李思師 趙萌 翟英賢 程勇 翁廟成

重慶大學(xué)城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院

0 引言

隨著社會的發(fā)展，室內(nèi)逐漸成為人類生活和工作最頻繁的場所，良好的室內(nèi)環(huán)境對改善人體身心健康、工作效率的提高有著重要意義。國內(nèi)外的研究表明，室內(nèi)的氣流組織、空氣品質(zhì)與工作效率有著直接聯(lián)系[1-4]。而近年來，另一種新的通風(fēng)方式——豎壁貼附射流通風(fēng)模式[5]被提出。Lin[6]，李安桂[7]等對豎壁貼附射流加導(dǎo)流板呼吸區(qū)送風(fēng)氣流組織的研究結(jié)果表明，該送風(fēng)方式下新風(fēng)可以直接到呼吸區(qū)，且可以在工作區(qū)內(nèi)形成速度和溫度較均勻的環(huán)境，有效提高了室內(nèi)空氣品質(zhì)和通風(fēng)效率。

本文旨在研究通過豎壁貼附射流加導(dǎo)流板呼吸區(qū)送風(fēng)模式下，見圖1，對導(dǎo)流板進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)有效的偏轉(zhuǎn)通風(fēng)，改善室內(nèi)人體熱舒適，進(jìn)而給予使用者良好高效的舒適度體驗(yàn)。

圖1 豎壁貼附射流加導(dǎo)流板送風(fēng)示意圖

1 研究方法

1.1 物理模型

本文以一個(gè)典型的辦公室為研究對象，模型見圖2。房間內(nèi)部的幾何尺寸x×y×z=3.9 m×2.9 m×2.6 m。豎壁貼附射流通風(fēng)送風(fēng)口尺寸為x×y=0.15 m×0.7 m，在豎壁上加導(dǎo)流板，導(dǎo)流板的安裝高度為1.3 m，出風(fēng)口尺寸為x×y=0.6 m×0.6 m，位于天花板上。一個(gè)長方體熱源尺寸為x×y×z=0.25 m×0.4 m×1.2 m，放置在地面上模擬坐姿狀態(tài)下的工作人員，一個(gè)正方體熱源尺寸為x×y×z=0.4 m×0.4 m×0.4 m，放置在桌面上模擬電腦。兩個(gè)長方體熱源尺寸為x×y×z=0.17 m×1.24 m×0.07 m，放置在天花板上模擬燈具。為了更好地模擬實(shí)際環(huán)境，另外設(shè)計(jì)了一些辦公用具，書柜尺寸為x×y×z=0.4 m×0.8 m×1.85 m，辦公桌整體尺寸為x×y×z=0.68 m×1.38 m×0.76 m。

圖2 房間模型圖

1.2 數(shù)學(xué)模型

通風(fēng)空調(diào)室內(nèi)的空氣流動通常為不壓縮的湍流流動。本文采用RNG k-ε 兩方程數(shù)值模型求解偏轉(zhuǎn)通風(fēng)室內(nèi)的空氣流場，控制方程通用形式見式（1）：

式中：?是一個(gè)通用變量，Γ 是廣義擴(kuò)散系數(shù)，s 是廣義源項(xiàng)。

本文采用的RNG k-ε 兩方程數(shù)值模型的控制理論方程[7]是基于此變化得出的。

本文采用CFD 軟件AIRPAK，采用的離散方法為有限體積法（Finite Volume Method，F(xiàn)VM）離散控制方程，方程的離散采用二階迎風(fēng)格式，壓力和速度場的算法耦合采用SIMPLE 算法。

1.3 假設(shè)，邊界條件及設(shè)計(jì)參數(shù)

1.3.1 假設(shè)

1）室內(nèi)空氣為不可壓縮流體且符合Bossinesq 的假設(shè)。

2）人體和電腦為均勻穩(wěn)定散熱體。

3）室內(nèi)壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。

4）氣流速度較低，忽略由流體粘性力做功所引起的耗散熱。

5）不考慮漏風(fēng)的影響，認(rèn)為房間氣密性良好。

1.3.2 邊界條件與設(shè)計(jì)參數(shù)

