基于Airpak的空调送风方式对室内热环境影响分析

刘鑫，张欣，韩非，王海涛

(1.安徽建筑大学 环境与能源工程学院，安徽 合肥，230601；2.安徽两淮建设有限责任公司，安徽 合肥，230088)

0 引言

空调能提供一个舒适健康且满足工作、生活的室内人工环境，多数空调是向房间送入和排出空气，不同空间布局的房间、不同的送风口、回风口和排风口的位置、不同送风量等都影响着室内空气的流速分布、温湿度分布和污染物浓度分布。在暖通空调领域，承载能量的载体是空气，空气在室内流动的过程中，将其携带的能量与室内空气进行交换，空调设计者应组织空气合理流动，以营造合理的室内热环境。因此，有必要预测不同空气流动方式下，即空调在不同的送风方式下，室内的热湿环境状况。目前有四种预测空调房间内空气分布的方法:射流理论分析、模型实验、区域模型以及基于计算流体力学方法(CFD，computational fluid dynamics)的数值模拟。自20世纪40年代起，世界各地众多学者以机械通风房间送风口的射流为研究对象，对其特性进行了实验和理论研究，十几年的时间内，建立了一系列射流公式，并将其用于室内空气分布的预测，成为当时最简单的室内空气分布预测方法[1]。Zonal模型正式被提出的时间为1970年，源于对供暖房间温度分层的研究分析[2]。此后，研究人员利用该模型对各种形式的房间和气流形式进行研究，对房间内的自然通风量、温度分布等进行预测，当时提出该模型限于用于自然通风，后期有学者根据研究结果提出该方法改进后也可用于机械通风[3]。以相似理论为理论依据的模型实验为预测房间空气分布最可靠的方法，在等比放大或等比缩小的实物模型中，通过测量流体各物性参数，从而对室内空气分布作出预测[4]。利用CFD，可以对室内空气流动进行模拟，模拟结果能够清晰反映空气流动所形成的速度场、温度场、湿度场以及有害物浓度场，为空调房间营造合理气流组织，提高室内空气品质等提供理论依据，为空调设计提供技术支持。

国内，赵彬等以置换通风房间为研究对象，利用CFD软件对室内的温度场和速度场进行数值模拟，根据模拟结果，对房间的空气品质、热舒适性进行评价，从而优化置换通风设计[5]。化亚魏对大型体育馆不同送风方式的节能效果和温度场进行比较，得出下送上回送风方式优于上送下回[6]；吴丹尼等通过模拟得出侧送下回送风方式中影响室内室内温度场和温度下降的主要因素[7]；李杨等对室内柜式空调三种送风角度进行数值模拟，得出各自流场和温度分布特点[8]；黄寿元等利用CFD软件模拟得出柜式空调机组位于东墙中心时室内温度场和速度场的分布[9]；汤强等模拟三种不同送风速度在固定送风方式下的温度场，表明送风速度影响室内热环境[10]；刘彩霞等利用CFD软件模拟某带空调办公室在开门和关门状态下气流组织变化，表明气流组织对室内区域的的热环境产生影响[11]。

国外，丹麦人P.V.Nielsen是第一个使用k-ε流体湍流模型用于室内空气流动模拟，他利用流体的函数公式和流体的涡旋公式的组合对封闭的二维流动方程进行了数值求解[12]。Markatos等对大型电视播送室进行CFD数值模拟，得出室内三维流动和传热特性，为改善大空间的空调设计提供依据[13]。King Alan R等人利用CFD对高大空间、高负荷的房间进行分层空调系统的研究，并与普通房间空调系统能耗作比较[14]。Lee和Kisup等人利用CFD分别讨论了分层空调系统在风口位置、空间类型等不同因素对空调效果的影响[15]。Zítek等人利用CFD技术对客机机舱内的气流组织进行模拟，从而优化机舱内气流组织形式的设计[16]。

前人的研究成果中，利用CFD模拟技术对各种类型的大空间，各种类型的气流组织进行过数值模拟，其模拟结果可以为改善大空间的热环境和气流组织形式提供依据。对于小型空间，如办公室不同送风方式下对室内热环境的影响研究较少，利用CFD模拟技术可对小空间内空调所营造的室内热环境进行模拟，揭示固定送风方式下不同送风速度、不同送风角度对室内热环境的影响。本文利用Airpak软件通过对办公室内常见顶部侧送下回、底部侧送侧回、顶部下送侧回的三种空调送风方式进行数值模拟，通过对模拟结果的对比分析，以选择最适合该办公室的空调送风方式的气流组织，为改善空调房间的热环境设计提供方法和理论依据。

