层式通风在办公建筑应用的对比分析★
时间：2023-03-02 14:05:07 来源：千叶帆 本文已影响人
刘镇铭，王汉青，王忠琨，何俊怡，朱东南
（1.南华大学土木工程学院，湖南 衡阳 421000；
2.中南林业科技大学土木工程学院，湖南 长沙 410000；
3.建筑环境气载污染物治理与放射性防护国家地方联合工程研究中心，湖南 衡阳 421000）
现今，能源消耗量大和能源短缺局面是全球性问题，而建筑能耗占全社会总能耗的比重达到28%。在建筑物的日常使用中所造成的能源消耗主要来自建筑的照明系统、采暖和空调系统以及热水和电气等方面，建筑物的采暖和空调的使用所造成的能源消耗可以达到建筑物总能源消耗的一半以上［1］。湖南地区属于夏热冬冷地区，夏热冬冷地区夏季最热月平均温度在25℃～30℃之间，平均相对湿度80%左右，热湿是夏季的基本气候特点；
冬季最冷月均温在0℃～10℃之间，平均相对湿度约为80%，虽然南方冬季的气温高于北方，但日照率却比北方低，并且其冬季日照率从东到西呈现出逐渐减少的特点。因此湖南地区夏季天气比较炎热，气候条件比较差，大量工作人员聚集于室内且一天中大部分的时间都在办公室中度过，加之太阳辐射热量通过外窗进入室内，为了维持室内始终处于一个舒适的环境当中，常常会消耗大量的空调能源［2-3］。故在夏热冬冷区域选择一种既能满足室内人体热舒适又能满足低能耗的通风方式尤为重要。
混合通风是办公建筑最传统、最常规的通风方式，为满足工作人员的需要，低温空气从房间的顶部以较大的动量进入室内，与室内空气混合，从而获得均匀的室内温度［4］。但由于混合通风是对房间整体进行控制，所以能耗较高、使用上也受到限制［5］。随着对通风方式的深入研究，香港城市大学的林章等提出了层式通风［6］。层式通风是通过在侧墙上略高于工作区高度安装空气进口，将新鲜空气直接送到工作区，以此缩短空气供应路径［7］。许健［8］研究了办公室采用层式通风时不同的送风口设计高度与回风方式下室内空气质量的影响规律，指出送风口高度高于人员20 cm，并采取顶回风方式时，工作区能够获得最佳空气品质。王沣浩等针对一典型办公建筑在采用6次换气次数和19℃送风温度条件下对比研究了层式通风、置换通风的气流组织特性，发现层式通风不仅能有效消除室内热负荷和污染物，而且呼吸区空气品质和热舒适性良好。ElHaroun等［9］针对小型办公室对比研究了层式通风、混合通风、置换通风的通风效果，发现层式通风方式仅需要较低的通风率就能达到热舒适和室内空气品质。
本文以夏季某大型办公室为例，采用计算流体力学（CFD）的方法，模拟分析混合通风和层式通风下该办公室的温度分布、速度分布、PMV指标和空气龄值等，以期对层式通风在办公室的气流组织特性有更深的认识。
1.1 几何模型
本文以某大型空调办公室为研究对象，其尺寸为5.5 m×6.3 m×3.3 m，空调房间内热源有6盏荧光灯、12名工作人员、12台计算机，在混合通风方式下，空调房间内设置5个送风口，其中0.2 m×0.2 m的送风口为新风口；
参考文献［8］，在层式通风方式下，送风口设置在高于人员头部20 cm处，且在保证空调房间总送风量不变的情况下，将4个送风口增加至8个送风口，如表1所示为几何模型的尺寸。为了更加真实地体现实际办公室的布置情况，将办公室的工作人员、办公桌、计算机等按照其实际尺寸简化为长方体代替，其中工作人员为坐姿。混合通风下和层式通风下的办公室几何模型分别如图1，图2所示。
表1 几何模型尺寸
图1 混合通风下办公室几何模型
图2 层式通风下办公室几何模型
1.2 数学模型
为了简化问题，对模拟房间作如下的假设：
1）房间内流体流动为稳态流动。
2）房间内流体为低速流体且符合Boussinesq假设［10-11］。
3）门、窗密闭，室内空间密闭性良好且忽略空气渗漏的影响。
4）西墙和东墙为内墙，北墙和南墙为外墙，相邻房间为空调房。
模拟根据实际情况采用Realizable k-ε模型，模型的控制方程为：
1）连续性方程：
其中，ui为xi方向上的时均速度，m/s。
2）动量方程：
式（1），式（2）中，C1ε=1.44，C2ε=1.92，σk=1.0，σε=1.3［12-14］。
1.3 边界条件
外墙的边界条件设置定温壁面，壁面温度取实测温度的平均值。邻室房间为空调房，故将内墙的边界条件设置为绝热壁面。送风口的边界条件参数设置根据实验数据确定。混合通风下和层式通风下具体的边界条件设置分别如表2，表3所示。
表2 混合通风边界条件设定表
表3 层式通风边界条件设定表
在几何模型中荧光灯、工作人员和计算机的换热面积远大于实际换热面积，因此将荧光灯、工作人员和计算机的设定温度适当降低。
