用于高大空間的新型風機盤管性能研究

劉乃玲井博凱范明昭

(1.山東建筑大學熱能工程學院，山東 濟南 250101；2.青島騰遠設計事務所有限公司，山東 青島 266061)

0 引言

近年來，為了應對“能源危機”，在建筑上采取了一系列措施以達到節能目的，如增加房間的密閉性、減少送入房間的新風量。 這些措施雖然在降低能源的消耗上具有積極意義，但卻會誘發“病態建筑綜合征”(Sick Building Syndrome， SBS)[1-2]，嚴重影響長期處在封閉建筑內辦公人群的健康、舒適度以及工作效率。 室內空氣環境質量是決定居住者健康、舒適的重要因素，而采取最恰當的氣流組織形式，實現優質高效運行，是室內空氣環境營造最重要的內容[1]。

高大空間由于負荷特性特殊、功能復雜等特點，在室內熱舒適性的營造上較一般的空調工程復雜，不同的空調形式及氣流組織所營造的室內熱舒適性存在著較大差異，同時若采用不合理的空調系統也會產生經濟性較差等問題。 金盛植等[3]針對上海某大空間建筑，運用EnergyPlus 模擬軟件，比較了兩種不同送風方式下的空調系統的全年能耗，結果顯示整個夏季采用柱狀下送風的空調系統能耗較噴口上側送風節能20.2%，整個冬季柱狀下送風較噴口上側送風節能66.2%，全年柱狀下送風較噴口送風節能27.3%。 因此，高大空間建筑空調系統能否達到較好的舒適效果和節能目的，很大程度上取決于空調形式及其氣流組織設計是否合理。 目前，大空間建筑室內熱環境和氣流組織的研究主要針對噴口送風的氣流組織形式，而對其他氣流組織形式的研究較少[4-7]。 XU 等[5]提出了格布哈特塊(Block-Gebhart ，B-G)模型來預測采用噴嘴送風的分層空調系統的對流換熱負荷，并且實驗驗證了B-G 模型計算的對流換熱載荷的理論解，表明B-G 模型在計算大空間分層空調系統對流換熱負荷時的可行性和準確性。 王海東等[8]采用計算流體力學(Computational Fluid Dynamics， CFD)模擬和縮尺模型實驗，研究了大空間建筑噴口側送風分層空調的豎直空氣溫度分布和負荷特性。 楊昕琦等[9]結合實驗和CFD 模擬方法，研究了采用柱狀下送風系統和側壁噴口送風系統時區域間對流轉移熱量和區域間溫差換熱系數的計算方法，討論了兩種系統區域間換熱情況。 CAI 等[10]提出了大空間建筑噴口送風系統下室內空氣垂直溫度和內壁溫度的模型，并且對噴口高度、送風量、室外綜合溫度等參數的分析，獲得了室內空氣垂直和水平溫度場分布特性[11]。 但由于噴口位置遠高于人員區，射流下方的誘導卷吸氣流無法到達人員區，因此回風口需布置在送風口同側使觀眾處于噴口下部回流區。 此外，由于送風溫差大、射程遠，冷空氣下降和熱空氣上升的現象十分明顯[12]，并且導致系統能耗高、經濟性較差等問題，但若采用普通風機盤管進行送風，又會產生風壓不足的情況。

針對上述問題，文章引入一種高大空間專用的新型風機盤管空調系統，采用數值模擬的方法與傳統的噴口送風形式對比，以研究該種新型風機盤管空調系統的性能，為設計人員在設計高大空間空調系統方案提供理論支撐和參考借鑒。

1 數學模型

文章采用的數學模型為標準k -ε模型[13]。k -ε模型引入了湍流動能k和湍流耗散率ε的輸運方程式，通過k和ε表征湍流黏度μt完成雷諾時均模擬，是典型的渦流黏度模型[14-15]。