1 数学模型

在数学模型上，本文采用陈清焰教授在1998年提出的零方程模型[17](Zero Equation model)，该模型的基本思想是将湍流黏度归结为当地平均速度和长度尺度的函数，此方程不需要求解微分方程，而是用代数关系式把湍流粘性系数与时均值相联系，相对双方程k-ε湍流模型，其处理室内问题更容易收敛且节约计算资源。Airpak软件也是基于零方程模型，并采用有限体积法(FVM，Finite Volume Method)离散的方法[18]，通过对流体流动的基本方程(连续性方程、能量守恒方程和动量守恒方程)的数值求解可以获得流场内各个位置上的基本物理量(包括温度、湿度、压力、速度、浓度等)的分布。根据实际情况及数值模拟需要，假设室内空气为不可压缩流体，并且符合Bossinesq假设[19]；

(1)室内空气的流态为稳态紊流；

(2)忽略围护结构及室内物体间的辐射换热；

(3)室内空气为辐射透明体；

(4)不考虑门、窗缝隙的漏风影响，认为室内与外界没有空气交换。

根据假设，基本的数学模型即控制方程通用形式:

式中:ρ为空气密度(kg/m3)；U为速度矢量(在坐标 X、Y、X 的分速度分别为 u、v、w)；φ为通用变量，代表分速度(u、v、w；单位:m/s)及温度(T；单位:K)等变量；Γ为广义扩散系数；S为广义源。

2 物理模型及模拟方法

2.1 物理模型

本文以某大楼的办公室为研究对象，该房间的几何尺寸为:长(L)×宽(B)×高(H)=8.5 m×5.8 m×3.5 m，南墙有一扇2.05 m×0.95 m的门与走廊相连，门的侧上方开有2扇1.15 m×0.55 m的小窗，窗横向间距0.5m；北墙上开有6扇窗户与室外环境相连，3扇1.15 m×0.55 m的小窗，窗横向间距0.3 m，3扇1.55 m×1.35 m的大窗，窗横向间距0.3 m，上下窗纵向间距0.25 m；东西面墙则与空调房间相连，故边界条件可设为绝热，办公室内有8名学生，处于坐状态，每人配置一台电脑，室内2盏日光灯。具体办公设备及人员分布的物理模型如图1所示。

图1 办公室的三维物理模型

为选择最合适的空调位置及送风方式，针对此物理模型，本文选择了三种常见的空调摆放位置及对应的送风方式，第一种为北墙顶部侧送下回，空调的送风口位于北墙的中心位置上，风口中心轴线距顶棚0.5 m，如图2中①图；第二种为北墙底部侧送侧回，空调的送风口位于北墙的中心位置上，风口中心轴线距地面0.5 m，如图2中②图；第三种为中间顶部顶送侧回，风口位于房间的正中央，风口断面距顶棚0.5 m，如图2中③图。具体的模型如图2所示。

图2 空调在房间的不同摆放位置

2.2 模拟方法

除控制方程的选择以及模拟假设外，对模拟结果好坏起决定性影响的就是边界条件和网格划分。因此在计算前应该合理确定边界条件以及进行计算区域网格划分。

2.2.1 边界条件设置

边界条件设置是否合理直接决定模拟的结果是否准确，所以边界条件的定义需要准确合理。

入口边界条件:固定送风参数，送风速度2.5 m/s，送风温度20℃；

出口边界条件:采用局部单向化处理，即假定出口界面上的节点不影响第一个节点，如此便不需知道出口边界的值，采用默认ambient值，自由出流；

壁面边界条件:北边的围护构件有太阳照射，初始温度为环境温度30℃，其他壁面与相邻空调区域相连，可认为为绝热壁面；

热流边界条件:电脑热流量为90 W/台；日光灯热流量为35 W/盏；人体模型为坐姿，热流量为75 W/人。

已知环境温度为30℃。本文的其他边界条件如表1所示:

2.2.2 网格划分

以整个办公室作为计算区域，在笛卡尔直角坐标系下划分网格，网格的疏密对计算精度和模拟结果的准确性产生重要影响。由于以三位空间作为计算区域，网格划分采用六面体网格，网格数为26*40*16，网格单元最大尺寸为0.32 m，送风口附近，流速大且温度变化大，网格划分较密，其他区域网格疏密一致。

