地板送风系统变工况运行的模拟研究

马巧燕，赵树兴

(天津城建大学 能源与安全工程学院，天津 300384)

地板送风系统变工况运行的模拟研究

马巧燕，赵树兴

(天津城建大学 能源与安全工程学院，天津 300384)

结合工程实际，选取某公建地板送风空调系统外区典型房间作为研究对象，通过理论计算与CFD软件模拟相结合的方法，对该典型房间在变工况运行下的三种调节方式进行了对比分析．结果表明：变风量调节模式下室内热舒适性最佳；变送风温度调节模式下室内空气品质最佳；同时改变送风量和送风温度的调节模式下，可满足变工况运行下的室内热舒适性、室内空气品质均与设计工况下的情况基本相同的要求．

地板送风空调；变工况运行调节；CFD模拟；室内热舒适性；室内空气品质

近年来，地板送风系统作为一种有效的空调系统形式，因其布置方式灵活、舒适节能和能够为人员活动区创造良好空气品质等诸多优点，在国内受到了广泛关注，并被逐步应用于办公、商业等公共建筑中[1].但由于该系统在我国的应用起步较晚，设计规范也不完整，因此，在工程设计以及运行调节等方面仍存在一些问题．如空调系统通常按照最不利工况进行设计，但随着室外气象参数的改变，空调系统在绝大多数时间内并没有按照设计工况运行，所以如何在变工况运行下合理调节送风参数，是关乎室内人员舒适性及室内空气品质的重要问题．通过结合天津地区的实际工程，选取地板送风空调系统的典型房间，运用理论计算和CFD软件模拟相结合的方法，分析系统在变工况下以不同的调节方式运行时典型房间的温度场和速度场，并结合各项舒适性指标和室内空气品质来比较各种调节方式的优劣性．

1 典型房间的选取与建模

1.1 典型房间选取

选取天津图书馆新馆三层空调外区的一个典型房间进行模拟研究．该房间为阅览区，东外墙为玻璃幕墙，其他各墙均为内墙(按绝热壁面处理)．房间形状为长方体，尺寸为10.2,m×10.2,m×5.85,m(长×宽 ×高)；房间地板送风口20个，直径D＝200,mm；回风口2个，0.8,m×0.32,m，设置在顶棚．左侧回风口距西向外墙为4,m；假定该房间人员总数为15人，在东外墙附近坐立姿态的人数为10人，坐姿人轻度活动的散热量Q＝60,W/m2；其余位置站立的人数为5人，站姿人轻度活动的散热量Q＝75,W/m2；荧光灯10盏，位于房间4.5,m高度处，荧光灯散热量Q＝200,W/m2．[2]

1.2 典型房间建模

基于数值模拟软件Fluent 6.3对典型房间进行建模，该房间模型大样如图1所示．简化后的模型及相应的边界条件设定见表1．

图1 房间模型大样

1.3 数值计算方法

为使房间模型更加贴近实际情况，对空调房间建立离散传播辐射模型，以便考虑室内壁面之间的辐射换热．FLUENT软件在计算过程中使用射线跟踪技术来更新辐射场，并计算所产生的能量源和热流[3]．

因本文研究的是不可压流动问题，故采用Segregated求解器进行求解；湍流模型选用标准k－ε模型；壁函数选用标准壁函数；控制方程的离散格式选用二阶迎风差分格式；压力插值格式选用standard格式．此外还采用了Boussinesq假设考虑浮升力对计算结果的影响．

表1 模型简化及热边界层设定

2 夏季部分负荷运行工况下的数值模拟

建立典型房间的模型后，基于天津图书馆新馆空调系统在夏季设计送风温度19.2,℃和设计送风速度0.96,m/s，对夏季部分负荷工况下典型房间进行CFD模拟．在某一负荷下，送风量与送风温差存在如下关系[4]

式中：V为房间计算送风量，m3/h；Qx为房间计算显冷负荷，kW；ρ为空气密度(取1.2,kg/m3)；cp为空气的比定压热容(取1.01,kJ/(kg·℃))；△T为送、回风温差，℃．

由式(1)可知，送风温度与送风量存在一定的函数关系．当送风口密度与冷负荷确定时，送风温度的改变会导致送风速度(即送风量)的改变．在夏季，当系统处于部分负荷工况下运行时，为了满足负荷变化时室内环境及人员舒适性的需求，随着负荷减小，若需维持送风温度不变，则必然要减小送风速度(即送风量)；若需维持送风速度不变，则必然要提高送风温度．故当系统处于某一负荷工况时，送风参数(送风温度，送风速度)应满足如下关系

