办公建筑碰撞射流通风室内热环境特征研究

叶梅 陈童 钟珂

1 中国海诚工程科技股份有限公司

2 东华大学环境科学与工程学院

0 引言

碰撞射流通风系统（Impinging Jet Ventilation,IJV）作为一种新型通风方式在过去十年间受到广泛关注[1-2]。IJV 系统中，新鲜空气由房间下部喷口高动量送出，垂直撞击地板，在地板上形成薄空气层后逐渐扩散[1]，供暖时可以克服了混合通风（Mixing Ventilation,MV）温度分布下冷上热的缺点[2]，供冷时具有与置换通风（Displacement Ventilation,DV）相近的温度分层特征。Karimipanah 等[3]通过实验和 CFD 模拟比较了IJV 和DV 系统的通风性能，结果表明，IJV 和 DV 室内通风气流流态相似，但 IJV 系统具有更高的通风效率和更均匀的速度分布。Chen 等[4]主要运用CFD 数值模拟并加以实验验证，研究了 IJV 等温和供冷时的气流流动特性，并通过改变多项送风参数，评估了主要送风参数对室内热舒适性的影响。

办公建筑是人员长时间工作和活动的重点区域，目前我国办公建筑空调通风方式通常采用 MV 来满足区域内人员的舒适性需求，在供冷、供暖两用模式下，MV 难以有效平衡办公建筑中人员舒适性和空调系统节能降耗的目标[5]。因此，办公建筑可作为 IJV 系统用于实际建筑的典型研究案例。值得注意的是，现今办公建筑IJV 系统热环境特征尚无人涉及，为此本文将针对于办公建筑IJV 系统的室内温度分布，热舒适性和能耗等热环境特征展开研究，为 IJV 系统推广与应用进一步提供研究基础和科学依据。

1 计算模型和研究方法

1.1 计算模型及边界条件

办公建筑空间布局如图 1 所示，相邻柱网空间内的空调送，回风口分布方式和位置相同。考虑到建筑的对称性，选取一半柱距单位作为研究空间。

图1 物理模型平面图

物理模型几何尺寸为长（x）× 宽（y）× 高（z）=4.5 m× 9 m× 3.9 m，碰撞射流送风管紧贴建筑结构柱布置。送风口尺寸为0.3 m× 0.3 m，距离地面高度0.3 m。回风口尺寸为0.3 m× 0.3 m，位于室内顶棚后方正中央。外窗尺寸为宽× 高=3 m× 2.1 m，位于南外墙，外窗的上下沿各设立了宽为0.06 m 的窗缝。模型房间内设有8 个坐姿状态的人（0.4 m× 0.4 m× 1.1 m）、8 台电脑（0.4 m× 0.5 m× 0.5 m）和 4 张办公桌（1.6 m× 1.2 m）用于模拟办公室内人员、设备等热源的散热过程，房间内热源具体布置如图2 所示。人体和电脑散热量分别为60 W/人、100 W/台，均采用热流密度作为边界条件。研究空间除南墙外其余3 面设为对称面，所有壁面均设置为无滑移。

图2 办公建筑IJV 风口及热源布置

本文假设供冷房间内空气为三维连续不可压缩流体，计算过程中认为流体属性不变。湍流模型选用RNGk-ε模型，采用二阶迎风格式对离散方程进行离散化，SIMPLE 算法用于求解离散方程。考虑到室内空气受到由温差引起的浮力影响，空气密度采用Boussinesq 近似。送、回风口分别定义为 velocity-inlet和outflow，以保证进、出口质量流量相等。

本文选取上海作为计算模型的位置地点，查阅文献计算得，南 外墙壁面热流密度为 7.81 W/m2，室 内设计温度Tr=26 ℃。空气通过窗户缝隙进入或流出房间渗透热量，受到风速和温度引起的压力影响，上下窗缝入口设置为 velocity-inlet，渗透速度为 0.036 m/s，温度为室外温度34.6 ℃。

