劉鎮(zhèn)銘，王漢青，王忠琨，何俊怡，朱東南

（1.南華大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 衡陽 421000； 2.中南林業(yè)科技大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410000；3.建筑環(huán)境氣載污染物治理與放射性防護(hù)國家地方聯(lián)合工程研究中心，湖南 衡陽 421000）

0 引言

現(xiàn)今，能源消耗量大和能源短缺局面是全球性問題，而建筑能耗占全社會(huì)總能耗的比重達(dá)到28%。在建筑物的日常使用中所造成的能源消耗主要來自建筑的照明系統(tǒng)、采暖和空調(diào)系統(tǒng)以及熱水和電氣等方面，建筑物的采暖和空調(diào)的使用所造成的能源消耗可以達(dá)到建筑物總能源消耗的一半以上［1］。湖南地區(qū)屬于夏熱冬冷地區(qū)，夏熱冬冷地區(qū)夏季最熱月平均溫度在25℃～30℃之間，平均相對(duì)濕度80%左右，熱濕是夏季的基本氣候特點(diǎn)；冬季最冷月均溫在0℃～10℃之間，平均相對(duì)濕度約為80%，雖然南方冬季的氣溫高于北方，但日照率卻比北方低，并且其冬季日照率從東到西呈現(xiàn)出逐漸減少的特點(diǎn)。因此湖南地區(qū)夏季天氣比較炎熱，氣候條件比較差，大量工作人員聚集于室內(nèi)且一天中大部分的時(shí)間都在辦公室中度過，加之太陽輻射熱量通過外窗進(jìn)入室內(nèi)，為了維持室內(nèi)始終處于一個(gè)舒適的環(huán)境當(dāng)中，常常會(huì)消耗大量的空調(diào)能源［2-3］。故在夏熱冬冷區(qū)域選擇一種既能滿足室內(nèi)人體熱舒適又能滿足低能耗的通風(fēng)方式尤為重要。

混合通風(fēng)是辦公建筑最傳統(tǒng)、最常規(guī)的通風(fēng)方式，為滿足工作人員的需要，低溫空氣從房間的頂部以較大的動(dòng)量進(jìn)入室內(nèi)，與室內(nèi)空氣混合，從而獲得均勻的室內(nèi)溫度［4］。但由于混合通風(fēng)是對(duì)房間整體進(jìn)行控制，所以能耗較高、使用上也受到限制［5］。隨著對(duì)通風(fēng)方式的深入研究，香港城市大學(xué)的林章等提出了層式通風(fēng)［6］。層式通風(fēng)是通過在側(cè)墻上略高于工作區(qū)高度安裝空氣進(jìn)口，將新鮮空氣直接送到工作區(qū)，以此縮短空氣供應(yīng)路徑［7］。許?。?］研究了辦公室采用層式通風(fēng)時(shí)不同的送風(fēng)口設(shè)計(jì)高度與回風(fēng)方式下室內(nèi)空氣質(zhì)量的影響規(guī)律，指出送風(fēng)口高度高于人員20 cm，并采取頂回風(fēng)方式時(shí)，工作區(qū)能夠獲得最佳空氣品質(zhì)。王灃浩等針對(duì)一典型辦公建筑在采用6次換氣次數(shù)和19℃送風(fēng)溫度條件下對(duì)比研究了層式通風(fēng)、置換通風(fēng)的氣流組織特性，發(fā)現(xiàn)層式通風(fēng)不僅能有效消除室內(nèi)熱負(fù)荷和污染物，而且呼吸區(qū)空氣品質(zhì)和熱舒適性良好。ElHaroun等［9］針對(duì)小型辦公室對(duì)比研究了層式通風(fēng)、混合通風(fēng)、置換通風(fēng)的通風(fēng)效果，發(fā)現(xiàn)層式通風(fēng)方式僅需要較低的通風(fēng)率就能達(dá)到熱舒適和室內(nèi)空氣品質(zhì)。

本文以夏季某大型辦公室為例，采用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）的方法，模擬分析混合通風(fēng)和層式通風(fēng)下該辦公室的溫度分布、速度分布、PMV指標(biāo)和空氣齡值等，以期對(duì)層式通風(fēng)在辦公室的氣流組織特性有更深的認(rèn)識(shí)。