1）入口邊界條件：速度入口邊界條件，豎壁貼附射流送風(fēng)速度為1.1 m/s 以實(shí)現(xiàn)氣流組織順利到達(dá)人所在的工作區(qū)，送風(fēng)溫度為22 ℃以保證人體周圍氣溫的舒適性。

2）回風(fēng)口邊界條件：自由出流（Outflow）。

3）壁面邊界條件：屋頂、地面、墻壁采用靜止壁面（Stationary wall），無滑移（No-slip），且前墻與天花板為定壁溫，溫度分別為26.5 ℃、27 ℃，其余壁面和地板均為絕熱面。

本文的人體，電腦和燈具按照均勻穩(wěn)定散熱進(jìn)行計(jì)算，采用定熱流密度邊界條件，其中人體散熱量為75 W，電腦散熱量為180 W，燈具散熱量為72 W。

1.4 網(wǎng)格劃分與無關(guān)驗(yàn)證

網(wǎng)格劃分質(zhì)量是數(shù)值模擬過程中非常關(guān)鍵的影響因素，直接影響到計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。若想獲得高質(zhì)量網(wǎng)格，應(yīng)使得求解域內(nèi)網(wǎng)格疏密程度與研究變量的梯度變化相適應(yīng)。求解域內(nèi)的單元光滑變化且扭曲度小。同時(shí)考慮到經(jīng)濟(jì)性，用局部加密的措施實(shí)現(xiàn)節(jié)約計(jì)算機(jī)資源和時(shí)間的基礎(chǔ)上確保結(jié)果的準(zhǔn)確性。本文利用Airpak 3.0 在三維直角坐標(biāo)系中建立了模型，選擇其提供的六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，最大尺寸不超過房間的1/20，但是考慮到研究對豎直方向的溫度分層的關(guān)注，z 方向的最大尺寸不的超過房間高度的1/40，并對送風(fēng)口，排風(fēng)口和熱源區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行了局部加密。

網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證過程中，該辦公室用22 萬（粗略），59 萬（中等），110 萬（精細(xì)）數(shù)量的網(wǎng)格進(jìn)行劃分。預(yù)測的是模擬模型中y=1.4 m，z=1.3 m 的水平線的風(fēng)速和溫度，模擬中采用的送風(fēng)溫度是19 ℃，導(dǎo)流板的尺寸為：寬度為0.525 m，長度為0.85 m。且導(dǎo)流板在z=1.3 m 處垂直于強(qiáng)滿安裝。對比三種網(wǎng)格的計(jì)算結(jié)果見圖3，得到：59 萬網(wǎng)格數(shù)量與110 萬網(wǎng)格數(shù)量下的預(yù)測結(jié)果接近。綜合考慮到計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和模擬成本，最終確定網(wǎng)格劃分模型為中等網(wǎng)格模型見圖4。

圖3 網(wǎng)格模擬結(jié)果對比

圖4 平面網(wǎng)格劃分圖（y=1.45 m)

1.5 正交試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

正交試驗(yàn)是一種利用正交列表進(jìn)行排列和分析多因素試驗(yàn)的設(shè)計(jì)方法。其從全部的試驗(yàn)因素的不同等級組合中挑選出具有代表性的橫向組合進(jìn)行試驗(yàn)，通過對這部分的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析得到所有的綜合試驗(yàn)情況并且找到最優(yōu)的等級組合。正交試驗(yàn)的基本特點(diǎn)就是利用部分試驗(yàn)代替全部試驗(yàn)組合，其是一個(gè)高效、快速、經(jīng)濟(jì)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。