表1 模拟计算的边界条件

3 室内环境评价方法

3.1 PMV-PPD指标

综合考虑了人体主观和客观环境的因素，人体主观因素包括人体活动程度、服装热阻等，客观环境因素为室内空气温度、空气湿度和空气流动速度等，其为评价热环境较全面的指标[20]。PMV指标即预测平均评价，代表同一环境条件下多数人的热感觉，但由于人体间的差异，其不能全面的反映所有人的热感觉。故Fanger提出采取与PPD指标(人群对热环境不满意的百分数)相结合的方式，通过两者的定量关系及关系曲线来反映人体对热环境的评价[21-22]，两者定量关系为:PPD=100-95exp[-(0.03353PMV4+0.2179PMV2)]。当室内热环境处于最佳的热舒适状态时，PMV=0，PPD为5%，表明即使室内热环境处于最佳的舒适状态时，仍存在5%的人感到不满意。ISO07730推荐PMV-PPD指标的范围为PPD≦10%，-0.5≦PMV≦0.5，并称之为舒适状态，表明室内热环境处于舒适状态时，允许有10%的人感到不满意[23]。本文使用的Airpak软件嵌入了PMV-PPD的计算程序，可以直接得到室内环境的PMV值和PPD值的分布云图，进而可以直接评价整个房间的舒适度。

表2 PMV热感觉标尺

3.2 空气龄

指空气从房间进风口到达室内某一点所需的时间，该点的空气龄是指该点处所有微团空气龄的均值，故空气龄反映房间空气新鲜程度。此外，还反映房间去除污染物的能力，平均空气龄小的房间，能够很好的排除污染物。因此空气龄可以作为衡量房间空气新鲜程度与通风换气能力的指标。Airpak提供了评价室内空气品质的空气龄分布云图，根据模拟结果，可直观的反映和评价室内空气的新鲜程度[24]。

4 模拟结果及分析

4.1 模拟结果

在空调不同摆放位置及送风方式下，通过Airpak的模拟得到办公室内温度、空气龄及PMV值和PPD值的分布云图。本文的人体模型身高为170 cm，当其处在坐立状态时，其口鼻附近空间里的空气距地高度大概实测在1.2 m附近，即呼吸带高度为1.2 m。故为了便于比较，本文选取的是同一个平面y=1.2 m处各指标的计算结果，即1.2 m高处温度、空气龄及PMV值和PPD值的分布云图，如图3至图5所示。

图3 北墙顶部侧送下回

4.2 室内温度分布的对比分析

模拟结果表明空调三种送风方式下，室内的温度情况均比较好，其中图3北墙顶部侧送得到的温度主要集中在22.4℃左右，但在西北角温度稍高，出现温度分布不均匀的现象，人员会感到不适，北墙底部侧送侧回得到的温度分布集中在24.5℃，且出现南北分界的状况，有微小的温度差，1℃左右，人体能够接受。对于中间顶部顶送侧回方式得到的人员所在区域的温度集中在22.4℃，最重要的是室内温度分布较为均匀。综上分析对比故中间顶部顶送侧回营造的温度分布效果最佳，室内温度均匀。

4.3 PMV-PPD值及空气龄的对比分析

图3所示北墙顶部侧送下回方式得到的PMV值集中在0.5到0.7，少部分区域出现0.4接近微暖的状态，室内大体区域PPD值在8%左右，中间出现PPD值为6%的区域；图4所示北墙底部侧送侧回得到PMV值则集中在0.3左右，但门处出现PMV值为负的微凉区域，靠近空调附近的PPD值为6%左右，远离空调区域值为10%左右，出现波动；图5所示中间顶部顶送侧回的到PMV值集中在0.3至0.5，较为接近适中的状态，PPD值在9%左右，波动性较小。所以相比较而言，中间顶部顶送侧回的方式的PMV值处于适中的状态，PPD值波动较小，故优于另外两种。

图4 北墙底部侧送侧回

图5 中间顶部顶送侧回

4.4 空气龄的对比分析

通过观察三个空气龄的分布图发现，图3所示北墙顶部侧送下回方式得到的空气龄大致在230～290 s范围，靠近空调出空气龄小，在门处空气龄高达430 s；图4所示北墙底部侧送侧回空气龄大致在270～370 s范围，主体集中在310左右；图5所示中间顶部顶送侧回方式空气龄大致在180～350 s范围，主体分布在200左右。根据空气龄的定义，空气龄越小，房间内的空气越新鲜，故中间顶部顶送侧回优于其他两种方式。

5 结论

通过对某办公室北墙顶部侧送下回、南墙底部侧送侧回、中间顶部顶送侧回三种不同位置及送风方式下室内的温度、PMV-PPD值及空气龄的综合对比分析。结果表明，当将空调室内机放在室内中间的顶部，且采用顶送侧回的气流组织时，能营造出合理的温度场，且PMV-PPD、空气龄指标优于其他两种方式。室内人员能获得较佳的热舒适性。该模拟结果可以为小空间的合理气流组织设计提供参考依据。