其基本控制方程由式(1)表示為

當φ ＝1、Γ ＝0、S ＝0 時，式(1)為質量守恒方程；當φ為分速度ui、Γ 為速度u、時(p為壓強，Pa；Si為動量守恒的廣義源項)，式(1)為動量守恒方程；當φ為溫度T、 Γ 為擴散系數k/c、S ＝ST時(c為比熱容，kJ/ (kg·℃)；ST為能量守恒的廣義源項)，式(1)為能量守恒方程。

湍流動能方程(k方程)由式(2)表示為

式中σk為常數，常取1；η為動力黏性系數；ηt為渦黏性系數。

湍流能量耗散率方程(ε方程)由式(3)表示為

式中c1、c2為由實驗測得的系數，分別取1.44 和1.92；σε為常數，取1.3。

在標準k - ε模型中[16]，k表示湍流耗散速度的特征尺度，ε反映長度的特征尺度，利用二者之間的函數關系來反映湍流黏度，并應用Boussinesq 假定[17]做出以下假設:(1) 室內空氣為不可壓縮流體且對輻射為透明體；(2) 室內空氣的流動狀態為穩態紊流。

2 物理模型及模擬設置

2.1 物理模型

2.1.1 新型風機盤管工作原理

新型風機盤管為空調系統的末端裝置，而此空調系統屬于半集中式空調系統，常搭配新風系統使用。 其工作原理類似于風機盤管系統，借助此末端裝置不斷地循環室內空氣，使之通過內流冷、熱水的熱交換器而被冷卻或加熱，以保持房間要求的溫度。新型風機盤管外接水管，而熱交換器使用的冷水或熱水由集中冷源和熱源供應；出風口一般為旋流風口，可將通過熱交換器的冷、熱空氣由上而下均勻的分布到空間各處，消除室內不良溫度層。 新型風機盤管配備的軸流風機實現空氣遠程射流，夏季供冷時可將高大空間內聚集在屋頂的熱量消除(冬季供暖時可將這部分熱量重新循環利用送至地面)。 送風模式為強制對流模式，可使高大空間內部氣流分布均勻。 該裝置一般適用于5 ～30 m 的建筑場所，實際安裝圖如圖1 所示。

圖1 新型風機盤管實際安裝圖

2.1.2 物理模型設置

以重慶市某高校綜合樓的某展廳作為研究對象，展廳長(L)為30 m，寬(B)為24 m，高(H)為6 m，屬于典型高大空間。 展廳的物理模型如圖2(a)所示，西墻及北墻西側16 m 的范圍內為內墻，為簡化模型，將此處的內門、內窗統一視為內墻。 展廳北墻的東側8 m 范圍內有一面積為16 m2的窗戶，將其簡化為2 m×8 m 的矩形窗。 展廳南墻最西側2 m 范圍內為玻璃幕墻，此外南墻剩余部分為外墻。 展廳東墻分布著總面積為60 m2的若干個窗戶，將其簡化為2 m×30 m 的矩形窗均勻分布在東墻上。 展廳人員密度為0.27 人/m2，人員活動強度為極輕，設備密度為5 人/m2，屋內共設置20 個400 W照明燈管。 該房間的室內設計參數有:干球溫度為26 ℃，相對濕度為55%。 重慶市夏季室外計算參數有:干球溫度為35 ℃，相對濕度為59%。

圖2 三維物理模型示意圖

新型風機盤管系統采用旋流風口上送下回。 在展廳頂部共設置15 個配有直徑為0.2 m 的旋流風口的新型風機盤管。 回風口為兩個設置在西墻底部的1.5 m×1.0 m 的矩形回風口，模型如圖2(b)所示。 其中，由于該房間的東外墻與南外墻的窗戶面積較小且密封性較好，此外該房間也沒有與外界直接接觸的外門，故在模擬中忽略門窗滲透風。