1.5.1 試驗(yàn)因素與正交試驗(yàn)表

考慮到氣流組織對人體熱舒適的重要影響，而導(dǎo)流板的幾何尺寸和傾斜角度對氣流組織有著決定性的作用，因此對導(dǎo)流板的長度、寬度、傾斜角度進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)在提高送風(fēng)溫度的條件下，保證人體的熱舒適。

結(jié)合室內(nèi)家具的常用參數(shù)和保證送風(fēng)范圍能囊括且能直接到達(dá)人體周圍的條件，選取導(dǎo)流板長度范圍為0.4～1.3 m，寬度范圍為0.3～0.75 m?？紤]到夏季送風(fēng)溫度相對室內(nèi)空氣溫度較低，由于密度差的存在，在送風(fēng)過程中有著下沉現(xiàn)象，因此選取傾斜角度范圍為-18°～+18°（“-”為向下傾斜、“+”為向上傾斜）。每一個(gè)實(shí)驗(yàn)參數(shù)都在對應(yīng)的參數(shù)范圍內(nèi)被劃分為4 個(gè)等級見表1。且考慮到導(dǎo)流板的寬度和長度之間可能存在交互作用，根據(jù)L16(45)正交表進(jìn)行試驗(yàn)方案的確定，最終建立起16 組正交試驗(yàn)，見表2。

表1 因素等級劃分?jǐn)?shù)據(jù)表

表2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表

1.5.2 評價(jià)指標(biāo)

根據(jù)人體熱舒適和通風(fēng)效果的各類評價(jià)指標(biāo)，最終選取了預(yù)測平均熱感覺投票PMV，坐姿頭腳垂直溫差Δt(1.1-0.1)，吹風(fēng)感不滿意率PD 和呼吸區(qū)平均空氣齡MAA[8-10]作為正交試驗(yàn)方案的評價(jià)指標(biāo)。且所有評價(jià)指標(biāo)定義與計(jì)算均遵守ASHARE 55-2017 的規(guī)定[11]。

1.6 模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證建立的模型與對應(yīng)選取網(wǎng)格劃分的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測試結(jié)果一致性。偏轉(zhuǎn)通風(fēng)利用導(dǎo)流板使得射流的偏轉(zhuǎn)將新鮮空氣直接送到人體周圍，室內(nèi)氣流組織與層式通風(fēng)相似。于是利用偏轉(zhuǎn)室內(nèi)通風(fēng)室內(nèi)氣流組織類似于層流通風(fēng)的特點(diǎn)，本文在已有模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行改動，與Tian[12]等對層式通風(fēng)的模型和邊界條件、參數(shù)設(shè)計(jì)達(dá)到一致，并且利用其實(shí)測數(shù)據(jù)與本文中驗(yàn)證模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較以實(shí)現(xiàn)模型有效性的驗(yàn)證。

選取了x=1.65，y=1.45 以及x=2.15，y=1.45 兩條豎直線進(jìn)行對比。其溫度和風(fēng)速對比的結(jié)果見圖5、6，可以看出計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合度較高，說明了本文模型的較好的有效性。

圖5 溫度實(shí)際測量值與模擬結(jié)果對比圖

圖6 風(fēng)速實(shí)際測量值與模擬結(jié)果對比圖

2 計(jì)算結(jié)果分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 不同參數(shù)導(dǎo)流板的分析及評價(jià)

計(jì)算結(jié)果見表3，表中16 組的試驗(yàn)數(shù)據(jù)均是利用Airpak3.0 進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算得到的。

表3 評價(jià)指標(biāo)模擬結(jié)果

本文采用針對正交試驗(yàn)法的極差分析方法[13-14]，對導(dǎo)流板參數(shù)對各個(gè)評價(jià)指標(biāo)的影響進(jìn)行了分析。其分析計(jì)算結(jié)果由式（2）～（4）得到，其中Ej是某個(gè)確定因素等級下評價(jià)指標(biāo)的某個(gè)值，Ki是j 等級下所有評價(jià)指標(biāo)的數(shù)值之和，Ki是數(shù)值之和的平均值，Si是對應(yīng)的極差?？偟膩碚f，Ki越大，評價(jià)指標(biāo)在該等級下的值就越大。Si越大，該參數(shù)對該評價(jià)指標(biāo)的影響就越大。

