空調器位置對室內氣流組織的影響分析

喬哲明

（中信建設有限責任公司，天津 300000）

1 商住樓建筑概況

該項目建筑位于北京市，是一棟地上8層、地下1層的商住綜合樓，內部房間主要用途為辦公室和營業廳。建筑總面積為31 059.8 m2，空調器的覆蓋面積為24 847.8 m2。

①第3層為營業廳。該層的室內標準溫度為27℃，溫差不超過1℃，顯熱冷負荷超過526 kW。該層室內總面積為3827 m2，共設有47臺散流器，單臺散流器的送風范圍為52.9 m2，水平射程為3.29 m，垂直射程為3 m。空調器送風溫度差是10℃，單位送風量為41.8 m3/h，換氣頻率為10次/h。喉部風速達到4 m/s，軸心溫差僅為0.88℃。②第5層為辦公室。考慮到辦公層中包含若干面積各異的小房間，因此，需結合各個房間的空間平面結構選定散流器的安裝位置。該層的室內標準溫度為26℃，溫差不超過1℃，顯熱冷負荷為864 kW。室內面積達到11 481 m2，空調器覆蓋范圍為7763 m3。以其中一個房間為例，該房間設置兩臺散流器，單臺散流器的送風范圍為64 m2，水平射程為4.08 m，垂直射程為3 m。送風溫度差是6℃，單位送風量為55 m3/h，換氣頻率為5次/h。喉部風速為4 m/s，軸心溫差為0.76℃。③地下1層和地上第1～2層的空調器均按照建筑標準層設置，僅結合熱濕負荷進行細微調整。④建筑第4～8層均按照第5層的標準進行氣流組織設計。建筑第5層的空調器送風設計如表1所示。

表1 建筑第5層的空調器送風設計

2 室內氣流組織評價指標

（1）溫度梯度。空調房若流入與原本溫度有差異的氣體，或者室內存在熱源，都會在垂直方向上產生溫度梯度。人體適宜標準是指活動區域從地面向上的0.1～1.1 m范圍內，溫差需在3℃以內，該標準是按照坐姿確定的。此外，還有一種標準是從地面向上的0.1～1.8 m范圍內，溫差要在3℃以內。秉承可靠性的原則，溫度梯度建議采用后者。

（2）活動區風速。這項指標是影響室內熱環境舒適度的關鍵要素之一。溫度偏高的空間能通過提升風速加快氣體流動，保持室內的舒適度，但如果風速太大，則會影響人體感受。試驗結果顯示，風速不足0.5 m/s的情況下，人體通常不會有明顯感受。根據我國室內風速的相關規定，冬季時，室內風速不可超過0.2 m/s，夏季則要控制在0.3 m/s以內；工作區空調器的冬季室內風速需控制在0.3 m/s以內，夏季則可設置成0.2～0.5 m/s[1]。

（3）氣流分布。在空調房內，容易引起人體不適的主要問題通常是吹風感。而該感受的主要形成原因是空氣溫度與風速導致人體局部區域產生冷的感受，引發不適感。衡量室內有無吹風感的主要指標是有效吹風溫度。相關表達式為：

其中：EDT——有效吹風溫度，℃；tx——室內某處溫度，℃；tm——指室內某處溫度均值，℃；vx——室內某處風速，m/s。在辦公區域內，當EDT處于-1.5～1℃，vx在0.35 m/s以內，大部分人都會有舒適感，利用EDT判斷室內空間有無吹風感是具有可行性的。室內氣流分布主要借助相應的特性指標（ADPI）確認，其實質是在空間范圍內，各處符合EDT以及風速規定的點位占整體的比值。

（4）通風效率。通風效率是實際參加稀釋的風量與送入室內通風量的比值。通風效率和空調器安設位置及送風量都有較大的聯系。另外，通風效率也能看成一種經濟性指標，其數值大，意味著排出一定量污染物，實際需要的新鮮空氣更少，對應的氣體處理與傳輸能耗更小，空調器運行成本更低。

（5）空氣齡。其是空氣質點從送入空間內到抵達空間內部某處的時長，此概念較為抽象，現場檢測難度大，對此通常根據氣體濃度估計局部區域的空氣齡。由送風口射出的氣體進入空間中不斷流動時會摻入污染物，令氣體清潔度與新鮮程度降低。因此，若空氣齡偏小，則意味著傳遞到某處的氣體攜帶污染物少，同時清除污染物的效率更佳，這顯然能評估氣體流動形態的合理性。

（6）換氣效率。其能衡量室內換氣效果，屬于氣流組織的重要參數，不涉及污染物的問題，其等于氣體最短滯留時長與室內氣體整體平均滯留時長之比。從某個角度上看，換氣效率能被定義成最佳空氣齡均值和室內空氣齡均值的比值。換氣效率能說明氣體流動情況的合理性，而該比例的最佳取值是1，但是室內普通氣流組織都在該數值以下[2]。