1 模型建立

1.1 幾何模型

本文以某大型空調(diào)辦公室為研究對(duì)象，其尺寸為5.5 m×6.3 m×3.3 m，空調(diào)房間內(nèi)熱源有6盞熒光燈、12名工作人員、12臺(tái)計(jì)算機(jī)，在混合通風(fēng)方式下，空調(diào)房間內(nèi)設(shè)置5個(gè)送風(fēng)口，其中0.2 m×0.2 m的送風(fēng)口為新風(fēng)口；參考文獻(xiàn)［8］，在層式通風(fēng)方式下，送風(fēng)口設(shè)置在高于人員頭部20 cm處，且在保證空調(diào)房間總送風(fēng)量不變的情況下，將4個(gè)送風(fēng)口增加至8個(gè)送風(fēng)口，如表1所示為幾何模型的尺寸。為了更加真實(shí)地體現(xiàn)實(shí)際辦公室的布置情況，將辦公室的工作人員、辦公桌、計(jì)算機(jī)等按照其實(shí)際尺寸簡(jiǎn)化為長(zhǎng)方體代替，其中工作人員為坐姿?；旌贤L(fēng)下和層式通風(fēng)下的辦公室?guī)缀文Ｐ头謩e如圖1，圖2所示。

表1 幾何模型尺寸

圖1 混合通風(fēng)下辦公室?guī)缀文Ｐ?/p>

圖2 層式通風(fēng)下辦公室?guī)缀文Ｐ?/p>

1.2 數(shù)學(xué)模型

為了簡(jiǎn)化問題，對(duì)模擬房間作如下的假設(shè)：

1）房間內(nèi)流體流動(dòng)為穩(wěn)態(tài)流動(dòng)。

2）房間內(nèi)流體為低速流體且符合Boussinesq假設(shè)［10-11］。

3）門、窗密閉，室內(nèi)空間密閉性良好且忽略空氣滲漏的影響。

4）西墻和東墻為內(nèi)墻，北墻和南墻為外墻，相鄰房間為空調(diào)房。

模擬根據(jù)實(shí)際情況采用Realizable k-ε模型，模型的控制方程為：

1）連續(xù)性方程：

其中，ui為xi方向上的時(shí)均速度，m/s。

2）動(dòng)量方程：

式（1），式（2）中，C1ε=1.44，C2ε=1.92，σk=1.0，σε=1.3［12-14］。

1.3 邊界條件

外墻的邊界條件設(shè)置定溫壁面，壁面溫度取實(shí)測(cè)溫度的平均值。鄰室房間為空調(diào)房，故將內(nèi)墻的邊界條件設(shè)置為絕熱壁面。送風(fēng)口的邊界條件參數(shù)設(shè)置根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定。混合通風(fēng)下和層式通風(fēng)下具體的邊界條件設(shè)置分別如表2，表3所示。

表2 混合通風(fēng)邊界條件設(shè)定表

表3 層式通風(fēng)邊界條件設(shè)定表

在幾何模型中熒光燈、工作人員和計(jì)算機(jī)的換熱面積遠(yuǎn)大于實(shí)際換熱面積，因此將熒光燈、工作人員和計(jì)算機(jī)的設(shè)定溫度適當(dāng)降低。

1.4 實(shí)驗(yàn)安排

如圖3所示，取人體頭部區(qū)域（Z=1.4 m截面）為測(cè)試斷面，為了能較全面地反映辦公室內(nèi)人體周圍熱環(huán)境分布情況，將辦公室中每個(gè)工位都作為一個(gè)測(cè)試點(diǎn)并編號(hào)。實(shí)驗(yàn)時(shí)，室內(nèi)人員坐在椅子上，室內(nèi)無人員走動(dòng)，實(shí)驗(yàn)儀器采用德國Testo公司的SE&Co.KGaA精密型熱敏風(fēng)速儀來測(cè)量溫度和風(fēng)速，測(cè)量的誤差在±3%內(nèi)，每個(gè)測(cè)試點(diǎn)的數(shù)據(jù)測(cè)量5次，每次測(cè)量該點(diǎn)30 s內(nèi)溫度和氣流速度的平均值，取每個(gè)測(cè)試點(diǎn)5次測(cè)量數(shù)據(jù)的平均值作為該點(diǎn)的實(shí)測(cè)值。