其極差分析結(jié)果表較多，由于文章篇幅有限，在此只列出PMV 的分析結(jié)果作為代表，見表4。

表4 PMV 分析結(jié)果

首先對導(dǎo)流板的幾何尺寸是否存在交互作用進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)其關(guān)聯(lián)性較小，可以近似認(rèn)為其不存在著交互作用。因此以下的分析均對各個(gè)參數(shù)進(jìn)行獨(dú)立分析。

由對應(yīng)的極差分析可以得到，各個(gè)參數(shù)對PMV的影響程度由大到小為ACB，即依次為導(dǎo)流板寬度、傾斜角度、導(dǎo)流板長度。其對于PMV 的最優(yōu)組合方案為A1B4C1，即是b=0.3 m，L=1.3 m，α=-18°。各個(gè)參數(shù)對吹風(fēng)感不滿意度的影響程度由大到小為ACB，即依次為導(dǎo)流板寬度、傾斜角度、導(dǎo)流板長度。其最優(yōu)組合方案為A4B2C4，即是b=0.75 m，L=0.7 m，α=18°。各個(gè)參數(shù)對呼吸區(qū)平均空氣齡的影響程度由大到小為CAB，即依次為傾斜角度、導(dǎo)流板寬度、導(dǎo)流板長度。其最優(yōu)組合方案為A1B2C2，即是b=0.3 m，L=0.7 m，α=-6°。各個(gè)參數(shù)對頭腳溫差的影響程度由大到小為BAC，即依次為導(dǎo)流板長度、導(dǎo)流板寬度、傾斜角度。其最優(yōu)組合方案為A2B2C4，即是b=0.3 m，L=1.3 m，α=18°。

2.2 多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)

由對應(yīng)的極差分析可以看出，每個(gè)評價(jià)指標(biāo)對應(yīng)的優(yōu)化方案不同，因此應(yīng)該進(jìn)行縱向分析和橫向?qū)Ρ染C合四個(gè)評價(jià)指標(biāo)選出最優(yōu)的導(dǎo)流板參數(shù)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ASHRAE 55-2017[11]，為實(shí)現(xiàn)室內(nèi)滿意的熱舒適，這些評價(jià)指標(biāo)應(yīng)該限制在一定范圍，見表5。

表5 室內(nèi)熱舒適環(huán)境的要求

根據(jù)縱向分析可以看出各個(gè)試驗(yàn)組合的吹風(fēng)感不滿意率均滿足PD＜8%。呼吸區(qū)平均空氣齡均滿足MAA＜234 s。坐姿頭腳溫差滿足Δt(1.1-0.1)＜1 ℃。以上三個(gè)評價(jià)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果均是較優(yōu)的數(shù)值范圍，而0.28≤PMV≤0.58，跨越了不同的熱舒適等級。因此可以看出PMV 對該送風(fēng)模式下的人體的舒適程度和工作效率有著決定的影響。

于是本文對PMV 進(jìn)行對應(yīng)的單獨(dú)更為準(zhǔn)確的分析，基于模擬計(jì)算結(jié)果給出PMV 隨著不同導(dǎo)流板參數(shù)的變化情況，見圖7。

圖7 PMV 隨不同因素的變化情況

可以看出導(dǎo)流板寬度b 的取值對PMV 有著明顯的影響，當(dāng)隨著b 的增加PMV 跨越了0.5 的界限值。而其他參數(shù)值的變化影響較小且均保證了PMV≤0.5。

基于此分析結(jié)果最終以PMV 指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)先的參數(shù)值選擇。最終確定正交試驗(yàn)組合4 為較優(yōu)的設(shè)計(jì)方案，即為b=0.3 m，L=1.3 m，α=18°，其在實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的PMV 值的同時(shí)也保證了其他評價(jià)指標(biāo)的較優(yōu)值。

