郇超　孫雪花　于群　趙玉嬌　屠冰冰

摘 要：建立了適用于無(wú)管工位送風(fēng)與置換通風(fēng)復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)性能分析的CFD數(shù)值模型，并探討了工位送風(fēng)參數(shù)及房間圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱對(duì)復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)下室內(nèi)熱舒適及空氣品質(zhì)的影響。結(jié)果表明，與單置換通風(fēng)相比，加入無(wú)管工位送風(fēng)可顯著提高空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷承擔(dān)能力及空調(diào)房間背景溫度，在合理的送風(fēng)參數(shù)下，無(wú)管送風(fēng)與置換通風(fēng)復(fù)合系統(tǒng)可在約100 W/m2的圍護(hù)結(jié)構(gòu)（如大面積玻璃幕墻）傳熱負(fù)荷下?tīng)I(yíng)造出人體可接受的熱環(huán)境。此外，與置換通風(fēng)相比，復(fù)合系統(tǒng)下人體呼吸區(qū)內(nèi)的空氣齡顯著降低，室內(nèi)空氣品質(zhì)較好。研究結(jié)果驗(yàn)證了無(wú)管工位送風(fēng)與置換通風(fēng)復(fù)合系統(tǒng)在空調(diào)能效提升方面具有很好的潛力。

關(guān)鍵詞：工位送風(fēng);置換通風(fēng);熱舒適模型;空氣齡;計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)

中圖分類號(hào)：X 936?? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A?? 文章編號(hào)：1672-7312（2020）06-0596-06

A study on Air Distribution Performance of Ductless Task Ventilation in Conjunction with Displacement Ventilation

HUAN Chao1，SUN Xue-hua2，YU Qun3，ZHAO Yu-jiao1，TU Bing-bing4

（1.College of Energy Engineering，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China;

2.College of Humanities and Foreign Languages，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China;

3.The Engineering Design Academy of Changan University，Co.，Ltd.，Xian 710064，China;

4.College of Sciences，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China;）

Abstract：This study proposed a validated CFD model that is used to investigate the system performance of ductless task ventilation（DTV）in conjunction with displacement ventilation（DV）.Under DTV system，effects of air supply parameters of task ventilation as well as heat transfer of building envelope on the indoor thermal comfort and air quality was numerically evaluated.The results indicate that in comparison with DV，the handling load and room temperature could be significantly improved under DTV system.With an envelope（especially large curtain wall）heat transfer of 100 W/m2，acceptable thermal environment for indoor occupants could be achieved under DTV in the condition of reasonable air supply parameters.Furthermore，compared to DV，DTV system could effectively reduce the air age in the breathing zone of occupants and subsequently provide better inhaled air.This study manifests the considerable potential of DTV to improve the energy efficiency of an air conditioning system.

Key words：task ventilation;displacement ventilation;thermal comfort model;air age;computational fluid dynamics