3 空調器安裝位置對室內氣流組織影響的試驗分析

3.1 物理模型

在分析空調房內環境時，為保持綜合樓室內的舒適度，先模擬氣流組織與熱環境。分析對象為散流器，探討其送風均勻性和喉部結構優化的問題，構建相應的物理模型與數學模型，借助數值求解的方式，探究最優的安裝位置。分析對象有2個：①送風末端管道，其風管尺寸為320 mm×200 mm，在其末端連接的散流器喉部截面規格為220 mm×220 mm，此處喉管長度分別設置成0.1 m、0.2 m、0.3 m。②風機盤管接風管送風，其送風管尺寸為1250 mm×245 mm，長度為5 m。該風管連接的兩個喉部截面尺寸為220 mm×220 mm，長度為0.3 mm。兩處送風口間距為3.5 m。由于風管外面裹有保溫材料，因此建模時將風管簡化成完全絕熱。相應的物理模型如圖1、圖2所示。

圖2 物理模型（二）

空調器送風屬于不能被進一步壓縮的流體，在后期數據分析期間，可利用高精度的求解裝置，借助微分方程，以有限容積為指標，求出物理模型的各項尺寸參數，其中數值差分格式選擇一階迎風形式。

3.2 邊界條件

在物理模型中，把風管入口當成速度進口，設置機組末端與主干風管等的風速參數，其中，物理模型（一）對應的入口風速分別設置成4 m/s、6 m/s與8 m/s，基于此進行對比分析。物理模型（二）實際入口風速直接設置成6 m/s。散流器送風溫度都調整到26℃。出口是充分開放的區域，為了簡化分析過程，其他邊界都當成絕熱邊界，室內氣流組織整體流場按照速度入口邊界實施初始化設置。

3.3 結果分析

利用專業軟件程序構建模型，為了讓模型展現的效果盡量貼近現實，在設置網格時采取無關性的分析。通過系統運行計算，物理模型（一）的網格距離為0.005個單位，散流器喉管長度分別取值為0.1 m、0.2 m、0.3 m，相應的網格數量分別為55.072萬、58.944萬、62.816萬；物理模型（二）的網格取值為0.1個單位，實際數量為127.904萬。因為模擬模型結構比較規則，在設置網格時，選擇六面體的網格。在網格設定結束后，直接把相應數據導進專業軟件進行模擬運算[3]。下文以活動區域風速、通風效率及氣流分布情況為例進行分析。

3.3.1 活動區域風速

當散流器喉管長度為0.3 m時，在各個試驗風速條件下，空調器末端風管與喉部出口位置的速度場分布有差異。總體來看，無論水平風管的風速如何變化，散流器喉管內部的氣流組織幾乎不變，例如，在喉部截面處，即在喉部截面垂直于風管出口方向上的兩側分布最大與最小風速，接近上風向的區域形成氣流“死區”，速度趨近于0。同時，下風向區域的風速最快，此時兩側空氣分布差異過大。散流器喉部截面順著風管送風方向區域的速度場比較均勻，氣流組織趨于合理[4]。

3.3.2 通風效率

在實際的安裝建設項目中，散流器的喉管長度一般為0.1～0.3 m，當其他環境條件一致的情況下，可將喉管長度分別設置成0.1 m、0.2 m、0.3 m。通過軟件模擬可以發現，喉管長度偏小時，流場“死區”范圍隨之縮小，并且在喉部截面周圍的氣流組織也更加合理，室內環境的舒適度更高。當喉部截面的高速氣流區域面積不斷縮小時，周圍風速差值也會更小，使室內氣流組織更為合理，通風效率也趨于平穩。其中，垂直短管的尺寸是根據水平風管和室內吊頂間距確定的。安裝施工期間，在符合其他條件要求的前提下，需盡量拉近散流器和短管的間距，如此才能使喉部流場和風管內部流場距離更近，保持通風效率，使散流器周圍送風比較均勻，有利于優化室內氣體組織。

3.3.3 氣流分布情況

安裝空調器時，為適應建筑吊頂條件，風機盤管可能要額外連接水平風管，用于下送風。由于送風位置的差異，造成送風抵達相應風口過程中承受的阻力有區別，而且動壓與靜壓也會有差別，進而影響送風的風量。在風口和風機盤管出口實際間距拉近后，送風量會有所增加。為了有效分析空調器位置及喉部氣流分布情況，利用物理模型（二）進行分析，盡量得出比較準確的結論[5]。

送風位置分析物理模型如圖3所示。具體來說，散流器Y比較接近風機盤管的出風口，而散流器X則接近風管的末端。因為兩個散流器安裝位置有差異，流場狀態略有不同。簡單來看，散流器Y的氣流組織不均勻，而且流場速度偏快，在喉部前后區域的速度差值較大。散流器X同樣有流場不均勻的問題，但和散流器Y相比，其氣流組織較佳。出現上述情況的主要原因在于二者安裝位置的差異，散流器Y接近風機盤管，所以送風量較多，存在嚴重的氣流擾動問題，氣流組織較差。而散流器X距離風管末端更近，送風量偏小，氣流組織也就比較穩定。并且設置在風管末端的擋板可以作為氣體導流機構，加強對室內氣流組織的調節。

圖3 送風位置分析物理模型

4 結語

綜上所述，氣流組織關系著室內環境的質量，并且受到空調器安裝位置的影響。在實際設計中，建議考慮將散流器盡可能貼近風管末端設置，這樣可穩定送風量，保持室內氣流組織的穩定性，使房間內部流場更加舒適。并根據建筑內部空間格局，配置適當數量的散流器，確保空調器能發揮出實際價值。