方形散流器送风角度对室内热舒适度的影响

1、作者简介：刘泽勤，（1961）。汉族，男，博士，教授；天津市北辰区天津商业大学（300134）； E-mail： HYPERLINK mailto: 天津市自然科学基金重点项目，合同编号：13JCZDJC27400天津市高等学校科技发展基金计划项目，项目编号：20120910方形散流器送风角度对室内热舒适度的影响刘泽勤 李思泽 左珍君（天津商业大学，天津市制冷技术重点实验室，天津 300134）摘要：本文通过使用CFD数值模拟软件，通过数值模拟和分析，探索办公室建筑房间内方形散流器的出风角度对室内热舒适度的影响，采用温度不均匀系数、速度不均匀系数、空气分布特性指标ADPI和能量利用系数等作为人

2、体热舒适度的综合评价指标，根据用户对工作区域的热环境要求，合理选择不同角度的方形散流器：如对温度均匀性要求较高，应选择出风角度为50度；如对速度均匀性要求较高，应选择出风角度40度；如对热舒适性要求较高，应选择出风角度为3040度；如果对建筑节能效果要求较高，应选择出风角度为6070度。关键词：散流器出风角度 温度不均匀系数 速度不均匀系数 ADPI 能量利用系数The effect of square diffuser angle on indoor thermal comfortZeqin Liu1,2, ,Size Li1, Zhenjun Zuo11Tianjin University

3、 of Commerce, Tianjin, China2Key Laboratory of Tianjin Refrigeration TechnologyAbstract: To evaluate the human thermal comfort of different working area under the condition of different wind angle square, the simulation of office building room using different wind angle square diffuser was proposed

4、based on the CFD numerical simulation software. The evaluation of human thermal comfort index focused on the indoor thermal comfort, uneven temperature coefficient, velocity asymmetry coefficient, air distribution performance index ADPI and energy using coefficient. As the temperature uniformity req

5、uirements are higher, the air supply angle of 50 degrees should be choose; As the velocity uniformity requirements are higher, the air supply angle of 40 degrees should be choose; As the higher requirements on thermal comfort, the air supply angle of 30 to 40 degrees should be choose; As the higher

6、requirement on the construction of energy-saving effect, the air supply angle of 60 to 70 degrees should be choose.Keywords: wind angle uneven temperature coefficient velocity asymmetry coefficient ADPI energy utilization coefficient 引言随着社会经济的发展，人们对室内舒适度的控制要求越来越高，作为影响人体舒适度的主要因素，室内温度场和速度场已成为暖通空调专业学者们

7、的研究内容之一，良好的室内气流组织是改善室内热环境的重要影响因素1。空调系统末端装置的方形散流器，以控制送风气流方向并均匀散流特性为主要特征，被广泛应用与室内空调系统2。散流器出风角度的不同会引起室内速度场的变化，进而对人体的热舒适性产生影响。1974年，丹麦的P. V. Nielsen 3 首次将CFD应用于空调工程，模拟室内空气流动情况，此后，国内外许多学者应用CFD模拟技术，模拟不同条件下室内环境的热舒适型，为CFD技术在暖通空调领域的应用提供了借鉴。应用CFD模拟技术，探索合理的气流分布，是确保室内达到最佳空气品质的前提与必要条件，对于建筑物而言，影响室内气流分布的主要因素是送风参数，

8、而在实际空调工程中，送风口多采用方形散流器。目前对于方形散流器送风参数的研究，主要集中于送风温度与速度，对于送风角度的对室内热舒适度的研究还不是很广泛。本文通过使用CFD模拟软件，模拟分析办公建筑方形散流器风角度对变化，对室内热舒适度和气流组织分布的影响，通过探索温度不均匀系数、速度不均匀系数、空气分布特性指标ADPI和能量利用系数等，对室内热环境进行综合评价。温度不均匀系数和速度不均匀系数分别反映了空调房间工作区的温度和速度分布的均匀程度。空气分布特性指标（ADPI）将空气温度、气流速度以及人的舒适感三者结合起来，充分反映了整个工作区的气流分布的优劣，是空调气流分布评估的唯一单个数据指标，由

9、于大多数室内的舒适性空调辐射影响有限，且相对湿度在30%-70%范围内对人体影响不明显4，所以ADPI未考虑辐射以及相对湿度对人体舒适度的影响。因此，空气温度与风速对人体的综合作用，成为本课题研究的主要考虑因素，同时也用作供冷工况下，舒适性空调的评价指标5。模型介绍图1为一间典型办公室模型示意图，数值模拟边界条件将办公室几何尺寸设置为5m（长）X4m（宽）X3m（高）；房间内所布置的热源为模拟人、模拟电脑、灯、桌子；办公室内设置四人，考虑到人在办公室内一般为坐姿，将人体简化为1.1m高的圆柱体，单个人体发热量为130w；室内有四组日光灯用于照明，每组两个日光灯，单个灯管发热量为36w；办公室内

