卡式风盘送风角度对室内热舒适度的影响分析

沈文增，庄兆意，李彬，王斌

1.山东建筑大学热能工程学院,山东济南250101

2.山东博物馆机电设备部,山东济南250014

随着社会经济发展，人们对室内环境品质的要求越来越高。据调查，人员在室内活动的时间占比可达80%以上，通过调节空调送风参数来提高室内空气热湿品质，达到更好的热舒适性，对提高人们生活质量有重要意义。在设计过程中，空调位置及空调送风角度对室内舒适性影响较大。如合理设计，可有效地改善室内热湿环境、提高室内舒适度、降低空调能耗，从而节约建筑能耗及生态能源。而目前空调系统形式及末端的多样性，使得对可调节送风角度的末端形式缺乏深入研究[1]。

办公室是办公人员长时间停留的场所，因而对其室内热舒适性及空气质量要求很高。通过计算流体力学(computational fluid dynamics，CFD)方法，在设定某室内环境参数下，通过对改变送风角度进行模拟，可有效对室内温度、速度场等指标进行综合性评价，进而分析室内空气品质、热舒适性。姚润明等[2]利用CFD技术对空调房间进行数值模拟，分析了室内PMV-PPD，为室内舒适度的研究奠定了基础；江亿等[3]通过实验研究为主，CFD技术模拟为辅，得出空调室内空气龄分布，并推导出室内空气龄的输运方程。袁东升等[4]通过控制变量法对室内气流组织进行研究，在相同的室内条件下，以气流组织形式为变量，进行数值模拟，研究成果为空调房间的室内热舒适度及气流组织形式的优化提供参考。

本文利用Airpak 软件对某建筑办公室进行建模与数值模拟，设置空调参数(送风角度、温度、速度等)，对比卡式风盘送风角度分别为30°、45°、60°、90°时对室内热湿环境的影响，总结出室内热舒适度分布特征，为合理选择送风角度、调节室内气流组织，从而达到更高的热舒适性提供依据，也为空调专业的设计、研发、系统优化等提供了可靠的支撑。

1 数值模拟

1.1 物理模型

以某建筑内办公室为模型，利用Airpak 软件进行1∶1比例建模，房间几何尺寸为6 m×4 m×3 m(长×宽×高)；风盘采用某厂家生产的卡式四出风风盘，布置在房间中心位置，负责室内4人工作区热湿环境调节；每人配置一台电脑；室内布置4盏荧光灯。房间模型及卡式风盘示意图如图1、2所示。

图1 房间物理模型

图2 风盘示意

将整个办公区域作为计算域进行四面体网格划分，网格尺寸0.15 m，网格单元数173 832，详细外围护结构、室内器具尺寸参数与边界条件见表1。

表1 房间模型参数

1.2 房间实验参数

空调室内空气参数因室内气流流动和分布状况的影响而发生变化，这些都取决于空调系统形式，包含送回风口的形式、尺寸、位置，送风温度、送风速度、送风角度[5]等影响因素。故要达到良好的室内热舒适环境，就应结合建筑类型及空间构造，合理调整送风参数以达到良好的室内热舒适性。

夏季舒适性空调的室内设计温度建议值为24～28℃,设计相对湿度建议值为40%～60%，工作区温差满足ΔT≤3 ℃，风速v≤0.3 m/s[6-7]。按要求，此处取空调室内设计状态点参数为设计温度25℃、设计湿度RH 55%、含湿量10.89 g/kg、焓值52.88 kJ/kg、送风温差6℃。

经负荷计算，得房间余热2 250 W，余湿0.113 3 g/s，得送风状态点参数为送风温度19℃、送风含湿量10.56 g/kg、送风量0.33 kg/s、风口风速3.31 m/s。

风盘安装在房间中部，送风角度由速度偏移量确定。室内办公人员取坐姿打字状态：新陈代谢率[8]为63.965 W/m2；服装热阻采用夏季经典穿搭为0.61 Clo。考虑实际送风状态，送风角度选取与水平方向夹角分别为30°、45°、60°、90°的情况进行模拟分析。

2 数学模型

本文采用Airpak 软件内置标准κ-ε模型，为便于计算室内空气流动状态与换热情况、对室内状态做以下简化和假设：1)假设办公室为封闭空间；2)不考虑门窗缝隙漏风、空气渗透等影响；3)房间墙面、门窗设为定壁温、定热流密度，具体数值参考表1；4)室内空气拟处理为稳态湍流流动，不可压缩且符合Boussinesq 假设，其余物性取常数；5)忽略粘性耗散作用。

