易到達底部空間，與底層空間熱交換不足。整體來看，遠窗側熱舒適性最優，最差的為近窗側，這是由于外圍護(主要是外窗得熱)傳熱導致局部升溫形成熱壓，阻礙送風氣流的到達，導致近窗側制冷效果降低。從近窗側向遠窗側方向，整體熱舒適性漸好。

3.3 制冷工況送風角度45°熱舒適性分析

以送風角度45°為例，圖7為房間中心(XOY平面，Z=2 m)截面處氣流組織分布。受近窗側熱壓影響，部分送風氣流受阻，且受回風口影響，易發生射流短路，未能充分到達外圍護處，造成制冷效果降低，空間熱舒適性降低。房間內側送風通順，在送至房間內壁后下降，部分通過回風排出，一部分沿低層空間流動后通過回風口排出，氣流組織與制冷效果較好，舒適性較好。

圖7 Z=2 m 時氣流組織分布

受氣流組織分布影響，空間溫度、速度分布會發生變化進而影響人體熱舒適度與空氣品質。45°角度送風時，房間進深方向(XOY截面，Z=2.8 m)人體截面處速度、溫度、相對濕度、PMV-PPD、空氣齡分布云圖如圖8、9所示。

圖8 Z=2.8 m 人體截面處溫度、速度、濕度分布云圖

圖9 Z=2.8 m 人體截面PMV-PPD、空氣齡分布云圖

在送風角度為45°時，由圖8的速度、溫度、濕度分布云圖，我們可得到以下數據：風速0.07 m/s≤v≤0.1 m/s；工作區溫度23.67℃≤T≤25.38℃；溫差ΔT≤3℃；相對濕度54.6%≤ ΦRH≤57.1%；5.0≤PPPD≤9.08；-0.14≤PPMV≤0.44。在人體表面與電腦附近受散熱、散濕與熱輻射影響，局部不適，整體滿足公共建筑節能設計標準GB 50189-2015對熱舒適性的要求。圖9中，空氣齡分布與氣流組織分布相同，受近窗側熱壓影響，空氣齡相較于室內遠窗側數值偏高，從近窗側到室內遠窗側區域，空氣齡數值逐漸降低，258.8 s≤t≤300.6 s。

送風以45°射流角送出后，風速較高，與壁面接觸向下送風，并與回流作用形成空間渦旋，速度較低，在到達人體坐姿頭部高度Y=1.1 m 的過程中，經過充分速度衰減與熱交換，速度與溫度等參數均達到人體適宜標準。受外圍護傳熱影響，外墻、外窗處溫度較室內高，形成局部熱壓，阻礙送風氣流的到達，氣流組織分布較差，熱舒適性較差，沿近窗側到遠窗側，房間進深方向，氣流組織分布趨于合理，制冷效果變好，熱舒適性漸好。

4 結論

本文選取某小型辦公室為例，采用Airpak 軟件進行模擬計算，針對房間內溫度、風速、濕度分布，按照PPD-PMV 標準進行分析，在制冷工況下，得出以下結論：

1)在人員最大活動范圍高度0.1～2.4 m 內，卡式風盤最優送風角度為45°，當采用45°送風角度時，射流經過充分速度衰減與熱交換，室內熱舒適性最好，其他依次為30°、60°、90°。

2)受近窗側熱壓影響，水平方向沿X軸房間進深方向熱舒適性漸好；可適當采取外窗遮陽措施降低對室內熱濕環境影響。

3)送風角度為45°時，工作區溫度23.67℃≤T≤25.38℃，ΔT≤3℃；相對濕度54.6%≤ ΦRH≤57.1%；風速0.07 m/s≤v≤0.1 m/s；-0.14≤PPMV≤0.44，滿足公共建筑節能設計標準GB 50189-2015對熱舒適性的要求；5.00%≤PPPD≤9.08%；258.8 s≤t≤300.6 s，人體舒適度好，空氣品質較高。