傳統噴口送風為西側墻側送下回(側送下回的送風方式在工作區域的舒適性更高[18])。 為了保證兩種送風方式在風速相同的情況下送風量一致，就要使兩種送風方式的送風口總面積相同，經計算，需在西側墻5.5 m 處設置8 個直徑為0.274 m的球形噴口進行貼附射流，回風口為兩個設置在西墻底部的1.5 m×1.0 m 的矩形回風口，模型如圖2(c)所示。 其中，噴口送風可滿足室內正壓，故在模擬中忽略門窗滲透風。

2.2 模擬設置

2.2.1 邊界條件設置

文章主要分析兩種送風方式在相同風速下的性能差異。 為了保證模擬的可靠性，根據空調設計[19-20]結果模擬后，選出6 種有代表性工況進行分析，具體工況見表1。 設置室內初始環境溫度為30 ℃、輻射溫度為32 ℃，其他邊界條件見表2。

表1 不同工況條件對比表

表2 邊界條件設置

為簡化模型，將人員和設備散熱設置為第二類邊界條件并均勻分布在地板上，熱流密度設置為7.62 W/m2。

2.2.2 網格劃分及網格無關性檢驗

網格劃分的數量及質量將直接影響到模擬的真實性和可靠性。 網格數量過少、質量過低可能會使模擬結果偏離實際；而網格數量過多、質量過高則會在成倍地增加模擬時間，但并不能很好地改善模擬結果[21]。

在模擬前，對4 種網格數量在工況3 的條件下進行了網格無關性檢驗[22]。 由于所選取的人員身高為1.7 m，當人員處于站立并進行輕度勞動時，口鼻的高度大約為1.5 m，所以選取距離地面高度為1.5 m的截面為工作面。 當模擬結果達到穩定值后，此工作面中心位置的溫度和風速結果見表3。 可以看出，當網格數量低于30 萬時，模擬結果均與網格數較多時的結果存在極大差異；而當網格數量超過約30 萬時，再增加網格數量，模擬結果變化差異較小并趨于穩定。

表3 網格無關性檢驗結果(工況3)

模擬達到穩態值后，在高度為1.5 m 的工作面上找到南墻和北墻的一條對稱軸，取值點即為這條對稱軸上跨度為0.5 m 的一系列點，不同網格數量下溫度的分布情況如圖3 所示。 可以看出，溫度分布的模擬情況很依賴于網格的數量。 在網格數量達到約30 萬時，模擬結果差異不大，即此時增加網格的數量對結果的影響并不大。 綜合考慮時間成本與模擬的可靠性，可以認為網格數量為332 640(工況3)已滿足網格數量的無關性要求。 在工況3 的條件下網格劃分結果如圖4 所示。 同理可得，工況1、3、5 的網格數為332 640，工況2、4、6 的網格數為526 144。

圖3 不同網格數下的溫度分布(工況3)

圖4 網格劃分結果(工況3)

3 建筑環境評價指標

3.1 PMV-PPD 指標

預測平均投票數(Predicted Mean Vote，PMV)代表了大多數人對熱環境的平均投票值[23-24]，由冷到熱有7 個層次(-3 ～＋3)的感覺。 當PMV 為0 時，意味著室內熱環境是最佳的熱舒適狀態。 然而，不同人之間存在著生理上的差異，PMV 指標可能代表不了所有人的感覺。 由此引入與此相關的預測不滿意百分比(Predicted Percentage Dispsatisfied， PPD)，表示人們對熱環境的不滿程度的百分比。 PMVPPD 熱舒適模型是最早的人體溫度調節數學模型。在國際熱舒適標準中，PMV 指標推薦值為-0.5 ～＋0.5，即某環境中90%的人覺得處于熱中性環境中，則該環境為熱舒適環境[24]，此時的PPD 值為10%。

3.2 空氣齡

空氣齡是指新鮮空氣進入房間后存在的時間。當污染源在室內均勻分布且空氣為新鮮空氣時，某一點的空氣齡越小，該點的污染物濃度越低，空氣質量越好。 空氣齡的平均值越小，清除污染物的能力就越強。 空氣齡已廣泛用作衡量空調房間空氣新鮮程度和通風能力的重要指標。 為了全面評估整個通風系統的效果，包括回風、混合空氣和管道中的空氣流動過程，有學者提出了全程空氣齡的概念，即微團空氣從通風系統入口開始所花費的時間[25-26]。 將房間入口處作為起點，得到的空氣齡稱為房間空氣齡[1]。 文章所使用的空氣齡為房間空氣齡。