数值模拟过程所需要的流体流动与换热的基本控制方程选用的是采用Launder 及Spalding 等提出的平均湍流能量模型：κ-ε双方程湍流模型，控制方程[9-10]主要有以下4个：

1)连续性方程。对于不可压缩流体，其流体密度为常数，方程可简化为

3 结果分析

3.1 评价指标

文中热舒适性评价指标按照《热环境的人类工效学-通过计算PMV 和PPD指数与局部热舒适准则对热舒适进行分析测定与解释》(GB/T 18049-2017)进行评价[11]，即PMV-PPD评价方法，其数值分别用PPMV和PPPD表示，依据温度(T)、相对湿度( ΦRH)、风速(v)、空气龄(t)等[12-15]指标进行综合评价。舒适区间为-1≤PPMV≤+1，PPPD≤27%。PMV 用于评价室内环境冷热感，通过客观的数字反映人体所处环境的冷热感。一般遵守ASHRAE 7 分制[16]，如表2所示。PPD即预测不满意百分数，一般不超过10%。

表2 PMV 热感觉标尺

PMV-PPD热舒适性评价指标是综合考虑人体因素及所在环境因素后给出的[17]。人体因素包括人体活动程度、服装热阻等；环境因素包括室温、空气相对湿度和室内空气流速等。

Fanger 提出的通过两者的定量关系及关系曲线来反映人体对热环境的评价[18]，两者定量关系为

空气龄[19]是指空气自进入房间开始至到达室内某点所历经的时间。常用以评价室内空气品质，可用于综合评价房间的通风换气效果。

跟据ASHRAE Standard 55-2017[20]，PPMV=0时，人体热感觉处于最舒适状态，此时PPPD=5%，表明即使室内热环境处于最佳的舒适状态时，仍存在5%的人感到不满意。本文把PPPD≤10%，-0.5≤PPMV≤0.5的人体感觉定义为舒适状态，即表明在-0.5≤PPMV≤+0.5时，最多允许有10%的人感到不满意。

3.2 最优送风角度分析

模拟取人体坐姿状态，测点高度Y分别取h1=0.1 m(人体脚踝处位置)、h2=0.7 m(人体坐姿中心处位置)、h3=1.1 m(人体坐姿头部位置)、h4=1.7 m(人体站姿头部位置)、h5=2.4 m(人员活动最大高度)，考虑外窗得热影响及人体彼此间的热影响选取3个观测点，测点平面布置图如图3所示。在人体活动范围高度0.1～2.4 m 内，取近窗侧观测点1(1.2,Y,2)，主要考虑外窗得热对室内热湿环境的影响；观测点2(两人距离中心)(3,Y,2.8)，主要考虑人体间辐射换热与气流阻挡的影响；远窗侧观测点3(4.8,Y,2)，主要用于与近窗侧数据做对比。

图3 观测点平面示意

分别以送风角度30°、45°、60°、90°进行模拟分析。室内热湿环境优劣以室内温湿度、工作区风速为依据，以PMV-PPD作为最终评价标准，通过模拟得到不同送风角度下室内3个观测点在不同测点高度的PMV-PPD数据分布差异，如图4～6所示。

图4 观测点1 PMV-PPD垂直分布

图5 观测点2 PMV-PPD垂直分布

图6 观测点3 PMV-PPD垂直分布

观测点1在1～1.5 m 高度内。PPD-PMV 趋势分布一致，呈现先升高后下降的趋势。0.2≤PPMV≤0.8，5%≤PPPD≤20%，由于受电脑与人体散热及窗户得热影响，局部热量集中，相对于0.1～0.7 m、1.7～2.4 m 区间热舒适性较差。