1.2 研究方法

通风系统中送风参数变化会对室内热环境和人员舒适性产生重要影响，送风参数主要包含送风速度和送风温度两部分，送风速度控制了送风气流所受惯性力的大小，而送风温差决定了送风气流所受浮力的大小。惯性力和热浮力对送风气流的综合作用效果可以通过浮力射流长度尺度l m 直接表现[6]，l m 定义式如下：

式中：M和B分别为送风动量通量和浮力通量；Q为送风口单位长度的体积流量，m3/ s；S为送风口面积，m2；g为重力加速度，m/s2。

本文根据通风房间层高H，引入无量纲化热长度尺度Lm，其定义式为：

本文取6 种不同Lm工况进行模拟，分别为 1.73、1.56、1.22、1.07、0.9、0.76，6 种工况下均保证了 2.0 m高度工作区达到相同的舒适温度（26.0± 0.5 ℃），模拟时各送风参数组合详细见表1。

表1 不同送风参数组合汇总表

本文选取人员附近典型位置用于分析室内热舒适性特征。图3 所示为结果与分析中所取的典型位置示意，其中有靠近风口位置点，远离风口位置点和房间中心位置点。三条取样线均以送风口为起点，处于0.1 m 高度平面，分别为：沿 x 方向的取样线 1，沿 45°方向的取样线2 和沿y 方向的取样线3。

图3 典型位置选取示意

2 研究结果与分析

2.1 送风参数变化对室内温度和流线分布的影响

图4 所示为不同Lm工况下穿过人体模型中心的室内温度和流线分布。从图4 可以看出，Lm=1.56 时，送风惯性力占据主导作用，送风气流保留了足够的动量达到房间顶部，室内温度分布均匀。当Lm=1.22 时，南墙加热附近空气形成的热气流上浮至房间上半区，室内开始形成一定程度的温度分层。当Lm下降到 0.9时，室内已形成稳定的温度分层，南墙得热对室内温度分布影响较小，热量在房间上部排风区聚集，上下部空间形成了独立的涡流区，且存在明显垂直温差。当Lm继续减小至0.76，室内温度分层现象更加明显，工作区温度降低，排风区温度继续升高，上下部空间的垂直温差逐渐增大。总体上看，送风参数变化（即Lm下降），室内温度分布存在从均匀分布到温度分层的变化过程，且Lm越小，室内通风效果越接近 DV。

图5 给出了不同Lm工况室内沿无量纲高度方向的垂直温差和速度分布。从图5 可以看出，室内垂直温差整体上随着的Lm降低而增大，当Lm为 1.73 和1.56 时，因送风速度较大，全室涡流存在，室内垂直温差较小，伴随Lm的逐渐降低，室内温度分层效果深入，垂直温差显著增加。速度分布中各Lm工况表现出高度的一致性，在近地面处速度分布相对较高，并随着高度上升迅速衰减，而近地面高速度分布易造成人员脚踝和小腿处的吹风感。因此，近地面处人员吹风感是本文室内人员热舒适讨论的重点。

图5 不同Lm 工况下室内的垂直温差和速度分布

2.2 送风参数变化对近地面处人员吹风感的影响

本文选取室内典型位置和0.1 m 高度平面分析送风参数变化对人员吹风感的影响。引入 Fanger 等[7]提出的 PD 模型，预测因吹风感而引起人员不舒适度，PD 计算式如下：

式中：PD 表示由于吹风引起房间人员的不满意率，%；T为室内温度，℃；Tcl为服装表面温度，取 34 ℃；V为室内空气气流速度，m/s；Tu为紊流强度，%，ASHRAE55-2017标准规定：室内人员无明显吹风感时PD 值不应超过20%。

