半集中式空調系統新風調適對酒店客房的熱舒適性影響研究

鐘思宇, 張永東, 黎 強,黃萬喬, 袁小晴, 吳國睿

1. 西南大學 工程技術學院， 重慶 400716； 2. 西南大學 后勤集團， 重慶 400716

風機盤管加獨立新風空調系統是一種典型的半集中式空調系統， 其具有布置靈活、 占用空間少、 可獨立調節等優點， 在酒店、 辦公樓、 醫院等場合中被廣泛應用． 根據空調設計負荷合理地進行風機盤管及新風機組選型是保證空調房間熱舒適性的關鍵[1-2]． 工程應用中， 通常采用將新風處理到室內空氣焓值、 風機盤管承擔室內負荷的設計方式[3]， 但在實際使用過程中， 由于存在風機盤管選型不當以及風機盤管長期使用結垢等原因， 導致風機盤管出力偏小的情況． 與此同時， 由于新風系統未進行充分的調適， 易出現系統所服務房間新風不均[4]， 相關學者采用數值計算等方法對半集中式空調系統所服務房間的室內熱環境進行了較為深入地研究[5-6]， 而通過新風調適來改善室內熱舒適性的研究尚需進一步深入．

本文以重慶某酒店頂層東向房間為研究對象， 實測發現在夏季運行工況下， 其室內相關參數偏離了設計工況， 研究擬采用空氣溫度、 空氣流速和PMV為評價指標， 通過增加房間的新風量、 降低新風機組出口空氣焓值等調適方法改善室內熱舒適性， 以期達到設計狀態， 為半集中式空調系統的工程運行調適提供指導．

1 設計概況與數值求解方法

1.1 設計概況

本文研究對象為采用風機盤管加獨立新風空調系統的重慶某酒店頂層東北角標準客房， 其夏季室內空調設計溫度25 ℃， 相對濕度55%， 設計新風量100 m3/h， 該房間夏季設計總冷負荷為3.62 kW， 其中新風冷負荷為0.91 kW． 設計選用了1臺三排管風機盤管承擔室內冷負荷， 其設計風量為340 m3/h、 冷量為2.58 kW， 所選新風機組風量為3 000 m3/h， 冷量為42.3 kW， 擔負了包括所研究房間在內的頂層客房的新風供給．

圖1 房間模型圖

1.2 幾何模型及數值算法

該客房實際尺寸為4.2 m×6.1 m×2.6 m， 東、 北面墻為外墻， 西、 南面墻為內墻， 北外窗尺寸為1.9 m×2.6 m． 幾何模型忽略除床以外物體， 衛生間門保持常閉狀態， 如圖1所示． 為簡化計算， 假設室內氣流為常溫、 低速的不可壓縮牛頓流體的穩態湍流， 符合Bossinesq假設[7-9]． 采用標準k-ε湍流雙方程模型， 包括湍流動能方程、 湍流能量耗散率輸運方程． 其網格劃分采用非結構四面體網格， 對進風口、 送風口溫度、 速度變化較大處的網格進行了加密處理， 綜合考慮迭代次數、 計算資源及計算精密度， 將該模型劃分為約75萬個非結構網格單元， 13萬個網格節點， 采用一階迎風格式的有限體積法進行離散， 離散后代數方程采用壓力耦合方程組的半隱式迭代算法(SIMPLE算法)進行計算收斂， 流動方程和能量方程的收斂標準分別控制在10-3和10-6數量級．

1.3 邊界條件

各壁面及送風口溫度采用室內實測溫度計算平均值， 假定室內人員負荷、 照明負荷、 設備負荷均勻分布， 經計算其和為515 W， 故添加室內體熱源為10 W/m3， 各邊界類型及邊界參數見表1．

表1 邊界條件

2 實測與模擬計算分析

2.1 實測內容

圖2 測點布置示意圖

本研究對東北角客房的空氣溫濕度、 空氣流速及圍護結構的壁面溫度進行了測試． 采用TES-1360A溫濕度兩用儀測量送風口溫度、 濕度及室內測點溫度， 并通過SIN-R960多接口無紙記錄儀記錄房間溫度數據． 同時通過ZRQF-F30HJ型熱球式風速計和手持紅外測溫儀分別測量并記錄送風口、 室內測點風速和壁面溫度． 室內溫度場、 速度場實測選擇y=1 m和y=1.5 m兩個典型橫截面的18個測點， 測點分布如圖2所示． 各壁面、 外窗及送風口均布置9個測點， 每個測點記錄3次數據， 保證數據準確性．

2.2 實測值與模擬結果對比

現場檢測發現， 該房間新風管道的閥門開度極小， 導致房間未有新風補入， 故采用無新風狀態邊界條件數值模擬結果與實測結果進行對比． 圖3、 圖4為各測點溫度、 風速實測值與模擬值的對比圖， 由圖3可知， 各測點溫度實測值與模擬值平均相對誤差為1.59%， 最大絕對誤差為1.23 ℃， 兩者溫度分布基本吻合． 由圖4可知， 各測點風速實測值與模擬值平均相對誤差為19.3%， 最大絕對誤差為0.05 m/s， 相對誤差較大原因為模擬計算中將風量均勻分布于送風口各測點， 而實際運行中送風口各測點風速分布不均， 風口中央測點風速較大， 氣流較為集中， 且實測時室內氣流受到了人員活動的影響， 風速相對誤差處于可接受范圍內， 模擬值基本符合實際風速分布情況， 上述分析驗證了采用的數值模型及計算方法是可靠的．