10、配备四个电脑用于办公，单个电脑的发热量为108w；室内所有的热源均设为面热源；送排风口位于天花板上，风口位置如下图所示，送风口尺寸为300 x300mm,送风速度2m/s，回风口尺寸为800 X 400mm；室内设计温度25，送风口送风温度20；建筑维护结构假设为绝热壁面。图1数值模拟办公室布置图Fig 1. Numerical simulation of office layout（1 回风口， 2 灯， 3 方形散流器， 4 电脑， 5 办公桌， 6 模拟人）数值模拟结果分析通过使用CFX软件进行数值模拟计算，对使用不同角度的方形散流器的办公室空调进行数值模拟，模拟选取的送风角度如表1所示

11、，文中选取距地面0.1 m 、0.3m、0.5m、0.7m、0.9m、1.1m、1.3m、1.5m水平平面进行分析，分析平面内的温度速度分布。表1 送风角度表Table 1. Air supply angle工况123456789送风角度()102030405060708090图2为送风角度30度时距地面1.1m处的温度速度分布图，其中图a为温度分布图，图b为速度分布图。从图a可以看出，在该平面内，温度分布均匀，横向温差小。模拟计算得出，平面计算平均温度为25.296，设计温度为25，模拟计算结果与设计差距不大，图中人体与电脑周围温度较高，是由于人体和电脑被设为面热源，从而造成小部分区域出现温

12、度偏高现象。由图b可以看出，在1.1m平面内，风速分布较为均匀，人体周围风速不超过0.3m/s，不会产生吹风感，模拟计算得出，平面内平均风速为0.076m/s，符合人体热舒适度要求。 a). 距地面1.1m处的温度分布图 b). 距地面1.1m处的速度分布图图2. 距地面1.1m处的温度、速度分布图Fig.2 Temperature and velocity distribution from the ground 1.1m图3为在不同送风角度下，距地面不同高度的平面平均温度与速度分布图。从图a中可以看出，送风角度在1050度范围内，垂直方向温度梯度不断减小，在5090度范围内，温度梯度不断增

13、大，送风角度为50度时，1.5米以下区域的温度梯度最小，垂直温差在1度以内。同一送风角度下，随着高度的增加，面平均温度增大。送风角度为70度时，同一高度平面的平均温度最低。图b为在不同送风角度下，距地面不同高度的平面平均速度分布图。从图中可以看出，随着距地面高度的增加，平面平均速度增加，在垂直方向的速度差较小。随着送风角度的增大，同一高度平面内的平均速度增加。送风角度在1030度的范围内，垂直方向的速度差增大，送风角度在3050度范围内，垂直方面的速度差减小，在50度时达到最小，6090度的范围内，垂直方向的速度差基本保持不变。距地面高为0.1m的平面的平均速度随送风角度的变化比较明显。但总体

14、风速都不高于0.35 m/s，符合人体热舒适度的要求。a）不同出风角度下的温度分布b）不同出风角度下的速度分布图3. 不同出风角度下的温度、速度分布图Fig.3 Temperature and velocity distribution under different wind angles室内热舒适度评价为了对使用方形散流器的房间进行总体的室内热舒适度评价，寻找出最适合的方形散流器送风角度。在房间1.1m以下的区域选取数据采集点，房间内数据采集点的选取如图4所示。测点距两边墙体的距离为500mm,每隔500mm选取一排测点，每排测点最低点距地100mm，然后每隔100mm向上取点，依次取10

15、个测点。采用温度不均匀系数、速度不均匀系数、ADPI指标和能量利用系数对1.1m以下区域内的热舒适度进行总体评价。图4办公室内测点的布置图Fig 4. Layout of measuring points in the Office不均匀系数在室内各点，气流组织的表现形式为温度、风速均有不同程度的差异,这种差异用“不均匀系数”指标来评价。在工作区内选择n个测点，分别测得各点的温度和风速，求其算术平均值为【6】： （1） （2）均方根偏差为： （3） （4）则不均匀系数的定义为： （5） （6） 速度不均匀系数、温度不均匀系数都是无量纲数。、的值越小，表示气流分布的均匀性越好。图5为不同送风角度