0 引言當(dāng)今，人們近80%～90%的時(shí)間處于室內(nèi)環(huán)境中[1-2]，室內(nèi)環(huán)境的質(zhì)量已與人們的健康狀況及社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益息息相關(guān)。不良的室內(nèi)環(huán)境會(huì)使人胸悶、頭痛、咳嗽、工作效率降低[3-5]。通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)作為控制室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的有效手段之一[6]，被廣泛地應(yīng)用于現(xiàn)代建筑中，其主要目的是通過(guò)引入室外新風(fēng)，在室內(nèi)形成合理的氣流組織，有效地移除室內(nèi)污染物及冷（熱）負(fù)荷，減少有害物在室內(nèi)的囤積，從而為室內(nèi)人員營(yíng)造出舒適的熱環(huán)境及良好的空氣品質(zhì)[7]。但是，在滿足了人們的健康及舒適性需求的同時(shí)，通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)也造成了巨大的能源消耗。據(jù)統(tǒng)計(jì)，建筑能耗已占社會(huì)總能耗的20%～40%[8]，而建筑能耗中40%來(lái)自于暖通空調(diào)系統(tǒng)（HVAC）[9]。特別是隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，由建筑空調(diào)系統(tǒng)所產(chǎn)生的能耗將更為驚人。因此，如何營(yíng)造健康、舒適及低能耗的室內(nèi)環(huán)境已成為“節(jié)能減排”策略中極為重要，也是亟待解決的環(huán)節(jié)。 置換通風(fēng)作為空調(diào)室內(nèi)常見(jiàn)的氣流組織方式之一，具有節(jié)能高效等優(yōu)勢(shì)，已被諸多學(xué)者廣泛研究[10-11]。置換通風(fēng)的基本原理是將新鮮的空氣直接送入房間下部區(qū)域，并在地板附近形成一層較薄的空氣湖（距地面約0.1 m高度）。在熱浮升力的驅(qū)動(dòng)下，房間內(nèi)氣流向上呈浮升運(yùn)動(dòng)，攜帶污染物和熱量的氣流由房間上部排出，在室內(nèi)形成溫度和污染物濃度分層分布的現(xiàn)象（如圖1所示）。然而，由其運(yùn)行機(jī)理所致，這一空調(diào)系統(tǒng)首先冷卻了房間內(nèi)熱源分布較少的下部區(qū)域，往往會(huì)使人體腿部和腳踝部產(chǎn)生不舒適感[12]。此外，該空調(diào)系統(tǒng)室內(nèi)氣流主要受熱浮力驅(qū)動(dòng)，送風(fēng)速度不可過(guò)高，使該系統(tǒng)不適用于空調(diào)負(fù)荷較大的場(chǎng)合[13]。

基于此，Melikov等學(xué)者在置換通風(fēng)的基礎(chǔ)上，提出了無(wú)管送風(fēng)與置換通風(fēng)相結(jié)合的概念[14]，其示意圖如圖2所示。該系統(tǒng)下的辦公桌內(nèi)嵌有送風(fēng)管道，安置于桌面下部的風(fēng)機(jī)充分利用置換通風(fēng)室內(nèi)的“空氣湖”，將“空氣湖”中的新鮮低溫氣流吸入，經(jīng)桌面嵌入式風(fēng)管系統(tǒng)，最終由桌面上部的噴嘴送至人員呼吸區(qū)。該系統(tǒng)可進(jìn)一步提高空調(diào)房間背景溫度，并能避免置換通風(fēng)條件下室內(nèi)人員“頭熱腳冷”的不舒適感。

針對(duì)工位無(wú)管送風(fēng)與置換通風(fēng)復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)下的氣流組織方式，相關(guān)學(xué)者已圍繞送風(fēng)溫差、送風(fēng)量[15]、吸風(fēng)口高度[16]及人員走動(dòng)干擾等因素展開(kāi)了一系列研究。然而，關(guān)于圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱對(duì)該復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)性能的影響卻鮮有報(bào)道。為此，擬針對(duì)工位無(wú)管送風(fēng)與置換通風(fēng)復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)，開(kāi)展CFD數(shù)值模擬分析，探求其在不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱條件下的氣流組織特性。研究結(jié)果將為這一復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷承擔(dān)能力預(yù)測(cè)及設(shè)計(jì)參數(shù)選取提供理論指導(dǎo)。

1 數(shù)值模擬方法

1.1 控制方程 諸多研究工作表明，RNG k-ε模型的適用范圍較廣，且在模擬室內(nèi)氣流組織及熱對(duì)流等方面的準(zhǔn)確性較高，模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較為接近，因此，本研究采用數(shù)值模擬采用RNG k-ε模型。 對(duì)于室內(nèi)空氣流動(dòng)，RNG k-ε模型中包含連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程、湍動(dòng)能及其耗散方程、組分傳輸方程和空氣齡方程。這些方程的通用形式如下

