張亞南

（珠海格力電器股份有限公司，廣東省珠海519070）

0 引言

辦公室是辦公人員主要的工作場(chǎng)所，辦公室的熱舒適性對(duì)辦公人員至關(guān)重要［1］。合理的送、回風(fēng)口布置不僅可以創(chuàng)造良好的室內(nèi)辦公環(huán)境，還能在一定程度上減少能耗。目前空調(diào)設(shè)計(jì)為了美觀，送、回風(fēng)口的布置一般為均勻分布，未考慮室內(nèi)人員分布、負(fù)荷分布、太陽(yáng)輻射等因素，導(dǎo)致室內(nèi)溫度分布不均 （外墻側(cè)熱，內(nèi)墻側(cè)冷）、人員舒適感差異較大。如今，CFD被廣泛應(yīng)用于室內(nèi)氣流組織研究，能夠準(zhǔn)確的反映室內(nèi)溫度的分布，本文利用Airpark軟件對(duì)珠海某辦公室進(jìn)行氣流組織仿真模擬，探討不同送、回風(fēng)口位置對(duì)辦公室溫度場(chǎng)分布的影響。由于標(biāo)準(zhǔn) κ－ε方程簡(jiǎn)單方便［2］，且Discrete Ordinates（DO）輻射模型常用于輻射的研究［3］，因此選取標(biāo)準(zhǔn) κ－ε方程及 Discrete Ordinates（DO）輻射模型作為軟件的基礎(chǔ)設(shè)定。

1 數(shù)據(jù)采集

本文以珠海某辦公室為研究對(duì)象，該辦公室坐西朝東，共安裝4臺(tái)格力ZF系列風(fēng)機(jī)盤管FP－68WA／G。為保證模擬數(shù)據(jù)的真實(shí)性，對(duì)送風(fēng)口實(shí)際風(fēng)速及送風(fēng)溫度進(jìn)行測(cè)試，使用儀器包括溫度自記儀及熱線風(fēng)速儀，其參數(shù)范圍見表1，測(cè)試結(jié)果見表2。

表1 儀器參數(shù)

表2 送風(fēng)口參數(shù)

2 風(fēng)口簡(jiǎn)化

對(duì)于CFD仿真模擬，風(fēng)口的定義十分重要，送風(fēng)口處的氣流分布對(duì)室內(nèi)氣流分布有著決定性作用，不同的送風(fēng)口類型由于其自身特點(diǎn)，定義方式也不同。為了仿真計(jì)算的方便，對(duì)風(fēng)口進(jìn)行簡(jiǎn)化。該辦公室送風(fēng)口為方形散流器，對(duì)于方形散流器簡(jiǎn)化常處理為等面積的矩形風(fēng)口，雖然能夠保證流量一致，但流出方向差異較大，劉剛等人提出速度矢量法簡(jiǎn)化方形散流器，其基本思想以送風(fēng)口喉部尺寸為送風(fēng)口尺寸，并將其劃分為4個(gè)小的送風(fēng)口，每個(gè)送風(fēng)口的流出方向與實(shí)際出流方向一致［4］，如圖1。

3 物理數(shù)學(xué)模型

3.1 物理模型

本文選取的研究對(duì)象為夏季工況下珠海某辦公室，該辦公室坐西朝東，西側(cè)墻為外墻，如圖2所示。辦公室尺寸為11.9m（長(zhǎng)）×10.5m（寬）×3m（高），辦公區(qū)域?qū)嶋H面積為123m2，辦公室西外墻窗戶面積較大，南內(nèi)墻為玻璃幕墻，其相鄰房間為空調(diào)房間。共有8個(gè)方形散流器送風(fēng)口，送風(fēng)口實(shí)際尺寸為0.6m×0.6m，取喉部送風(fēng)尺寸簡(jiǎn)化后為0.42m×0.42m，4個(gè)回風(fēng)口實(shí)際尺寸為0.6m×0.6m。共有20個(gè)燈罩，每個(gè)燈罩內(nèi)有2個(gè)熒光燈管。