观测点2在0.5～1.5 m 高度内。90°垂直送风时，受桌面挡板作用，起到导流效果，将未经充分热交换的新风沿桌子平面送达观测点2位置，造成局部热舒适性较好。

观测点3处于房间标准室内，受外窗得热及电脑散热直接影响较小，热舒适性较好，在45°送风时，基本保持PPMV=0，PPPD=5%。

从图4～6可以看出，在3个观测位置的不同测点高度，PMV-PPD分布具有协同一致性，对比观测点1、3可以明显得出，外窗得热对室内热湿环境有明显影响，远窗侧舒适度优于近窗侧，可以通过适当采取遮阳措施改善。根据人体最佳舒适度评价标准可以看出，送风角度优劣排序为45°＞30°＞60°＞90°。大角度送风 时，气流直接送入人体工作区，风速未经充分衰减，未与室内热空气进行充分热交换，空间冷热不均，体表吹风感强，热舒适性较差；小角度送风时，虽能有效降低人体吹风感，但制冷范围集中在房间中上部，射流不易到达底部空间，与底层空间热交换不足。整体来看，远窗侧热舒适性最优，最差的为近窗侧，这是由于外围护(主要是外窗得热)传热导致局部升温形成热压，阻碍送风气流的到达，导致近窗侧制冷效果降低。从近窗侧向远窗侧方向，整体热舒适性渐好。

3.3 制冷工况送风角度45°热舒适性分析

以送风角度45°为例，图7为房间中心(XOY平面，Z=2 m)截面处气流组织分布。受近窗侧热压影响，部分送风气流受阻，且受回风口影响，易发生射流短路，未能充分到达外围护处，造成制冷效果降低，空间热舒适性降低。房间内侧送风通顺，在送至房间内壁后下降，部分通过回风排出，一部分沿低层空间流动后通过回风口排出，气流组织与制冷效果较好，舒适性较好。

图7 Z=2 m 时气流组织分布

受气流组织分布影响，空间温度、速度分布会发生变化进而影响人体热舒适度与空气品质。45°角度送风时，房间进深方向(XOY截面，Z=2.8 m)人体截面处速度、温度、相对湿度、PMV-PPD、空气龄分布云图如图8、9所示。

图8 Z=2.8 m 人体截面处温度、速度、湿度分布云图

图9 Z=2.8 m 人体截面PMV-PPD、空气龄分布云图

在送风角度为45°时，由图8的速度、温度、湿度分布云图，我们可得到以下数据：风速0.07 m/s≤v≤0.1 m/s；工作区温度23.67℃≤T≤25.38℃；温差ΔT≤3℃；相对湿度54.6%≤ ΦRH≤57.1%；5.0≤PPPD≤9.08；-0.14≤PPMV≤0.44。在人体表面与电脑附近受散热、散湿与热辐射影响，局部不适，整体满足公共建筑节能设计标准GB 50189-2015对热舒适性的要求。图9中，空气龄分布与气流组织分布相同，受近窗侧热压影响，空气龄相较于室内远窗侧数值偏高，从近窗侧到室内远窗侧区域，空气龄数值逐渐降低，258.8 s≤t≤300.6 s。

送风以45°射流角送出后，风速较高，与壁面接触向下送风，并与回流作用形成空间涡旋，速度较低，在到达人体坐姿头部高度Y=1.1 m 的过程中，经过充分速度衰减与热交换，速度与温度等参数均达到人体适宜标准。受外围护传热影响，外墙、外窗处温度较室内高，形成局部热压，阻碍送风气流的到达，气流组织分布较差，热舒适性较差，沿近窗侧到远窗侧，房间进深方向，气流组织分布趋于合理，制冷效果变好，热舒适性渐好。

4 结论

本文选取某小型办公室为例，采用Airpak 软件进行模拟计算，针对房间内温度、风速、湿度分布，按照PPD-PMV 标准进行分析，在制冷工况下，得出以下结论：

1)在人员最大活动范围高度0.1～2.4 m 内，卡式风盘最优送风角度为45°，当采用45°送风角度时，射流经过充分速度衰减与热交换，室内热舒适性最好，其他依次为30°、60°、90°。

2)受近窗侧热压影响，水平方向沿X轴房间进深方向热舒适性渐好；可适当采取外窗遮阳措施降低对室内热湿环境影响。

3)送风角度为45°时，工作区温度23.67℃≤T≤25.38℃，ΔT≤3℃；相对湿度54.6%≤ ΦRH≤57.1%；风速0.07 m/s≤v≤0.1 m/s；-0.14≤PPMV≤0.44，满足公共建筑节能设计标准GB 50189-2015对热舒适性的要求；5.00%≤PPPD≤9.08%；258.8 s≤t≤300.6 s，人体舒适度好，空气品质较高。