4 結果分析

4.1 室內溫度分析

不同工況下室內溫度分布如圖5 所示。 從工況1 的模擬結果中可以發現，當風速為2.73 m/s 時，存在溫度較低(約26 ℃)的圓形區域，這是因為新型風機盤管系統采用旋流風口向下垂直送風，使得旋流風口下方的小部分區域內溫度低于周圍溫度。 其他區域內溫度均約為27 ℃，高于設計溫度，且溫度分布不均勻，所以2.73 m/s 的風速無法滿足此房間熱舒適性需求。 從工況2 的模擬結果中可以發現，同為2.73 m/s 的出口風速，與該種新型風機盤管相比，傳統噴口送風室內熱環境的營造效果稍差，室內平均溫度過高且分布更不均勻。

圖5 不同工況夏模擬的溫度分布圖

在出口風速相同的條件下，新型風機盤管的室內溫度分布是優于傳統噴口送風的，而且在送風方式一定的情況下，風速越高，環境的平均溫度就越低。 這是因為送風溫度一定時，風速越高，單位時間內向房間內輸送的冷量就越多，這就導致了房間平均溫度的下降。 新型風機盤管送風在工況3(送風風速為3.73 m/s)時的室內溫度分布較為理想，但傳統噴口送風在工況6(送風風速為4.73 m/s)時的室內溫度分布才達到較為理想的狀態，而增加風速不但增加了冷量，而且增加了風阻，這將導致系統能耗顯著提升。 所以采用新型風機盤管達到理想的室內溫度分布所需的出口風速更低，其經濟性更好。 但在工況5 的模擬結果中可以發現，如果出口風速過高，將在此類型風機盤管的下部位置產生一個圓形的低溫區，溫度明顯低于周圍環境。

4.2 室內空氣齡分析

不同工況下模擬的空氣齡分布如圖6 所示。 工況3 的模擬結果如圖6(c)所示，可以發現部分圓形區域內的空氣齡約為400 s，其他大部分區域的空氣齡都約為550 s 且分布較為均勻。 平均空氣齡較為均勻地分布在500 s，相當于換氣次數7.2 次/h，符合設計和人員對新鮮空氣的要求。

工況4 的模擬結果如圖6(d)所示，可以看出其空氣齡分布不均勻，回風口附近空氣齡較小，其值約在300 s。 而靠近外墻、外窗處的空氣齡卻較大，在550 s(部分區域甚至達600 s 以上)，平均空氣齡約在500 s 以上，雖然也能基本滿足設計和人員的需求，但分布不均勻，與工況3 相比，空氣齡分布均勻性較差。

通過對比各工況可以發現，在出口風速相同的條件下，兩種送風方式的空氣齡相差不大，這是因為換氣次數主要與送風量有關，在風速與送風口面積相同的條件下，平均換氣次數也近似相同。 并且在送風方式一定的條件下，出口風速越大，送風量越大，空氣齡越小，空氣越新鮮。 但在出口風速相同的條件下，新型風機盤管送風的空氣齡分布要好于傳統噴口送風，并且風速越低，傳統噴口送風的空氣齡分布不均勻的現象越明顯。 若要營造分布較為均勻的空氣齡就勢必要增大送風風速，這就增大了能耗，較新型風機盤管其經濟性較差。