圖1 速度矢量法風(fēng)口定義圖

圖2 辦公室物理模型圖

3.2 數(shù)學(xué)模型

為簡(jiǎn)化計(jì)算，對(duì)辦公室作如下假設(shè)：

（1）辦公室內(nèi)空氣流動(dòng)為穩(wěn)態(tài)湍流流動(dòng)。

（2）辦公室內(nèi)空氣為低速流動(dòng)，可視為不可壓縮流體且符合Bossinesq假設(shè)［5］。

（3）不考慮辦公室漏風(fēng)影響。

（4）送風(fēng)口速度、溫度分布均勻。

基于以上假設(shè)，其控制方程為［6］：

圖3 改進(jìn)前溫度分布圖

式中：ρ為空氣密度 （kg／m3）—速度矢量；φ—速度分量u、v及w；Γφ－φ對(duì)應(yīng)變量的擴(kuò)散系數(shù)；Sφ－φ所對(duì)應(yīng)變量的源項(xiàng)。

3.3 邊界條件

室內(nèi)熱源均采用定熱流量邊界條件，送風(fēng)口采用速度入口邊界條件，回風(fēng)口采用自由邊界，壁面采用定熱流密度邊界條件，數(shù)值模擬計(jì)算邊界條件見表3。

表3 室內(nèi)參數(shù)及邊界條件

3.4 網(wǎng)格劃分

采用六面體網(wǎng)格［7］，X、Y、Z方向網(wǎng)格單元最大尺寸為0.6，對(duì)送風(fēng)口進(jìn)行加密，網(wǎng)格數(shù)量為1784146。

4 模擬結(jié)果及分析

4.1 改進(jìn)前模型模擬結(jié)果

對(duì)該辦公室現(xiàn)有模型進(jìn)行模擬計(jì)算，其模擬結(jié)果見圖3。

圖3溫度分布截取截面分別為：X方向通過左邊第一列人體截面、X方向通過第二列辦公桌中心截面、X方向通過第三列辦公桌中心截面及Y方向通過人體呼吸區(qū)截面。從溫度分布圖可以看出靠近西外墻側(cè)溫度明顯高于東內(nèi)墻側(cè)溫度，近東墻人體感覺到冷而近西墻側(cè)人員感覺較熱，溫差最大相差3℃，這是由于西面墻側(cè)辦公人員受太陽(yáng)輻射影響。南墻到北墻溫度分布呈升高趨勢(shì)，最高溫度相差2℃，這是由于北墻側(cè)辦公人員距風(fēng)口距離較遠(yuǎn)，送風(fēng)不能覆蓋該區(qū)域，只能靠室內(nèi)擾動(dòng)降低溫度。整體對(duì)比發(fā)現(xiàn)辦公室西北角辦公區(qū)域?yàn)樽顭釁^(qū)域，因?yàn)槲髂辖寝k公人員受太陽(yáng)西曬影響且送風(fēng)口送風(fēng)不能覆蓋此區(qū)域。

基于以上分析發(fā)現(xiàn)辦公室送回風(fēng)口存在兩大問題：

（1）該辦公室送回風(fēng)口采用均勻布置，但實(shí)際負(fù)荷分布并不是均勻分布，這就導(dǎo)致西外墻側(cè)供不應(yīng)求，而東內(nèi)墻側(cè)供大于求，造成室內(nèi)人員的不舒適感。

（2）送回風(fēng)口均勻布置然而人員并非均勻布置，南墻側(cè)人員被送風(fēng)口覆蓋面積較小，導(dǎo)致南墻側(cè)溫度高于北墻側(cè)，尤其是受太陽(yáng)輻射的西北角溫度明顯高于無人員分布的東北角，最高溫差高達(dá)5℃。

上述問題是暖通設(shè)計(jì)的通病，設(shè)計(jì)人員在負(fù)荷計(jì)算后進(jìn)行選型，設(shè)計(jì)圖紙時(shí)為了美觀性通常采用均勻分布，但室內(nèi)負(fù)荷、人員等的分布并不是均勻的，采用均勻分布并不是送回風(fēng)口的最佳布置方式，均勻布置將會(huì)導(dǎo)致負(fù)荷量需求大的區(qū)域得不到滿足，負(fù)荷量需求小的地方供大于求?；谠搯栴}對(duì)該辦公室送、回風(fēng)口位置重新布置，此次布置的改進(jìn)點(diǎn)如下：

