幼兒園空調送風方式對比分析

張鈞程

（沈陽建筑大學市政與環境工程學院，遼寧 沈陽 110168）

空調的不同送回風口情況和空氣輸送方式等，均會對室內的熱環境以及空氣品質產生影響。因此，對室內空氣流通形式包括在各種空氣輸送形式下幼兒園房間的熱環境狀態進行檢測具有重要意義。目前，室內氣流組織分析與研究方式主要包括4類，即區域模擬、噴射的物理研究、模型實驗和應用計算流體力學技術（CFD）的數值模擬。計算流體力學技術是較為簡單的室內氣流組織分析與研究技術[1]，趙彬等[2]通過對置換通風房間內的風速場和溫度場進行數值模擬，分析不同方法下的室內熱環境和空氣品質，得出置換通風系統的優選方法。吳丹尼等[3]以側送下回中央空調房間為研究對象，通過數值模擬得出此種送風方式中各因素對室內溫度的影響；Lee等[4]使用CFD技術對分層中央空調控制系統進行仿真，得到了影響中央空調效率的主要因素；劉鑫等[5]通過Airpak技術對某辦公區各種送風模式下的氣溫場、熱舒適指標（PMV-PPD）等進行了仿真模擬，對比分析了各種送回風系統的氣流組織效率。幼兒園作為對兒童教育的主要場地，在不同的室內熱環境條件下，孩子們對室內熱環境的生理和行為反映與成人相比變化較為明顯[6]。幼兒的機體代謝以及活動平面也與成人有所不同，通過CFD方法對幼兒園熱環境進行模擬，分析各種送風方式對幼兒園熱環境的影響較為重要。文章利用Airpak軟件對某幼兒園空調活動室進行了數值模擬，并分析了側送下回、側送上回、側送異側下回方式下的幼兒活動的平面模擬數據，選取適宜幼兒園活動室的送回風模式，為改善幼兒園空調室內熱環境及空氣品質控制提供了參考。

1 數學模型

文章采用零方程模型[7]，該模型是把湍流黏性定義為當地時平均值速率與時間尺度的關系函數，通過代數關系式將湍流黏性比率與時平均數聯系起來，解決室內難題時易于收斂。Airpak軟件使用零方程模型和有限體積法，通過對流體運動基本方程的數值求解可以獲得流場內各個位置的基本物理量分布。基于數值模擬需求和實際情況，假定空氣為不可壓縮流體，實現Bossinesq假設[8]。

設定室內空氣為穩態紊流；不計圍護結構與物體間的輻射換熱；室內空氣為輻射透明體；忽略門窗漏風，認為室內外無空氣交換。根據假設，基本的數學模型即控制方程通用形式為：

2 物理模型及模擬方法

2.1 物理模型

以某幼兒園活動室為研究對象，該房間的模型長×寬×高為8.0 m×6.0 m×3.5 m。北墻面有1扇尺寸為2.10 m×0.95 m的內門；南墻面上有2扇尺寸為2.0 m×1.8 m的外窗。活動室內含有24名兒童，設定為坐姿狀態。具體設備及人員分布的三維物理模型如圖1所示。

選擇3種常見的送風方式。

方式1：側送下回。送、回風口均位于北內墻，送風口距頂棚0.50 m，回風口距地面0.35 m。

方式2：側送上回。送、回風口均安裝于北墻吊頂。

方式3：側送異側下回。送風口位于東內墻，距頂棚0.50 m；回風口位于西內墻，距地面0.35 m。

2.2 模擬方法

2.2.1 邊界條件設置

入口邊界條件：定送風參數，送風速度1.5 m/s，送風溫度20 ℃。

出口邊界條件：采用局部單向化處理，默認ambient值，自由出流。

壁面邊界條件：南外墻初始溫度31.5 ℃，其他壁面與空調房間相鄰，可以認為是絕熱壁面。

其他的邊界條件如表1所示。

表1 邊界條件

2.2.2 網格劃分

以三維空間為計算區域，網格劃分采用六面體網格，網格最大尺寸為0.250 m×0.175 m×0.300 m，對送回風口附近區域進行網格加密，其他區域網格疏密保持一致。