4.3 室內PMV-PPD 指標分析

不同工況下模擬的PMV-PPD 分布如圖7 所示。 當工況3 的出口風速為3.73 m/s 時，除外窗附近小部分區域內的PMV 值接近1.0，其余區域內PMV 值在-0.5～＋0.5 范圍內且分布均勻，即此時室內熱感覺為適中，是較為理想的熱舒適狀態。 工況4 的PMV 模擬結果中，當送風形式為噴口送風時且出口風速為3.73 m/s 時，靠近外窗的小部分區域內PMV 值達到了2.0 以上，剩余區域內的PMV 值也較大，在0 ～＋1.5 之間且分布極不均勻，熱感覺為暖，并且此時工況3 的平均PMV 值為0.3，而工況4 的平均PMV 值為0.7，即傳統噴口送風的平均PMV 較新型風機盤管所營造的高了0.4，室內人員在夏季可能會較熱，無法滿足人體對熱舒適性的要求。

圖7 不同工況下模擬PMV-PPD 分布圖

工況3 下的PPD 值靠近窗的小部分區域內在7.5%以上，其他區域則穩定在2.5%～6.0%的范圍內且均勻分布，說明人們對熱環境的不滿度僅占2.5%～6.0%，可以很好的滿足了大部分室內人員對熱舒適性的要求。 而工況4 中靠近窗的部分區域內PPD 值達到20%以上，說明在這個位置人們對熱舒適的不滿意度達到20%以上。 房間中大部分區域內的PPD 值是要明顯的高于采用新型風機盤管中的情況，即工況4 相對于工況3 來說，對熱環境不滿意的人員更多，熱舒適度不及工況3，只有靠近回風口的位置人們對熱舒適的不滿意度達到7.5%以下，并且此時工況3 的平均PPD 值為4.6%，而工況4 的平均PPD值為15.6%，即傳統噴口送風的平均PPD 較新型風機盤管所營造的高了11.0%，熱舒適性較差。

分別對比工況1 與2、工況3 與4、工況5 與6的模擬結果，可以發現在出口風速相同的條件下，無論是PMV 值還是PPD 值，新型風機盤管都是優于傳統噴口送風的，并且在送風方式一定的條件下，出口風速越大，PMV 和PPD 值就越理想，分布就越均勻。 在模擬的6 種工況中，新型風機盤管的PMVPPD 值在工況3(出口風速為3.73 m/s)時無論是大小和分布都達到最佳狀態，但是傳統噴口送風的PMV-PPD 值則在工況6(出口風速為4.73 m/s)達才到最佳狀態。 這就說明如果采用新型風機盤管達到理想的PMV-PPD 值將比傳統噴口送風達到相同的效果所需的出口風速更低，由于送風溫度一定，出口風速低就導致單位時間內向屋內輸送的冷量更少，用較少的冷量來營造較好的氣流組織，經濟性較好。 但是，在工況5 的模擬結果中可以發現，若出口風速過高將在新型風機盤管的下部位置產生一個圓形低溫區，這些區域內的PMV 值在-2 以下，會使人員感到寒冷。 此外這些區域內的PPD 值也達到20%以上，說明該區域不滿意的人數達到20%以上。

5 結論

文章以重慶某大學綜合樓的備用展廳為研究對象，引入了新型風機盤管空調系統，采用數值模擬的手段與傳統的噴口送風形式對比，分析了兩種送風方式的溫度場、空氣齡以及PMV-PPD 值，得到主要結論如下:

(1) 在兩種送風方式出口風速都在3.73 m/s的情況下，新型風機盤管條件下的空氣齡均約為500 s 且分布均勻，而傳統噴口送風條件下部分區域的空氣齡達到了550 s 以上且分布極不均勻；傳統噴口送風條件下的平均PMV 和平均PPD 較新型風機盤管條件下分別高了0.4 和11.0%。 故在相同出口風速下，該種新型風機盤管的氣流組織是明顯優于傳統噴口送風的。

(2) 提高噴口送風的出口風速可以優化送風的氣流組織，但這將導致系統的冷量與風阻同時增大，故室內在達到相同熱環境時，新型風機盤管送風的經濟性優于傳統噴口。

(3) 如果新型風機盤管出口風速過高，則在風口垂直向下的區域內會產生一塊熱舒適性較差的低溫區，因此在設計該新型風機盤管的出口風速時應考慮此因素。