2.1 部分负荷工况设定

部分负荷率是指实际运行负荷与设计负荷的比值，用α 表示，α 满足：0＜α ≤1．文中的部分负荷率α 从[0.50，0.95]中取值，每间隔0.50设立一个工况点．通过式(1)的计算，可以得到各部分负荷工况下送风温度的高限值及送风速度的低限值．针对每种工况，将送风参数在取值范围内再进行细分，得到不同的送风参数组合，见表2．

表2 典型房间夏季变负荷工况下热舒适性指标

续表

2.2 部分负荷工况模拟

首先对设计工况下典型房间的温度场与速度场进行模拟，选取Y＝4.2,m剖面进行室内温度场分析，如图2所示；选取X＝5.05,m剖面进行室内速度场分析，如图3所示．然后对各工况的送风参数组合进行模拟：①维持送风温度T＝19.2,℃不变，仅改变送风口的出风速度(即送风量)的变风量运行模拟；②维持送风口出风速度V风口＝0.96,m/s不变，仅改变送风温度的变送风温度运行模拟；③同时改变送风量和送风温度的运行模拟．

图2 设计工况下Y＝4.2,m剖面温度分布

图3 设计工况下X＝5.05,m剖面速度分布

3 室内热舒适性及气流组织分析

3.1 垂直温差比较

地板送风空调房间存在温度分层现象．相差过大的温度梯度会使工作区域内的人员产生不舒适感．ISO 7730国际标准[5]中规定：人体在坐姿情况下，垂直高度0.1,m脚踝处的温度与1.1,m坐立头部处的温度差值不得大于3,℃．ASHRAE 55—1992标准[6]中规定：人体在站立情况下，0.1,m脚踝处的温度与1.8,m站立头部处的温度差值不得大于3,℃．从图2模拟所得的温度分布可知，各组送风参数的温度分布均满足标准要求．以送风参数(T设计，Vmin)送风时，室内工作区平均温度最接近设计温度，室内工作区温度分层较少，非工作区温度分层较多，垂直温度梯度较小．

3.2 吹风感比较

吹风感是由于空气温度和风速引起人体局部地方有冷感，从而导致不舒适的感觉．当风速较大时，就会使空调区域内的人员有吹风感，影响人体的舒适度．本文采用不满意度PD来反映吹风感的大小，可用下式来描述不满意度与风速、温度以及湍流度之间的关系[7]

式中：Ta为人员附近空气温度，取室内离地面1.0,m处人员周围平均温度为计算温度，℃；为人员附近平均空气流速，m/s；Tu为局部空气湍流度．计算结果见表2．

Fountain等[8]指出，室内的平均风速要小于0.25,m/s；GB50736—2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》[9]规定，舒适性空调夏季室内风速不应大于0.3,m/s．由模拟云图(见图3)可知，各组送风参数组合下的室内风速均满足规范要求．由表2的计算可知，各组参数的吹风感不满意率PD≤5%，且相差不大，表明在吹风感方面各组送风参数均满足舒适性要求；以送风参数组合(T设计，Vmin)送风时PD最小，舒适性最佳．

3.3 室内热环境比较

文献[5]中采用预计平均热感觉指数PMV与预计不满意者的百分率PPD指标来描述和评价热环境．朱颖心[7]提出了基于人体热平衡方程计算PMV-PPD的方法

式中：M为人体新陈代谢率，W/m2；TL为人体热负荷，W，定义为人体产热量与人体向外界散出的热量之间的差值．

由于式(4)比较复杂，用以下经验公式计算PMV的数值[10-11]

式中：a、b、c是系数；T为室内空气温度，取室内离地面1.0,m处人员周围平均温度为计算温度，℃；Pv为室内水蒸气分压力，kPa．查表，以人员在空调房间里的滞留时间≥3,h，a＝0.212，b＝0.293，c＝－5.949．计算结果列于表2．

文献[9]中规定，采暖与空气调节室内热舒适性指标宜为：－1≤PMV≤1，PPD≈26%．由表2的计算结果可以看出，各组送风参数组合的PMV-PPD均满足规范要求，且以送风参数组合(T设计，Vmin)送风时PMV-PPD最小，舒适性最佳．

3.4 空气品质及空气龄比较

室内空气品质指一定时间和一定区域内，空气中所含有的各项检测物达到一个恒定不变的检测值．它不仅影响到人体的舒适和健康，而且对室内人员的工作效率有显著影响．空气龄是评价室内空气品质的重要指标[12]，最早在20世纪80年代由Sandberg[13]提出．它是指房间内某点处空气在房间内已滞留的时间，即空气质点自进入房间至到达室内某点所经历的时间．它既反映了室内空气的新鲜程度，同时也反映了去除污染物的能力，综合衡量了房间的通风换气效果，揭示了室内空气的流动形态．