2.3 最佳工況溫度場和速度場的分析

選取y=1.45 m 切面，進(jìn)行對應(yīng)的溫度場和速度場的分析。其模擬結(jié)果見圖8～9，可以看出該豎壁貼附射流加導(dǎo)流板的送風(fēng)模式下其房間溫度沿x 方向分布較均勻，但是沿著z 方向出現(xiàn)了分層現(xiàn)象，在房間下部溫度普遍維持在23～23.5 ℃，而人體周圍的溫度基本維持在23.50～24.25 ℃，而房間溫度較高，其溫度場對于以坐姿情況下的活動為主的辦公室比較合適。其在維持了人體周圍的較涼爽的溫度場的同時(shí)，相比于其他送風(fēng)方式來說提高了送風(fēng)溫度，相對更為節(jié)能。

圖8 y=1.45 m 平面的溫度分布

圖9 y=1.45 m 平面的速度分布

而對于速度場，結(jié)果表明除了送風(fēng)射流區(qū)，房間內(nèi)的大部分區(qū)域風(fēng)速都分布比較均勻且屬于低風(fēng)速區(qū)。人體周圍的風(fēng)速v＜0.2 m/s，避免了吹風(fēng)感的出現(xiàn)。

3 結(jié)論

本文利用了CFD 模擬研究導(dǎo)流板參數(shù)對豎壁貼附射流加導(dǎo)流板送風(fēng)制冷的效果的影響，并且利用了對應(yīng)的實(shí)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證了CFD 模擬的有效性。用通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的CFD 模擬，結(jié)合正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法分析導(dǎo)流板寬度，導(dǎo)流板長度和偏轉(zhuǎn)角度對通風(fēng)效果的影響。得出以下結(jié)論：

1）根據(jù)供冷情況下的豎壁貼附射流加導(dǎo)流板的送風(fēng)模式下，導(dǎo)流板寬度對于PMV 和吹風(fēng)感不滿意率影響最大。導(dǎo)流板長度對于坐姿頭腳溫差影響最大。導(dǎo)流板的偏轉(zhuǎn)角度對呼吸區(qū)空氣齡影響最大。

2）根據(jù)PMV，吹風(fēng)感不滿意率，坐姿頭腳溫差和呼吸區(qū)平均空氣齡評價(jià)指標(biāo)，對辦公室內(nèi)的氣流組織效果進(jìn)行評價(jià)，得到優(yōu)化后的導(dǎo)流板參數(shù)為第4 種組合，即是導(dǎo)流板寬度為0.3 m，導(dǎo)流板長度為1.3 m，向上傾斜18°。

3）對于豎壁貼附射流加偏轉(zhuǎn)導(dǎo)流板的溫度場和速度場進(jìn)行分析，可以得到其房間上下部區(qū)域會出現(xiàn)溫度分層的現(xiàn)象，且下部溫度具有較高的熱舒適性。整個(gè)房間的風(fēng)速分布較為均勻且為低風(fēng)速，人體周圍不會造成吹風(fēng)感。

4）CFD 模擬方法在保證良好氣流組織設(shè)計(jì)方案，提高室內(nèi)空氣品質(zhì)IAQ（Indoor Air Quality）以及減少建筑物能耗方面都有著重要的指導(dǎo)意義，并且有著節(jié)約研究經(jīng)濟(jì)成本的重要特點(diǎn)，而結(jié)合對應(yīng)的正交試驗(yàn)方法實(shí)現(xiàn)在較少工況情況下實(shí)現(xiàn)對各類因素對室內(nèi)空氣的影響研究，更加節(jié)約時(shí)間成本。CFD 結(jié)合正交試驗(yàn)法是一種典型的節(jié)約時(shí)間經(jīng)濟(jì)型的研究方法。