圖3 室內(nèi)測(cè)試點(diǎn)分布圖

2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

2.1 溫度分布

如圖4所示，混合通風(fēng)方式下各測(cè)點(diǎn)處溫度范圍在24.0℃～26.0℃，實(shí)測(cè)值與模擬值相差不超過1.5℃，靠近房間外墻的測(cè)點(diǎn)處溫度比靠近房間內(nèi)墻的測(cè)點(diǎn)處溫度高；層式通風(fēng)方式下各測(cè)點(diǎn)處溫度范圍在23.0℃～26.0℃。

圖4 Z=1.4 m處截面溫度模擬值和實(shí)測(cè)值對(duì)比

兩種通風(fēng)方式下Z=0.15 m截面和Z=1.4 m截面溫度分布云圖分別如圖5，圖6所示。如圖5（a），圖6（a）所示，混合通風(fēng)方式下，Z=0.15 m截面的平均溫度為23.7℃，Z=1.4 m截面的平均溫度為24.2℃。如圖5（b），圖6（b）所示，層式通風(fēng)方式下，Z=0.15 m截面的平均溫度為23.5℃，Z=1.4 m截面的平均溫度23.9℃。在Z=1.4 m截面，混合通風(fēng)方式下人體頭部周圍溫度值在24.0℃～26.0℃之內(nèi)，層式通風(fēng)方式下人體頭部周圍溫度值在23.5℃～26.5℃之內(nèi)，這是由于層式通風(fēng)是將新鮮空氣水平直接送入辦公室中心辦公區(qū)，導(dǎo)致辦公室中心區(qū)域工作人員頭部溫度較低，靠?jī)?nèi)墻的工作人員頭部溫度較高，使得該高度截面上溫度分布不均勻，可以通過設(shè)計(jì)合理的送風(fēng)溫度、送風(fēng)氣流速度和人體到送風(fēng)口的水平距離等方法來改善。在兩種通風(fēng)方式下，人體頭部與腳踝溫度差最大值都低于3℃，符合規(guī)定要求，不會(huì)產(chǎn)生 “頭暖腳寒” 熱不舒適感。

圖5 Z=0.15 m截面處溫度分布

圖6 Z=1.4 m截面處溫度分布

2.2 速度分布

如圖7所示，混合通風(fēng)方式下，各測(cè)點(diǎn)處氣流速度實(shí)測(cè)值與模擬值相差不超過0.04 m/s，且兩種通風(fēng)方式下各測(cè)點(diǎn)處氣流速度都小于0.3 m/s。

圖7 Z=1.4 m截面處速度值模擬值和實(shí)測(cè)值對(duì)比

如圖8所示為兩種通風(fēng)方式下Z=1.4 m截面氣流速度分布云圖。如圖8（a）所示，在混合通風(fēng)方式下，冷空氣自進(jìn)風(fēng)口垂直進(jìn)入房間后，受重力作用向下運(yùn)動(dòng)，并在運(yùn)動(dòng)過程中與室內(nèi)空氣發(fā)生熱量交換過程，使得動(dòng)量逐漸減少，在達(dá)到該截面時(shí)的平均氣流速度為0.07 m/s，人體頭部周圍氣流速度小于0.3 m/s。如圖8（b）所示，在層式通風(fēng)方式下，冷空氣自進(jìn)風(fēng)口水平進(jìn)入房間后，氣流速度逐漸減小并向下運(yùn)動(dòng)，這是由于受到空氣阻力和重力影響，在到達(dá)該截面時(shí)的平均氣流速度為0.09 m/s，1號(hào)、2號(hào)和5號(hào)測(cè)點(diǎn)處工作人員頭部周圍區(qū)域氣流速度波動(dòng)范圍在0.1 m/s～0.4 m/s，工作人員會(huì)有輕微吹風(fēng)感［15］。