圖3 房間溫度實測值與模擬值對比

圖4 房間風速實測值與模擬值對比

圖5 無新風狀態高度1 m處室內溫度場模擬結果(℃)

為更全面地評價室內熱舒適性， 以下引入ISO7730標準中預測平均投票數PMV指標， 該指標綜合考慮了人體活動程度、 衣著情況、 空氣溫度、 平均輻射溫度、 空氣流動速度和空氣濕度6種因素， ISO7730中PMV指標推薦值范圍為-0.5～0.5[10-11]．

圖5-圖7為房間無新風補入、 高度為1 m處的溫度場、 速度場、PMV指標模擬結果． 由圖可知室內平均溫度為27.48 ℃， 最高溫度為29.01 ℃， 室內溫度大于26.5 ℃的區域面積占比為83.94%； 室內平均風速為0.08 m/s， 最高風速為0.36 m/s， 人體無冷吹風感；PMV指標最高值為1.38， -0.5

圖6 無新風狀態高度1 m處室內速度場模擬結果(m/s)

圖7 無新風狀態高度1 m處室內PMV指標模擬結果

3 優化分析

根據溫度場和PMV分布情況可知， 所測房間室內空氣參數未達到設計狀態， 其主要原因為風機盤管選型偏小及盤管結垢等原因導致盤管冷量不足， 已經不能完全承擔室內負荷． 除此之外， 由于房間未有新風補入， 不能滿足人員的衛生需求并使室內換氣次數下降， 進一步降低了室內的熱舒適性． 為達到設計預期， 并節約更換風機盤管等設備的改造費用， 本文優先通過降低新風機組出口焓值、 增加房間新風量等調適方法來改善室內熱舒適狀況．

新風機組出口的新風焓值按照新風承擔部分室內顯熱負荷來確定， 通過增大新風機組冷水閥的開度來降低處理后的新風焓值， 根據風機盤管冷量不足的情況(測試日新風需承擔的室內顯冷負荷為0.21kW)和7～9 ℃的冷水供水溫度， 擬定新風機組的出口新風焓值為47.6 kJ/kg， 對應新風溫度為17.5 ℃， 相對濕度為90%． 結合《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》(GB50736-2012)中給出的30 m3/(h人)的客房最小新風量需求， 本文擬增設電動對開多葉調節閥調節客房新風補入并選取設計新風量的60%，80%，100%等3個工況進行分析(客房人數按2人計)， 各工況下混合風機盤管送風后的送風狀態點如表2所示．

表2 送風狀態點

圖8、 圖9為各測點在不同新風量工況下的PMV模擬值， 由圖可知， 同一測點PMV值隨新風量增加近似呈線性變化． 根據ISO7730標準中PMV指標推薦值， 由圖中PMV變化曲線得出各測點PMV=0.5時所需新風量， 結果如表3所示， 對小于60 m3/h最低新風量需求的測點按照60 m3/h取值， 大于100 m3/h設計新風量的測點按照100 m3/h取值， 可得所有測點的新風量均值即目標新風量為72 m3/h， 此新風量下1 m高度處溫度場、 速度場、PMV模擬結果如圖10-圖12所示． 由圖分析可知， 該高度截面空氣平均溫度為26.57 ℃， 較無新風狀態降低0.91 ℃， 降溫效果明顯； 該高度截面空氣速度分布較無新風狀態的變化較小， 其平均風速為0.096 m/s， 最高風速為0.44 m/s； 此高度截面相應的平均PMV值為0.267， -0.5

圖8 高度1 m處測點各新風量工況下PMV模擬值

圖9 高度1.5 m處測點各新風量工況下PMV模擬值

表3 各測點PMV=0.5時新風量 m3/h

圖10 目標新風量下高度1 m處室內溫度場模擬結果(℃)

圖11 目標新風量下高度1 m處室內速度場模擬結果(m/s)

圖12 目標新風量下高度1 m處室內PMV模擬結果

當前針對新型冠狀病毒引發的疫情， 客房新風調適尤為重要， 建議空調系統運行時加大新風量， 同時將新風機組的冷水閥全開， 盡可能降低新風機組的出風溫度， 讓新風盡可能多地承擔室內冷負荷并盡量減少室內風機盤管的開啟時間．

4 結 論

1) 本文依據實測工況模擬了研究的溫度場和速度場． 與實測數據相比， 室內溫度和風速模擬結果的平均相對誤差分別為1.59%和19.3%， 驗證了數值模型的可靠性．

2) 通過增大新風機組冷水閥的開度降低新風機組出口空氣焓值， 并選取設計新風量的60%，80%，100%等3個工況進行分析， 得出了各測點滿足PMV=0.5時對應的目標新風量為72 m3/h．

3) 模擬結果表明， 新風調適后室內平均溫度降低了0.91 ℃， 在高度1 m處的PMV分布圖中， 滿足-0.5