送风方式对某办公建筑室内舒适度的影响

孙建梅，刘云昭

(上海电力学院a.经济与管理学院；b.能源与机械工程学院，上海 200090）

送风方式对某办公建筑室内舒适度的影响

孙建梅a，刘云昭b

(上海电力学院a.经济与管理学院；b.能源与机械工程学院，上海 200090）

对于人员及设备密度较为集中且长时间处于静止状态的办公环境而言，舒适的室内环境能够使工作人员身心愉悦，有利于提高工作效率。送风方式直接影响室内的气流组织形式，是影响空调办公房间室内舒适度的重要影响因素之一。本文运用HVAC专用模拟软件Airpak，对某办公建筑空调房间上送上回、下送上回两种主要送风方式分别建立模型，对模型进行CFD模拟，通过对比两种送风方式下室内速度场、温度场、湿度场、PMV及PPD数值分布，分析不同送风方式对室内空气品质和人体热舒适度的影响程度。得到上送上回送风方式室内具有较好的速度、温度场分布；整体而言，下送上回送风方式下室内舒适度及空气品质较高等结论，为空调办公建筑室内的气流组织形式设计提供参考依据。

送风方式；Airpak；办公建筑；舒适度

随着可持续发展观念的深入人心及生活工作水平的提高，人们对于室内环境品质要求也越来越高。在室内环境模拟方面，国内外学者已经积累了许多宝贵的经验。室内环境包括室内热环境、声环境、光环境、视觉环境、空气质量环境、心理环境等。丹麦学者Monika Frontczak，Pawel Wargocki对一大批实验者在不同建筑场所进行了舒适度调研，旨在探索室内环境对影响人体舒适度的影响，通过改变建筑特性、室外气候变化、热觉、视觉和听觉，以及空气质量等影响因素，调查对于舒适的影响大小进行排名，结果表明，与空气质量、视觉、听觉相比，热舒适的排名最为靠前［1］。因此，一般所说室内舒适度指的便是室内热环境的舒适程度。在ASHRAE标准中把热舒适定义为对热环境表示满意的意识状态它是人们生理和心理上的一种感觉，热舒适是神经系统的一系列的活动，这些活动使人在心理上产生快乐的感觉［2］。影响人体热舒适的因素主要是空气湿度、空气流速、平均温度、人体新陈代谢和服装热阻［3］等五个方面。

作为影响空调房间室内舒适度的一个重要方面，送风方式种类繁多，比如：同(异)侧上送上回、同(异)侧上送下回；同(异)侧下送上回、同(异)侧下送下回等等［4］。对于办公房间常常采用上送上回和下送上回的送风方式。本文运用Airpak3.0软件(Airpak是Fluent公司推出专门面向建筑供暖通空调领域的环境系统分析软件，现为Ansys公司所有，作为CFD模拟软件之一，Airpak具有较强的图形化后处理功能［5］)，在不改变空调送风参数的前提下，对某办公室分别采用上送上回，下送上回的两种不同送风方式为例进行建模，通过对室内的空气环境进行数值模拟，并对其进行分析并讨论送风方式对室内热舒适性的影响，从而对空调办公房间气流组织的改进与优化提供参考。

1 几何模型与数学模型

1.1 几何模型

本文选取上海地区某典型办公楼标准层其中一间办公室为研究对象。该办公室面积为107 m2；房间朝向为南偏西约40°。为了清晰地对办公室内工作人员及设备进行舒适度模拟，运用Airpak软件对其进行建模。房间结构，人员及设备布局如图1所示：

图1 办公室几何模型

主要参数设置如下：房间大小为13.5 m×8 m×4.2 m；6个送风口采用openings，大小为0.2 m×0.2 m，相对湿度设置为50%；2个回风口采用vents，尺寸为0.7 m×0.2m。因为该建筑采用幕墙设计，南墙70%为室外窗户，设置为定温边界，在此采用上海典型年夏季平均温度34℃，其余墙体为内墙，设置为绝热边界。办公人员大小设置为1.73 m×0.3 m×0.2 m，一律采用坐姿，穿衣设置为T恤+长裤；照明设备设置为荧光灯，大小设置为0.2 m×1.2 m×0.15 m；电脑大小设置为0.4 m×0.4 m×0.4 m；其中电脑、办公人员、荧光灯采用定热流边界，热流量分别为108、75、34 W，其余物体设为绝热边界。