圖8 Z=1.4 m截面處速度分布圖

2.3 PMV

PMV即平均熱感覺指數(shù)，由丹麥學(xué)者Fanger教授提出，是目前國際上最常用和最權(quán)威的建筑室內(nèi)熱舒適性評(píng)價(jià)指標(biāo)，且與環(huán)境的水蒸氣分壓力、環(huán)境溫度、氣流速度、服裝熱阻和人體所做機(jī)械功等因素有關(guān)。如表4所示為PMV熱感覺標(biāo)尺［15］。

表4 PMV熱感覺標(biāo)尺

如圖9，表4所示，在混合通風(fēng)方式下，由于送風(fēng)射流與室內(nèi)空氣摻混較為均勻，室內(nèi)溫度分布也相對(duì)均勻，PMV值基本維持在0.4～1.0之間，人體熱感覺接近于有點(diǎn)熱，這與實(shí)際感受一致；在層式通風(fēng)方式下，位于辦公室中心直接受到水平射流影響的工作人員PMV值在0.0～0.5之間，人體熱感覺偏中性，舒適度較好，其余測(cè)點(diǎn)的PMV值在0.5～1.0之間，人體熱感覺接近于有點(diǎn)熱。

圖9 Z=1.4 m截面PMV值

2.4 空氣齡

如圖10（a）所示，在混合通風(fēng)方式下，呼吸區(qū)高度上的平均空氣齡值為317 s，最小空氣齡值低于40 s，人體呼吸區(qū)周圍處空氣齡值在160 s～400 s范圍內(nèi)。由圖10（b）可見，在層式通風(fēng)方式下，呼吸區(qū)高度上的平均空氣齡值為283 s，最小空氣齡值低于40 s，位于辦公室中心直接受到水平射流影響的工作人員呼吸區(qū)周圍處空氣齡值波動(dòng)范圍為40 s～280 s，靠近內(nèi)墻的工作人員呼吸區(qū)周圍處空氣齡值波動(dòng)范圍為280 s～320 s。經(jīng)過對(duì)比兩種通風(fēng)方式發(fā)現(xiàn)，在呼吸區(qū)高度截面，層式通風(fēng)所營造的空氣環(huán)境最佳。

圖10 Z=1.2 m截面空氣齡

3 結(jié)論

本文基于CFD方法，利用Fluent軟件對(duì)某辦公室進(jìn)行混合通風(fēng)和層式通風(fēng)兩種通風(fēng)方式下的模擬研究，其中混合通風(fēng)方式下的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，符合實(shí)際情況，對(duì)比兩種通風(fēng)方式模擬結(jié)果，分析得到以下結(jié)論：

1）在層式通風(fēng)方式下的人體頭部區(qū)域和腳部區(qū)域溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)分布和混合通風(fēng)方式相當(dāng)，兩種通風(fēng)方式下人體都不會(huì)產(chǎn)生不舒適感，但層式通風(fēng)方式下兩高度截面處平均溫度較低，且層式通風(fēng)送風(fēng)風(fēng)口設(shè)置在高于人體頭部20 cm處，因此人體頭部高度截面處平均氣流速度較高，1號(hào)、2號(hào)、5號(hào)測(cè)點(diǎn)處工作人員會(huì)產(chǎn)生輕微的吹風(fēng)感，而混合通風(fēng)方式下所有測(cè)點(diǎn)都不會(huì)產(chǎn)生吹風(fēng)感。

2）在層式通風(fēng)方式下，位于辦公室中心直接受到水平射流影響的工作人員處PMV值較低，熱感覺偏中性，靠墻較近的工作人員處PMV和混合通風(fēng)相當(dāng)，熱感覺偏有點(diǎn)熱，熱舒適度總體上比混合通風(fēng)較好。

3）在層式通風(fēng)方式下，室內(nèi)呼吸區(qū)高度上平均空氣齡值較低，說明層式通風(fēng)方式下人體呼吸區(qū)的空氣較新鮮，通風(fēng)效率較好。

4）在夏熱冬冷區(qū)域，辦公室使用層式通風(fēng)更節(jié)能、人體舒適度更好，但靠墻的工作人員處溫度值、氣流速度值、空氣齡值較高，這可以通過設(shè)計(jì)合理的送風(fēng)溫度、送風(fēng)氣流速度和人體到送風(fēng)口的水平距離來改善。