数值模拟层状通风对室内热环境的影响

刘泽勤，刘 哲

（1.冷冻冷藏技术教育部工程研究中心，天津 300134；2.天津市制冷技术重点实验室，天津 300134；3.天津商业大学 机械工程学院，天津 300134）

数值模拟层状通风对室内热环境的影响

刘泽勤1，2，3，刘 哲3

（1.冷冻冷藏技术教育部工程研究中心，天津 300134；2.天津市制冷技术重点实验室，天津 300134；3.天津商业大学 机械工程学院，天津 300134）

以采用层状送风的典型办公建筑为研究对象，采用CFX计算流体软件，模拟分析建筑在不同送风速度下人体活动区的温度场、速度场，评价控制区域的热舒适性.模拟研究结果表明，在层状送风条件下，房间在垂直方向上出现明显的热力分层.热力分层以距地面0.9 m高的水平面为分界线；人体活动区域以上部分温度高，人体活动区温度低；在人体活动区域，头部位置温度最低，脚部温度最高；这样的热力分层符合建筑节能和人体热舒适性要求.送风速度在0～0.8 m/s的范围内，控制区域内的热舒适度相对较高，送风可及性好，新风可以很好的送到人体呼吸区，有效的提高呼吸区的空气品质.

层状通风；数值模拟；热舒适性；空气品质

0 引言

随着社会的发展与生活水平的提高，室内空气品质与建筑节能倍受国内外学者和研究人员的重视和关注.据统计，一个人一生大约有80%～90%的时间是在室内环境中度过的[1]，因此室内环境与房间使用者的健康以及工作效率密切联系.尤其是近年来由于能源价格的飞速上升导致建筑密闭性提高，室内新风量减少，同时大量释放挥发性有机物的建筑材料和装修材料的采用，以及各种现代办公设备的普及，这些因素都导致了室内空气品质恶化，出现了大量“室内建筑综合症”的病例.现行的通风方式主要包括混合通风，置换通风和个性化通风方式.综合考虑到节约空调能耗以及保障呼吸区空气品质的双重因素，Lin等[2-6]提出了层状送风的概念.层状通风是通过位于侧墙上且略高于工作区的送风口将新鲜空气直接送到呼吸区的送风方式.本文针对这种新的送风方式，研究送风速度对室内热舒适度的影响.

1 模型介绍

图1为一间典型办公室的示意图，办公室几何尺寸为5 m×4 m×3 m（长×宽×高）.房间内布置热源包括模拟人、模拟电脑、灯、桌子.办公室内有4个人，考虑到人在办公室的工作状态一般为坐姿，将人体设为1.1 m高的圆柱体，单个人体发热量为75 W；室内有4个日光灯用于照明，单个灯管发热量为36 W；办公室内配备4个电脑用于办公，单个电脑的发热量为108 W；室内所有的热源均设为面热源.送风口位于侧墙1.2 m高处，墙体两侧各1个，排风口位于天花板正中间，室内设计温度为25℃，送风口送风温度为19℃，换气次数为8次/h，建筑围护结构设置为25℃的恒温壁面.

图1 数值模拟办公室布置图Fig.1 Numerical simulation of office layout

2 数值模拟结果分析

表1给出了不同风速下的风口尺寸和风口个数，各工况下出风口的尺寸及位置不变，出风口的尺寸为1 600 mm×800 mm.图2a）为送风速度为0.1 m/s时，办公室中间位置的垂直温度分布图.从图中可以看出当送风速度为0.1 m/s时，送风口送入的新风不能有效的消除人体活动区的热量，整个垂直断面内温度差异较小.图2b）为送风速度为0.1 m/s时，办公室中间位置的垂直速度分布图，从图中可以看出，只有在办公室进出风口很小的范围内有很小的空气流动，房间内的空气流通性差，风口送入的新风不能有效的送到人体呼吸区.

表1 不同送风速度下的风口尺寸Tab.1 Outlet size at different velocities

图2 送风速度为0.1 m/s时的温度速度分布图Fig.2 Temperature and velocity distribution at the speed of 0.1 m/s

图3a）为送风速度为0.5 m/s时办公室中间位置的垂直温度分布图，与速度为0.1 m/s的温度速度分布图相比，从送风口送入的新风能够顺利的送到人体呼吸区，很好的消除人体活动区的热量.从图3a）中可以看出，以送风口高度为分界，垂直平面上下出现明显的热力分层，上部温度高，下部温度低，且在下半部区域温度从上往下逐渐升高，符合人体头凉脚暖的热舒适性要求.从图3b）中可以看到，从进风口送入的新风送入房间后有足够的进深，基本不会出现送风盲点.图4为送风速度为0.5 m/s时办公室内的空气流线图.从图中可以看出，从进风口送入室内的空气首先送到人体活动区域再流到上部空间，然后通过排风口排到室外，保证了人体呼吸区的空气质量，提高人体舒适度.