1.2 数学模型

数学模型应满足室内气体为不可压缩；符合Boussinesq假设［6］，即认为流体密度仅对浮生力产生影响。控制方程可以总结满足通用方程［7］：

式中：ρ为空气密度；u为气流速度；φ为通用变量；Γ为广义扩散系数；s为广义源项。

对于求解模型本文采用零方程模型［8］。零方程模型，是指湍流黏性系数与时均值存在代数方程关系，将湍流黏度归结为当地平均速度和长度尺度函数的模型：μl=0.03874ρυl(式中：μl为湍流粘度；υ为当地平均速度；l为长度尺度)。速度与压力的耦合则采用熟悉的SIMPLE算法。网格划分采用六面体网格，网格单元最大尺寸均为0.3 m，对局部进行网格加密：一般固体表面网格数min=2，对于送风口与回风口处网格数min=5。

1.3 室内舒适度模拟

(1)为了观察两种送风方式的室内气流分布对比情况，取主要工作区域：距地面高度1.1 m处截面进行分析，各截面速度场、温度场、湿度场分布图如图2～7所示：

图2 上送上回Y=1.1 m速度场

(2)PMV、PPD是评价室内热环境舒适程度的重要指标。PMV指标表示对同一环境绝大多数人的冷热感觉，具体人体冷热感如表1所示；PPD指标则是表示对热环境不满意人群所占的百分数。

图3 下送上回Y=1.1 m速度场

图4 上送上回Y=1.1 m温度分布

图5 下送上回Y=1.1 m温度分布

图6 上送上回Y=1.1m湿度分布

图7 下送上回Y=1.1 m湿度分布

表1 PMV对应人体热舒适感觉

为了观察两种送风方式的室内舒适度的对比情况，分别取Y=1.1 m，X=4 m截面进行分析，各截面PMV、PPD分布图如图8～15所示：

图8 上送上回Y=1.1m PMV分布

图9 上送上回X=4 m PMV分布

图10 下送上回室内Y=1.1m PMV分布

图11 下送上回X=4 m PMV分布

图12 上送上回Y=1.1 m PPD分布

图13 上送上回X=4 m PPD分布

图14 下送上回Y=1.1 m PPD分布

图15 下送下回X=4m PPD分布

(3)空气年龄(Age of air)是指空气由送风口被送入房间到从回风口离开房间所经历的时间。空气年龄可以用来评价室内空气环境品质的高低：空气年龄越小，说明空气在室内存留的时间越短，空气质量也越高；反之，则室内空气质量越低。为了观察两种送风方式下的室内空气年龄分布的对比情况，取X轴中截面进行观察分析，截面空气年龄分布如图16、图17所示：

图16 上送上回X=4 m空气年龄分布

图17 下送上回X=4 m空气年龄分布

2 模拟结果分析

对以上模拟图中数据集中汇总如表2：

表2 室内舒适程度模拟结果

(1)从室内风速分布图(图2、3)可以看出，对于上送上回送风方式，除射流区外，工作区内的气流速度较低，平均速度为0.128 m/s，这是由于空气气流进入房间后会有一定的贴附长度，且受浮力及墙壁等物体遮挡的影响，射流速度逐渐减弱，进入工作区的气流较为均匀；而对于下送上回送风方式而言，气流直接进入工作区，气流分布较不均匀，平均流速也较大为0.268 m/s；由于直接进入工作区，空气湿度自然也较大。就温度场而言(图4、5)，上送上回送风方式垂直温差较小，温度分布较均匀，工作区平均温度为26.6℃；而下送上回送风方式在相同条件下，室内温度与上送上回送风方式相比较低，平均气温为25.7℃，且稍有分层现象。相同的是在靠近窗的位置温度很高，这是由于此建筑为幕墙结构，窗的面积相对较大，尤其是在夏季会有过量的太阳辐射照入到房间，导致温度较高。综合分析，上送上回送风方式下室内气流分布较好，且空气湿度、温度也比下送上回方式要适宜。

(2)从室内PMV、PPD分布图(图8～15)可知，上送上回的送风方式除了窗口附近区域外PMV值在－0.5～1范围内，平均值为0.855，人体有微热感；PPD平均值为20%，不满意人数偏多。而下送上回送风方式与之相比，PMV平均值为0.662，人体感觉基本舒适，但下部送风口处风速较大，脚低部位可能会有吹风感。这也是为什么距地面较近处PPD值偏大的原因。但是就主要工作区来说其PPD值较上送上回方式来说是小的，平均为12.5%。还应该注意到的是此两种送风方式下的PMV、PPD的平均值均未能满足ISO7730标准推荐值(PMV为－0.5～+0. 5；PPD小于10%)的要求，可以通过采取遮阳等措施进行改善。