（1）式中：ρ為空氣密度;為通用變量，可表示速度、溫度、空氣齡等變量，Г為有效擴(kuò)散系數(shù);S為源項(xiàng)。

1.2 邊界條件 文中數(shù)值模擬研究中，采用二階迎風(fēng)格式對(duì)方程進(jìn)行離散，采用SIMPLE算法對(duì)壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)進(jìn)行耦合，對(duì)熱浮力的作用分析采用Boussinesq假設(shè)，采用DO（Discrete Ordinate）模型分析各圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)壁面的輻射傳熱過(guò)程，采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法來(lái)分析近壁面區(qū)域內(nèi)的氣流運(yùn)動(dòng)。房間送、回風(fēng)口分別采用速度入口和自由出流邊界，外圍護(hù)結(jié)構(gòu)和室內(nèi)熱源采用定熱流邊界。

1.3 模型驗(yàn)證 文中采用既有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[17]，對(duì)所建數(shù)值模型邊界條件進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果如圖3、圖4所示。由圖3、圖4可知，對(duì)于室內(nèi)氣流速度及溫度，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和模擬計(jì)算值總體趨勢(shì)一致性較好，雖存在一定誤差，但在可接受范圍內(nèi)，所采用的數(shù)值模擬方法可用于文中復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)的性能分析及評(píng)價(jià)。

1.4 評(píng)價(jià)指標(biāo) 為了評(píng)價(jià)無(wú)管工位送風(fēng)與置換通風(fēng)復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)相關(guān)性能，根據(jù)熱舒適標(biāo)準(zhǔn)ISO-7730及ASHRAE 55，采用PMV指標(biāo)對(duì)室內(nèi)熱舒適進(jìn)行分析;采用空氣齡來(lái)表征室內(nèi)空氣品質(zhì)。其中PMV是由Fanger教授提出的熱舒適模型，用于綜合預(yù)測(cè)人體的熱舒適性，該模型表示了人體在特定活動(dòng)水平下的自身產(chǎn)熱量與人體向環(huán)境散熱量之間不平衡率的指標(biāo)，其數(shù)值與諸多參數(shù)有關(guān)，如空氣溫度、流速、相對(duì)濕度、平均輻射溫度、服裝熱阻及人體新陳代謝率等，數(shù)值大小客觀反映了人體在環(huán)境中的熱反應(yīng)程度，數(shù)值越大，人體熱感越明顯，反之則人體冷感明顯。ASHRAE 55中指出滿足人體熱舒適要求時(shí)，PMV數(shù)值應(yīng)在-0.7～0.7。空氣齡則是指通風(fēng)過(guò)程送入室內(nèi)的空氣分子通過(guò)某特定點(diǎn)時(shí)所需要的時(shí)間，某點(diǎn)空氣齡數(shù)值越低，表明送風(fēng)氣流流至該處的時(shí)間越短，空氣則越新鮮。

1.5 工況選取模型中空調(diào)房間示意圖如圖2所示，房間尺寸為3.9 m×2.9 m× 2.6 m（長(zhǎng)×寬×高），新鮮氣流由房間右側(cè)墻體下方的風(fēng)口送入，并在近地面形成“空氣湖”，受熱后進(jìn)行浮升運(yùn)行，在浮力及頂部排風(fēng)口抽吸作用下，經(jīng)由頂部排風(fēng)口排出。人體附近“空氣湖”中的新鮮氣流由桌內(nèi)風(fēng)機(jī)吸入，并由桌面工位送風(fēng)口直接送至人體呼吸區(qū)，其中工位送風(fēng)口是直徑為0.1 m的圓形噴口。各模擬工況下的邊界條件列于表1，其中ts為房間置換通風(fēng)送風(fēng)溫度;Qe為圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱量;v為無(wú)管工位送風(fēng)口出風(fēng)速度。所有工況下，房間換氣次數(shù)ACH為6.6 次/h，房間內(nèi)熱源為285 W，由3部分構(gòu)成：①人體發(fā)熱65 W;②電腦發(fā)熱80 W;③室內(nèi)照明發(fā)熱140 W。當(dāng)工位風(fēng)口送風(fēng)速度為0時(shí)（如工況1），則房間氣流組織形式為單獨(dú)的置換通風(fēng)。