3 室內環境評價指標

3.1 不平均系數

對室內溫度、含濕量、風速及焓值的不平均系數進行分析，評價室內熱環境及氣流組織。將評價中通過計算得到的不平均系數進行比較，不平均系數越小，則均勻性越好。

（1）算術平均值。

（2）均方根偏差。

（3）不平均系數。

3.2 空氣齡

空氣齡是指某處的空氣在室內的停留時間，代表著室內空氣的新鮮程度，能夠合理評價室內的通風換氣效果，是評價室內空氣品質的重要指標。

4 模擬結果及分析

4.1 不均勻性分析

為分析溫度、速度、含濕量的不均勻性，共設置27個測點，并對測點布置進行編號。

空間測點如圖2所示。

圖2 空間測點（單位：mm）

4.1.1 溫度不平均系數分析

活動室內3種送風方式下的溫度不平均系數如圖3所示。

圖3 活動室內3種送風方式下的溫度不平均系數

A區方式1的溫度不平均系數為0.023，方式2和方式3的溫度不平均系數分別為0.036和0.032，可見方式1的溫度不平均系數最小，方式2的溫度不平均系數最大。在B區和C區及整體中，方式1的溫度不平均系數分別為0.021、0.013、0.021，方式2的溫度不平均系數分別為0.028、0.017、0.029，方式3的溫度不平均系數分別為0.037、0.045、0.041。在B區和C區及整體中，方式3的溫度不平均系數遠大于其他兩種方式。側送異側下回（方式1）的溫度不平均系數最小，可以營造更穩定、更適宜的溫度環境。

4.1.2 風速不平均系數分析

活動室內3種送風方式下的室內風速不平均系數如圖4所示。

圖4 活動室內3種送風方式下的室內風速不平均系數

A區側送上回（方式3）的風速不平均系數為0.143，相較于其他兩種方式的風速不平均系數略小，但C區和整體的風速不平均系數分別為0.538和0.653，遠大于方式1和2中的C區和整體的風速不平均系數；A區側送異側下回（方式1）的風速不平均系數為0.185，B區風速不平均系數為0.224；A區側送下回方式（方式2）風速不平均系數為0.279，B區的風速不平均系數為0.161。C區高度為3 m，不屬于人員日常活動平面，且活動室內幼兒大部分時間處于A區平面高度。因此，側送異側下回（方式1）的送風方式更合理。

4.1.3 含濕量不平均系數分析

同溫度不均勻系數分布相似，方式1的A區、B 區、C區及整體的含濕量不平均系數分別為0.032、0.031、0.023、0.029，均小于其他兩種方式的A區、B區、C區及整體的含濕量不平均系數。所以，側送異側下回（方式1）的含濕量分布較為均勻。

活動室內3種送風方式下的室內含濕量不平均系數如圖5所示。

圖5 活動室內3種送風方式下的室內含濕量不平均系數

4.2 空氣齡的對比分析

側送下回方式中北墻及桌面附近區域空氣齡在280～340 s，但其余墻體附近區域的空氣齡在450～550 s。不同送回風方式下的空氣齡分布如圖6所示。

側送上回方式的結果與側送異側下回相似，但各區域空氣齡更低，南外墻附近區域的空氣齡在470～490 s；側送異側下回方式中，人員集中區域的空氣齡約為230～267 s，墻壁附近約為350 s，房間西北角出現渦流空氣齡稍高約為450 s。綜上所述，側送異側下回方式優于側送下回和側送上回方式。

5 結語

營造舒適的教學活動環境是幼兒園室內環境設計中較為重要的內容。為得到適宜的送回風方式，文章利用Airpak軟件對幼兒園夏季空調活動室的室內環境進行了數值模擬，計算了不同方式下各項指標的不平均系數，結合空氣齡分布情況，得到最優的送回風方式。側送異側下回的A、B、C區的溫度不平均系數和含濕量不平均系數均小于其他兩種方式；側送異側下回的A區風速不平均系數為0.185，小于B區風速不平均系數，而活動室內幼兒大部分時間處于A區平面高度。所以，適宜的營造舒適熱環境的方式是側送異側下回。側送異側下回的工作區空氣齡較小，西北角因渦流導致空氣齡較大，但整體上空氣齡分布情況優于其他兩種方式，能夠提供較好的室內空氣品質。通過對溫度、風速和含濕量不平均系數和空氣齡分布情況的對比分析，確定幼兒園夏季空調活動室適宜的送回風方式是側送異側下回。因此，在設計幼兒園活動室熱環境及控制空氣品質時應優先選用側送異側下回方式。