图3 送风速度为0.5 m/s时的温度速度分布图Fig.3 Temperature and velocity distribution at the speed of 0.5 m/s

图4 送风速度为0.5 m/s时的空气流线图Fig.4 The streamlines of air-conditioning supply air at the speed of 0.5 m/s

办公区具有对称性，工位及周边环境直接关系到办公人员的热感觉，因此取送风口处2工位中间位置即距地面1.1 m、距送风口1 m、距两侧墙体2 m处为测试点，分析测试点在不同送风速度下温度与速度变化.图5为测试点的温度、速度变化曲线.从图5a）可以看出随着送风速度的增大，测试点温度变化总体呈下降趋势，温度波动范围在2.5℃以内.从图5b）可以看到，随着送风速度的增大，测试点速度总体呈上升趋势，速度波动范围在0.4 m/s以内.图6为不同送风速度下的测试点预测不满意百分比PPD[7]，由图可以看出，当送风速度低于0.8 m/s时，PPD值在5%左右，热舒适性较好.当风速大于0.8 m/s时，PPD值快速上升，当送风速度达到1 m/s时，PPD值大于40%，预测不满意百分比偏高，不能满足人体热舒适性要求.

图5 测试点温度速度变化曲线Fig.5 Temperature change curve of test point

取测试点高度方向为测试直线，分析在送风速度为0.8 m/s时温度、速度随高度的变化情况.图7为送风速度为0.8 m/s时温度、速度变化曲线.从图7a）可以看出在距地面高度0.9 m以下的空间，随着高度的增大温度逐渐降低；在0.9～1.5 m的高度空间内，温度随高度的增加呈递增趋势；高度方向高于1.5 m的空间温度趋于恒定.从图7b）可以看到在0.9 m以下的空间内，随着高度的增加，风速逐渐增大；在0.9～1.5 m的高度空间内，随着高度的增加，风速逐渐减小；1.5 m以上空间点的风速基本趋于0.

图6 测试点PPDFig.6 PPD of test point

图7 垂直方向温度速度变化曲线Fig.7 Temperature change curve of vertical direction

3 结论

分析办公室房间在不同的送风速度下的室内热舒适性，可以为设计人员在设计时选取合适层状送风的送风速度提供参考依据，提高层状送风房间的热舒适性.随着层状送风这种的新的送风方式的提出和其优点的不断发掘，越来越多的学者也开始关注与研究层状送风.通过研究层状送风受送风速度的影响可以得到以下结论：

1）层状送风速度在0.8 m/s以下的范围内可以保证室内人员的热舒适性.送风速度低于0.8 m/s时热舒适性最好，当送风速度为1 m/s时，PPD值大于40%，预测不满意百分比偏高，不能满足人体热舒适性要求.

2）层状送风条件下，房间内出现明显的热力分层.在1.5 m以下的区域，房间热舒适性较高，有效的将空调控制区域控制在1.5 m以下的空间范围内，利于建筑能耗的降低.

3）层状送风条件下，在人体活动区域头部的空气温度低，脚部空气温度高，符合人体头凉脚暖的热舒适性要求，有效的提高了房间内的热舒适度.

[1]Rongyi Zhao，Shufeng Sun，Rongyi Ding.Conditioning strategies of indoor thermal environment in warm climates[J].Energy and Buildings，2004，36（12）：1281-1286.

[2]Lin Z，Chow TT，Tsang CF.Validation of CFD model for research into stratum ventilation[J].International Journal of Ventilation，2006，5（3）：345-363.

[3]Lin Z，Chow TT，Tsang CF.Stratum ventilation-a conceptual introduction[C]//Proceedings 10th International Conference Indoor Air Quality and Climate[C].Beijing，2005：3260-3264.

[4]Lin Z，Chow TT，Tsang CF.Perceived control of stratum ventilation system[C]//Proceedings of Climate 2007 Wellbeing Indoors.Helsinki，2007：168-175.

[5]林章，周天泰，曾志宽.层式通风——高温空调下的出路[J].化工学报，2005，59（S2）：235-239.

[6]王沣浩，刘晓东，李远斌，等.办公建筑通风系统的实验与数值模拟研究[J].制冷学报，2009，30（5）：45-50.

[7]ISO 7730：2005，Ergonomics of the thermal environment-analytical determination and interpretation of thermal comfort using calculation of the PMV and PPD indices and local thermal comfort criteria[S].

[责任编辑 田 丰]

Numerical simulation of the influence on indoor thermal environment by stratum ventilation

LIU Zeqin1，2，3，LIU Zhe3
（1.Engineering Research Center of Freezing and Cold Storage Technology,Ministry of Education,Tianjin 300134,China;2.Tianjin Key Laboratory of Refrigeration Technology,Tianjin 300134,China;3.College of Mechanical Engineering,Tianjin University of Commerce,Tianjin 300134,China）

This paper studies the effect of indoor thermal environment by air velocity from the stratum ventilation system in a typical office building.The CFX calculation software was used to study the temperature field,velocity field in human active area and thermal comfort in control area which was evaluated in different air supply velocities.Results show that the room appeared thermal stratification obviously in the vertical direction under the condition of stratum ventilation.The thermal stratification plane was located at the level of 0.9 m above the ground.In human active area,the room temperature of the zone over human acive area was higher than that in the human active area.And the temperature of human head was the lowest and that of the human foot was the highest in the human active area.The thermal stratification met the requirements of building energy conservation and thermal comfort of human body.The thermal comfort in control area was high when the range of supply air velocity was 0～0.8 m/s and fresh air could be effectively sent to the breathing area,thus the air quality of the breathing zone was improved.

stratum ventilation;thermal comfort;air quality;numerical simulation

TU834

A

1007-2373（2017）01-0094-04

10.14081/j.cnki.hgdxb.2017.01.016

2016-11-30

天津市自然科学基金（13JCZDJC27400）；天津市高等学校科技发展基金（20120910）

刘泽勤（1961-），男，教授，博士，liuzq@tjcu.edu.cn.