2 結(jié)果與討論

2.1

工位送風(fēng)速度及圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱對(duì)室內(nèi)PMV影響

圖5所示為房間送風(fēng)溫度ts為19 ℃、換氣次數(shù)為6.6 h-1時(shí)，不同工況下y=1.45 m斷面的PMV分布。對(duì)比圖5（a）、（b）可發(fā)現(xiàn)，除去人員頭部前側(cè)區(qū)域外，兩圖無(wú)明顯差異，其中單置換通風(fēng)條件下（圖5（a））人員頭部前側(cè)區(qū)域PMV值接近-0.9，而工位送風(fēng)裝置開(kāi)啟后（圖5（b）），人員頭部前側(cè)區(qū)域PMV值降至-1.2。這主要是由于工位送風(fēng)裝置的局部送風(fēng)增加了人體頭部區(qū)域的氣流擾動(dòng)，有效降低了該區(qū)域內(nèi)的PMV值。上述結(jié)果表明，與單置換通風(fēng)相比，無(wú)管工位送風(fēng)對(duì)全室整體的PMV值無(wú)顯著影響，但對(duì)人體頭部區(qū)域的局部熱舒適有較大影響。這表明了無(wú)管工位送風(fēng)與置換通風(fēng)復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)具有在高溫空調(diào)環(huán)境下?tīng)I(yíng)造舒適熱環(huán)境的潛力，但是一定要合理選擇工位送風(fēng)速度，若速度過(guò)大，則會(huì)引發(fā)室內(nèi)人員的吹風(fēng)感。此外，對(duì)比圖5（b）、（c）可發(fā)現(xiàn)，對(duì)于復(fù)合系統(tǒng)而言，在保持其余邊界條件不變情況下，當(dāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱由0增加至300 W后，全室PMV值將發(fā)生顯著變化。當(dāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱量為0 W時(shí)（圖5（b）），人體附近區(qū)域PMV均為負(fù)值，人體處于冷感狀態(tài);當(dāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱增加為300 W時(shí)（圖5（c）），人體附近區(qū)域PMV值均變?yōu)檎担砻魅梭w處于熱感狀態(tài)。這主要是由于隨著圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱的增大，圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)壁面溫度也隨之增加，致使人體所受輻射溫度升高;同時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱還會(huì)使室內(nèi)溫度升高，上述因素綜合作用，使室內(nèi)PMV值升高，增加了人體熱不舒適的風(fēng)險(xiǎn)。

圖6匯總了在房間送風(fēng)溫度ts為19 ℃、換氣次數(shù)為6.6 h-1時(shí)，不同工位送風(fēng)速度及圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱負(fù)荷條件下，人體前側(cè)區(qū)域的PMV值計(jì)算結(jié)果。其中圍護(hù)結(jié)構(gòu)不同的傳熱負(fù)荷，是根據(jù)西安地區(qū)夏季氣象參數(shù)，結(jié)合冷負(fù)荷系數(shù)法計(jì)算而得。由圖可知，隨著圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷增大，室內(nèi)PMV值也隨之增大。對(duì)于單置換通風(fēng)（即工位風(fēng)速為0），當(dāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱負(fù)荷大致超過(guò)50 W/m2時(shí)，其室內(nèi)人體附近PMV值也超出了熱舒適標(biāo)準(zhǔn)的限值要求（-0.7～ 0.7），即超出了空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷承擔(dān)范圍;加入無(wú)管工位送風(fēng)裝置后，當(dāng)工位送風(fēng)速度在0.7～0.9 m/s范圍內(nèi)變化時(shí)，大部分工況下室內(nèi)PMV值處于舒適區(qū)范圍內(nèi)，滿足熱舒適標(biāo)準(zhǔn)要求。以上結(jié)果則表明單置換通風(fēng)的負(fù)荷承擔(dān)能力有限，在置換通風(fēng)基礎(chǔ)上加入無(wú)管工位送風(fēng)裝置后，若能選擇合理的送風(fēng)參數(shù)，則可顯著提高空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷承擔(dān)能力。由圖6還可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱指標(biāo)處于100 W/m2以內(nèi)時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)送風(fēng)參數(shù)，無(wú)管工位送風(fēng)與置換通風(fēng)復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)均可營(yíng)造出人體可接受的熱舒適環(huán)境。