(3)由空气平均年龄分布图(图16、17)可知，上送上回送风方式下，室内空气平均年龄较大，其最大值为3127 s，平均值为2860 s。这是由于送入空气在进入主要工作区域之前经历了较长时间的掺混，空气在室内停留时间较长，而如果采用下送上回的送风方式，送入空气几乎可以直接进入到主要工作区域范围，与室内空气热量交换的时间相对缩短，空气平均年龄自然较小，其平均值为1900 s，室内空气较新鲜。所以比较而言，下送上回送风方式有较好的室内空气质量。此外，由于风从更接近于工作区域的地板送出，距离工作人员较近，空气年龄较小，不必过多考虑工作区域外距离地面较远区域的舒适度，所需提供冷热量较上送上回方式较少，所以也具有较大的节能潜力。

综上所述，在不改变送风参数的前提下，不同的送风方式，对于室内气流速度场、温度场及湿度场分布、人体舒适度和空气品质等方面都有较大的影响差异。

3 结论

(1)本文运用Airpak软件进行CFD模拟的方法对不同送风方式的温度场、速度场、湿度场、PMV值、PPD值及空气平均年龄进行分析，可以对空调房间的气流组织形式进行优化，为空调设计提供参考，并且节约了时间和成本，具有一定的实用与经济价值。

(2)对于人员较为集中，活动量不大的办公建筑房间，两种送风方式在某些具体室内参数方面各有优劣，就整体舒适度而言，下送上回送风方式优于上送上回送风方式。

［1］Frontczak M，Wargocki P.Literature survey on how different factors influence human comfort in indoor environments［J］.Building and Environment，2011，46 (4)：922-937.

［2］Lorsch H G.The impact of the building in door environment on occupant productivity part 2：effects of temperature［J］.ASHRAE Transactions，1994，100 (2)：895-901.

［3］李百战，郑洁，姚润明，等.室内热环境与人体舒适度［M］.重庆：重庆大学出版社，2012.

［4］张春阳，林豹.中学教室空调气流组织的数值模拟研究［J］.制冷，2010，(3)：50-56.

［5］王玉梅.剧院下送风气流组织模拟与优化［D］.长沙：中南大学，2011.

［6］陶文铨.数值传热学(第二版)［M］.西安：西安交通大学出版社，2001.

［7］杨惠，张欢，由世俊.基于Airpak的办公室热环境CFD模拟研究［J］.山东建筑工程学院学报，2004，19(4)：41-44.

［8］袁东升，田慧玲，高建成.气流组织对空调房间空气环境影响的数值模拟［J］.建筑节能，2008，(9)：9-13.

Effect of Air Supply on Indoor Com fort for Office Buildings

SUN Jian-meia，LIU Yun-zhaob
(a.School of Economics and Management；b.College of Energy and Mechanical Engineering，Shanghai University of Electric Power，Shanghai200090，China)

Because of the characteristics of the personnel，the equipment concentrated and the long time stationary，a more comfortable office environment enabling staff will be more relaxed and can help to improve work efficiency.The forms of air supply mode directly impact on indoor air distribution，which is one of the important factors that influence indoor comfort for the air-conditioned office room.For the same conditions，useing Airpak which is a simulation software designed for HVAC，twomodelswere established for the upper supply to upper return，the lower supply to upper return and themain air supply for office buildings and simulate themodel in CFD.By contrasting the indoor velocity field，temperature field，humidity field，PMV and PPD，the simulation results of indoor air quality and thermal comfort of air in differentwayswere found，and got the better speed and temperature distribution for the upper supply to upper return；the higher indoor comfortand air quality for the other air were supplied.So it can provide some references for optimizing air-conditioned for office buildings.

air supplymode；Airpak；office building；degree of comfort

TU831

A

2095-0985(2015)04-0015-05

2015-05-04

2015-10-04

孙建梅(1974-)，女，河北保定人，博士，教授，研究方向为建筑节能(Email：dlxysjm@139.com)

085-能源经济服务科学研究开放项目(C-8209-11-439)