从统计学的角度来分析，房间某一点的空气是由大量不同的空气微团组成，某一点的空气龄为该点所有空气微团的空气龄的平均值，称为平均空气龄(mean age of air)．平均空气龄越小，室内空气品质越佳．通过Airpak软件进行模拟研究，在数值模拟中得到各工况下的平均空气龄．根据所得模拟结果，绘制出不同调节模式下平均空气龄随部分负荷率α变化的关系曲线．由于模拟工况较多，故只给出临界的两条曲线，其他各条曲线均处于这两条曲线之间，如图4所示．

图4 变工况下不同调节模式下的平均空气龄

由图4可知：①在变风量调节模式下，随部分负荷率的减小，平均空气龄逐渐增加；②在变送风温度调节模式下，随部分负荷率的减小，平均空气龄逐渐减小．在同时改变送风量和送风温度的调节模式下，平均空气龄随部分负荷率α 变化的各条关系曲线均位于图4所示两条临界曲线之间．即在此种调节模式下，各部分负荷率下的平均空气龄位于前两种调节模式下相同部分负荷率的平均空气龄之间．

4 结 论

(1)当空调系统在负荷变化时采用变风量调节模式，即以送风参数(T设计，Vmin)送风时，各项热舒适指标较理想，室内热舒适性明显优于变送风温度调节模式及同时改变送风量和送风温度的调节模式．

(2)当空调系统在负荷变化时采用变送风温度调节模式，即以送风参数(Tmax，V设计)送风时，室内空气品质明显优于变风量调节模式及同时改变送风量和送风温度的调节模式．

(3)当空调系统在负荷变化时采用同时改变送风量和送风温度的调节模式时，室内热舒适性及室内空气品质的效果介于变风量调节模式与变送风温度调节模式之间，且送风温度与送风速度应满足关系式T设计≤T≤Tmax，Vmin≤V≤V设计．在此调节模式下，可满足变工况运行下的室内热舒适性、室内空气品质均与设计工况下的情况基本相同的要求．

［1］ 周文慧，刘 东. 办公建筑内地板送风和置换通风模式对室内环境质量影响的数值模拟对比研究[J]. 建筑节能，2011，40(251)：10-13.

［2］ 赵荣义. 空气调节[M]. 4版. 北京：中国建筑工业出版社，2008.

［3］ 陶文铨. 数值传热学[M]. 2版. 西安：西安交通大学出版社，2001.

［4］ 安志红，刘 磊，臧效罡. 天津图书馆新馆空调设计[J]. 暖通空调，2012，42(2)：36-41.

［5］ ISO International Standard 7730，Moderate thermal environments determination of the PMV and PPD indices and specification of the conditions for thermal comfort[S].

［6］ ANSI/ASHRAE Standard 55—1992，Thermal environmental conditions for human occupancy[S].

［7］ 朱颖心. 建筑环境学[M]. 2版. 北京：中国建筑工业出版社，2005.

［8］ FOUNTAIN M，ARENS E，De DEAR R，et al. Locally controlled air movement preferred in warm isothermal environments[J]. ASHRAE Trans，1994，100(2)：937-952.

［9］ GB50736—2012，民用建筑供暖通风与空气调节设计规范[S].

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［13］ SANDBERG M，STOLBERG M. The use of moments for assessing air quantity in ventilated rooms[J]. Building and Environment，1983，18(4)：181-197.

The Simulation Researches of UFAD System Operation Under Variable Working Condition

MA Qiao-yan，ZHAO Shu-xing
(School of Energy and Safety Engineering，Tianjin Chengjian University，Tianjin 300384，China)

This paper,combing with engineering practice,takes the typical conditioned space of underfloor air distribution (UFAD) system in perimeter zone as the research object. Three kinds of regulating modes under variable working conditions were analyzed and compared regarding their merits and demerits by using theoretical calculation combined with CFD simulation. Result indicates that the indoor thermal comfort is the best under the variable air volume adjustment mode. The indoor air quality is the best under the variable air temperature adjustment mode. The indoor thermal comfort and indoor air quality in variable working condition could be same to those in the design condition under the adjustment mode of changing both air volume and air temperature.

UFAD；regulating of variable working condition；CFD simulation；indoor thermal comfort；indoor air quality

TU831.3

A

2095-719X(2015)02-0129-05

2014-09-18；

2014-11-12

马巧燕（1990—），女，河北保定人，天津城建大学硕士生.

赵树兴（1962—），男，天津城建大学教授，硕士，从事热能工程领域的研究．E-mail：zhaoshuxing@126.com