16、下1.1m以下工作区域的温度不均匀系数和速度不均匀系数变化情况。从图a中可以看出送风角度在1050度的范围内，温度不均匀系数呈下降趋势，在5070度的送风角度范围内又呈上升趋势，7090度的送风角度范围内，温度不均匀系数又开始降低，送风角度为50度时，温度不均匀系数最小。单从温度不均匀系数方面来考虑，送风角度为50度时效果最好。从图b中可以看出，速度不均匀系数随送风角度的增加，总体呈增大趋势，只有在送风角度为40度时，出现一个突降。单从速度不均匀系数方面考虑，送分角度为10度时效果最好，送风角度为20和40度时，效果也很不错。a)温度不均匀系数随送风角度的变化b) 速度不均匀系数随送风角度的变

17、化图5. 温度、速度不均匀系数随送风角度的变化Fig.5 the variation of uneven temperature and velocity coefficient with wind angles空气分布特性指标ADPI在舒适性空气调节中，可以用测点温度、风速作用的有效温度差值来评价人的舒适性7: QUOTE （7）其中，胃为综合温度; QUOTE t1 t1为测点温度; QUOTE tn tn为室内设计温度，参照天津市2010年节能减排工作实施方案，取室内温度为25，温度单位均为; QUOTE vi vi为测点风速，速度单位为m /s。根据相关资料显示，在胃=-1.71.1的

18、范围内，多数人体感觉较为舒适8。ADPI值可通过下式确定2;ADP I= QUOTE （8） 根据相关资料显示，当APDI80%时，可视为空调区处于热舒适状态9，即办公室工作区处于热舒适状态。能量利用系数能量利用系数又称温度效率(Temperature Efficiency，反映的是室内的温度梯度，表示了室内热力分层的特性。工作区的平均能量利用系数定义如下10： QUOTE （9）式中， QUOTE te te-排风温度； QUOTE tm tm-工作区空气平均温度； QUOTE ts ts-送风温度。对通风系统而言，能量利用系数越高，节能潜力也越大,但同时也会导致室内较大的温度梯度，从而影响

19、热舒适，进而影响室内空气品质11。本次模拟实验，通过选取的工作区测点和排风测点，计算出该办公室能量利用系数，以此判断系统所具有的节能效果12。图6为ADPI值和能量利用系数随送风角度的变化情况图。其中，a图表示ADPI值随送风角度的变化情况。从图中可以看出，送风角度在2050度的范围内时，方形散流器送风基本能够保证工作区域内人体热舒适性的要求。送风角度为30和40度时，工作区域内的人体热舒适性效果最好，送风角度为80度时，工作区域内的人体热舒适性效果最差。从人体热舒适性方面考虑，送风角度选择30 40度范围内时效果最好。b图表示能量利用系数随送风角度的变化情况。从图中可以看出，送风角度在107

20、0度的范围内，能量利用系数都比较高，且都大于1，都具有很好的节能效果，送风角度为60度时的能量利用系数最高，节能效果最好。送风角度为80和90时的能量利用系数很低，且都低于0.5，不节能。从节能方面考虑，送风角度选择60度时，节能效果最为明显。a). ADPI值随送风角度的变化 b). 能量利用系数随送风角度的变化 图6. ADPI值、能量利用系数随送风角度的变化Fig.6 the variation of ADPI and energy utilization coefficient with wind angle结论通过上述的模拟研究发现，使用方形散流器对办公室进行空调制冷时，从不同的方面

21、考虑，其最佳送风角度都有所不同。因此，在一般办公建筑内使用方形散流器作为空调的送风口时，应根据不同的使用要求，合理选择不同角度的方形散流器。如果对室内工作区内的温度均匀性要求较高，应选择出风角度为50度方形散流器；如果对室内工作区内的速度均匀性要求较高，应选择出风角度为40度方形散流器；如果对室内工作区内的热舒适性要求较高，应选择出风角度为3040度的方形散流器；如果对建筑节能效果要求较高，应选择出风角度为6070度的方形散流器。本课题的模拟实验研究，为方形散流器的工程设计选择提供了技术支持。参考文献1Liu Z.Q.，Li G. and Zheng C.X.The simulation and calculation of indoor thermal environment and the PPD evaluation index affected by three typical air-conditioning supply modesJHVAC&R Research，2014，20(3)：344-3502 杨国荣; 叶大法，采用ADPI方法选择变风量系统送风散流器J. 制冷空调与电力机械，2009,（2）：1-7.3 Nielsen PV. Flow in air conditioned rooms (English Translation)ph.D.Thesis.Co