（1）將送回風(fēng)口向西外墻側(cè)移動(dòng)，使可能多的風(fēng)量覆蓋到西外墻側(cè)人員，同時(shí)減小了東內(nèi)墻側(cè)的風(fēng)量。

（2）將靠近南墻側(cè)的送風(fēng)口移至南墻側(cè)桌子中間的正上方，保證有足夠的風(fēng)量覆蓋到靠近南墻側(cè)人員。

4.2 改進(jìn)后模型模擬結(jié)果

針對(duì)上節(jié)的改造點(diǎn)對(duì)室內(nèi)送回風(fēng)位置進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整后模型如圖3。改進(jìn)后模擬結(jié)果如圖4。

圖4 辦公室改進(jìn)后物理模型圖

圖5 改進(jìn)后溫度分布圖

圖5溫度分布截取截面分別為：X方向通過左邊第一列人體截面、X方向通過第二列辦公桌中心截面、X方向通過第三列辦公桌中心截面及Y方向通過人體呼吸區(qū)截面。將圖5與圖3溫度分布進(jìn)行對(duì)比，改進(jìn)后室內(nèi)溫度分布明顯優(yōu)于改進(jìn)前。從改進(jìn)后溫度分布圖可以看出靠近西外墻側(cè)溫度與東墻側(cè)溫度趨于均勻，溫差縮小至0.8℃。南墻與北墻溫度最高溫溫差縮小至0.4℃，說明調(diào)整后送風(fēng)可以覆蓋該區(qū)域。整體發(fā)現(xiàn)辦公室西南角辦公區(qū)域與東北角區(qū)域溫差縮小至1.5℃。對(duì)辦公室風(fēng)口位置改進(jìn)后，溫度分布整體趨于均勻，水平最大溫差在1.5℃內(nèi)，整體區(qū)域較為舒適。

5 結(jié)論

本文利用Airpark軟件對(duì)珠海某辦公室不同送、回風(fēng)口位置進(jìn)行仿真模擬，分析比較得出如下結(jié)論：

（1）送回風(fēng)口均勻布置并不是最佳布置方式。室內(nèi)送回風(fēng)口均勻布置時(shí)，室內(nèi)溫度分布并不均勻，會(huì)導(dǎo)致負(fù)荷需求大的區(qū)域溫度過高；負(fù)荷需求小的區(qū)域溫度過低，從而導(dǎo)致兩個(gè)區(qū)域的人員都不舒適，最大溫差高達(dá)5℃。

（2）進(jìn)行送回風(fēng)口位置設(shè)計(jì)時(shí)要綜合考慮室內(nèi)布局、人員分布、外墻位置、太陽(yáng)輻射等，使負(fù)荷需求與風(fēng)量覆蓋成正比。改造后室內(nèi)溫度分布均勻，最大溫差由5℃縮小至1.5℃。

（3）對(duì)于非均勻布置的辦公室，在進(jìn)行風(fēng)口圖紙?jiān)O(shè)計(jì)前應(yīng)先進(jìn)行仿真模擬，找出最佳風(fēng)口位置以保證辦公室溫度分布的均勻性。

參考文獻(xiàn)：

［1］仉洪云，陳次昌，魏存祥，等.空調(diào)送風(fēng)角對(duì)辦公室氣流組織影響的數(shù)值研究 ［J］.建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，2008，27（4）：52－55.

［2］Launder B E，Spalding D.The numerical computation of turbulent flows［J］.Computer methods in applied mechanics and engIneerIng，1974，3（2）.269－289.

［3］Modest M F.Radiative heat transfer［M］.Academicpress，2013.

［4］劉剛，吳春燕.方形散流器風(fēng)口速度場(chǎng)數(shù)值模擬［J］.東華大學(xué)學(xué)報(bào) （自然科學(xué)版），2003，29（6）：27－29.

［5］Lin Z，Chow TT，Tsang CF，et al.Stratum ventilation—A potential solution to elevated indoor temperatures［J］.Building and Environment.2009，44（11）.

［6］譚雙，孫麗穎.辦公室應(yīng)用輻射供暖加新風(fēng)系統(tǒng)的氣流組織研究 ［J］.流體機(jī)械，2016（10）：59－64.

［7］狄育慧，王善聰.利用Airpark模擬室內(nèi)氣流組織的誤差分析 ［J］.西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào) （自然科學(xué)版），2013，45（1）：73－78.