图7 所示为室内人员附近典型位置的PD 垂直分布。从图6 可以发现，室内远离风口位置和中心位置在近地面处PD 值相对较高，并随着高度上升逐渐减小，高Lm工况下 PD 表现较高，但各工况的室内整体吹风感均满足要求。对于靠近风口位置，室内整体空间 PD 较小，和远离风口位置、中心位置表现一致；而在近地面处，各工况 PD 均小幅度超过 20%，超出ASHRAE55-2017 标准规定范围，可能对送风口附近人员脚踝造成一定程度的吹风感影响。

图6 人员附近典型位置的PD 垂直分布

图7 给出了0.1 m 高度平面（即脚踝高度）三种取样方向PD 值与送风口距离的变化情况。从图 7 中可以看出，沿x方向上，与送风口距离相同位置处，PD 随着Lm的减小而降低。所有工况在靠近风口附近PD 值均较高，人员脚踝处吹风感强烈，而 PD 值随着与送风口距离的增大而快速减小，约在 0.8 m（Lm=0.76）～1.8 m（Lm=1.73）处满足标准要求。在人员办公的45°方向上，不同Lm工况的 PD 变化趋势相同，约在距离送风口1.2 m 处开始显著降低，所有工况下办公人员活动区附近的PD 值均小于 20%，满足标准要求。此外，对于沿y方向，因IJV 两侧风口对称布置，在距离风口方向上PD 值呈对称性分布。Lm从1.73 减小至0.76 时，PD分布小于20%的送风口距离从3.5 m 下降到 1.8 m，明显高于PD 值沿x方向上的分布。因此，为满足办公建筑室内人员舒适性需求，人员工位应避免正对 IJV 送风口布置，且尽量保证1.2 m 以上的送风口距离。

图7 三种取样方向PD 值与送风口距离的变化情况

2.3 送风参数变化对通风能量利用率的影响

图8 所示为6 种Lm工况下室内整体空间、排风和1.8 m 以下工作空间的平均温度。可以看出，室内冷负荷相同时，不同Lm工况的全室整体空间平均温度基本一致；随着Lm的不断减小，室内垂直温度从均匀分布到逐渐形成温度分层，且Lm越小分层效果更加明显，导致了室内余热在排风区聚集，表现为排风温度逐渐升高，而 1.8 m 工作区以下空间的平均温度不断降低。

图8 不同空间位置的平均温度比较

本文利用能量利用系数η分析 IJV 系统能量利用的有效性，计算式如下：

式中：te为排风温度；ts为送风温度；toz则为工作区平均温度。

图9 所示为 IJV 能量利用系数η随着Lm的变化趋势。可以看出，η随着的Lm增大而减小，当Lm=0.76时，室内因温度分层存在，通风能量利用率较高，达1.76。而Lm增大至1.73 时，因室内垂直温度分布均匀，η显著降低，仅为1.1。此外，η的拟合公式R2达0.979，拟合精度高，可用于预测不同送风参数工况下办公建筑IJV 系统的能量利用效率。

图9 能量利用率η 随Lm 的变化趋势

3 结论

办公建筑可作为 IJV 系统用于实际建筑的典型研究案例。本文利用数值模拟的方法研究了办公建筑IJV 系统的室内温度分布，热舒适性和能耗等热环境特征。主要结论如下：

1）送风参数Lm从1.73 减小至0.76，I JV 室内温度分布存在从均匀分布到温度分层的变化过程，且Lm越小，温度分层现象更加明显，工作区温度降低，排风区温度升高，上下层的垂直温差逐渐增大，室内通风效果越接近DV。

2）不同Lm工况下室内人员活动区 0.1 m 脚踝高度处的PD 值均小于20%，满足舒适性要求。IJV 送风口附近人员具有较强吹风感，人员工位布置应避免正对IJV 送风口，且尽量保证1.2 m 以上的送风口距离。

3）I JV 室内形成温度分层可显著提高系统能量利用率，能量利用系数η随着的Lm增大而减小，当Lm=0.76 时，通风能量利用率较高，达 1.76；Lm增大至 1.73时，η仅为1.1。建立了η的拟合公式，可用于评估不同送风参数下办公建筑IJV 系统的节能潜力。