2.2工位送風(fēng)速度及圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱對(duì)空氣齡影響

圖7為房間送風(fēng)溫度ts為19 ℃、換氣次數(shù)為6.6 h-1時(shí)，不同工況下y=1.45 m斷面的空氣齡分布。在圖7（a）、（b）、（c）中，房間內(nèi)空氣齡整體上呈現(xiàn)出下部低、上部高的分布特性，這主要是由于置換通風(fēng)特點(diǎn)所致。置換通風(fēng)系統(tǒng)下新鮮低溫氣流從房間底部風(fēng)口送入，沿著地面鋪開(kāi)，受熱后在密度差的作用下緩慢浮升。因此，房間底部的空氣齡最小，空氣最新鮮。 對(duì)比圖7（a）、（b）可發(fā)現(xiàn)，圖7（a）中人員呼吸區(qū)的空氣齡約為575 s，而圖7（b）中人員呼吸區(qū)的空氣齡約為379 s，減小了196 s，已非常接近房間底部空氣齡，表明與單獨(dú)的置換通風(fēng)相比，工位無(wú)管送風(fēng)可顯著減小人員呼吸區(qū)內(nèi)的空氣齡，提高人體可吸入空氣品質(zhì)。

此外，對(duì)比圖7（b）、（c）可發(fā)現(xiàn)，對(duì)于文中的復(fù)合送風(fēng)系統(tǒng)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱對(duì)室內(nèi)空氣齡也會(huì)產(chǎn)生一定影響。圖7（b）中，圍護(hù)結(jié)構(gòu)為絕熱，人體呼吸區(qū)空氣齡約為379 s，當(dāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱負(fù)荷增加至300 W時(shí)，保持其他邊界條件不變，人體呼吸區(qū)內(nèi)空氣齡也隨之增大至418 s。主要原因是由于圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱使室內(nèi)空氣溫度升高，送風(fēng)冷氣流受熱作用增強(qiáng)，可較快的產(chǎn)生浮升運(yùn)動(dòng)，致使送風(fēng)氣流運(yùn)動(dòng)至人體附近區(qū)域的速度減緩，從而增加了人體呼吸區(qū)附近氣流的空氣齡。

3 結(jié)語(yǔ)

1）與單置換通風(fēng)相比，加入無(wú)管工位送風(fēng)后對(duì)全室整體熱舒適無(wú)顯著影響，但對(duì)人體頭部區(qū)域的局部熱舒適影響較大。該復(fù)合系統(tǒng)在進(jìn)一步提高房間空調(diào)溫度、降低空調(diào)能耗方面具有可觀的發(fā)展?jié)摿Α?2）與單置換通風(fēng)相比，加入無(wú)管工位送風(fēng)后的復(fù)合系統(tǒng)在空調(diào)負(fù)荷承擔(dān)能力上具有明顯優(yōu)勢(shì)，特別是當(dāng)存在高強(qiáng)度圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱（如大面積玻璃幕墻）時(shí)，該負(fù)荷系統(tǒng)仍然具有較好的室內(nèi)熱舒適營(yíng)造能力。 3）文中復(fù)合系統(tǒng)高效利用了置換通風(fēng)房間“空氣湖”中的新鮮氣流，與單置換通風(fēng)相比，該復(fù)合系統(tǒng)下人體呼吸區(qū)內(nèi)的空氣齡可降低100 s以上，顯著提高了人體可吸入空氣品質(zhì)。

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（責(zé)任編輯：張 江）