1.4 实验安排
如图3所示，取人体头部区域（Z=1.4 m截面）为测试断面，为了能较全面地反映办公室内人体周围热环境分布情况，将办公室中每个工位都作为一个测试点并编号。实验时，室内人员坐在椅子上，室内无人员走动，实验仪器采用德国Testo公司的SE&Co.KGaA精密型热敏风速仪来测量温度和风速，测量的误差在±3%内，每个测试点的数据测量5次，每次测量该点30 s内温度和气流速度的平均值，取每个测试点5次测量数据的平均值作为该点的实测值。
图3 室内测试点分布图
2.1 温度分布
如图4所示，混合通风方式下各测点处温度范围在24.0℃～26.0℃，实测值与模拟值相差不超过1.5℃，靠近房间外墙的测点处温度比靠近房间内墙的测点处温度高；
层式通风方式下各测点处温度范围在23.0℃～26.0℃。
图4 Z=1.4 m处截面温度模拟值和实测值对比
两种通风方式下Z=0.15 m截面和Z=1.4 m截面温度分布云图分别如图5，图6所示。如图5（a），图6（a）所示，混合通风方式下，Z=0.15 m截面的平均温度为23.7℃，Z=1.4 m截面的平均温度为24.2℃。如图5（b），图6（b）所示，层式通风方式下，Z=0.15 m截面的平均温度为23.5℃，Z=1.4 m截面的平均温度23.9℃。在Z=1.4 m截面，混合通风方式下人体头部周围温度值在24.0℃～26.0℃之内，层式通风方式下人体头部周围温度值在23.5℃～26.5℃之内，这是由于层式通风是将新鲜空气水平直接送入办公室中心办公区，导致办公室中心区域工作人员头部温度较低，靠内墙的工作人员头部温度较高，使得该高度截面上温度分布不均匀，可以通过设计合理的送风温度、送风气流速度和人体到送风口的水平距离等方法来改善。在两种通风方式下，人体头部与脚踝温度差最大值都低于3℃，符合规定要求，不会产生 “头暖脚寒” 热不舒适感。
图5 Z=0.15 m截面处温度分布
图6 Z=1.4 m截面处温度分布
2.2 速度分布
如图7所示，混合通风方式下，各测点处气流速度实测值与模拟值相差不超过0.04 m/s，且两种通风方式下各测点处气流速度都小于0.3 m/s。
图7 Z=1.4 m截面处速度值模拟值和实测值对比
如图8所示为两种通风方式下Z=1.4 m截面气流速度分布云图。如图8（a）所示，在混合通风方式下，冷空气自进风口垂直进入房间后，受重力作用向下运动，并在运动过程中与室内空气发生热量交换过程，使得动量逐渐减少，在达到该截面时的平均气流速度为0.07 m/s，人体头部周围气流速度小于0.3 m/s。如图8（b）所示，在层式通风方式下，冷空气自进风口水平进入房间后，气流速度逐渐减小并向下运动，这是由于受到空气阻力和重力影响，在到达该截面时的平均气流速度为0.09 m/s，1号、2号和5号测点处工作人员头部周围区域气流速度波动范围在0.1 m/s～0.4 m/s，工作人员会有轻微吹风感［15］。
图8 Z=1.4 m截面处速度分布图
2.3 PMV
PMV即平均热感觉指数，由丹麦学者Fanger教授提出，是目前国际上最常用和最权威的建筑室内热舒适性评价指标，且与环境的水蒸气分压力、环境温度、气流速度、服装热阻和人体所做机械功等因素有关。如表4所示为PMV热感觉标尺［15］。
表4 PMV热感觉标尺
如图9，表4所示，在混合通风方式下，由于送风射流与室内空气掺混较为均匀，室内温度分布也相对均匀，PMV值基本维持在0.4～1.0之间，人体热感觉接近于有点热，这与实际感受一致；
在层式通风方式下，位于办公室中心直接受到水平射流影响的工作人员PMV值在0.0～0.5之间，人体热感觉偏中性，舒适度较好，其余测点的PMV值在0.5～1.0之间，人体热感觉接近于有点热。
图9 Z=1.4 m截面PMV值
2.4 空气龄
如图10（a）所示，在混合通风方式下，呼吸区高度上的平均空气龄值为317 s，最小空气龄值低于40 s，人体呼吸区周围处空气龄值在160 s～400 s范围内。由图10（b）可见，在层式通风方式下，呼吸区高度上的平均空气龄值为283 s，最小空气龄值低于40 s，位于办公室中心直接受到水平射流影响的工作人员呼吸区周围处空气龄值波动范围为40 s～280 s，靠近内墙的工作人员呼吸区周围处空气龄值波动范围为280 s～320 s。经过对比两种通风方式发现，在呼吸区高度截面，层式通风所营造的空气环境最佳。
图10 Z=1.2 m截面空气龄
本文基于CFD方法，利用Fluent软件对某办公室进行混合通风和层式通风两种通风方式下的模拟研究，其中混合通风方式下的模拟结果与实验结果基本一致，符合实际情况，对比两种通风方式模拟结果，分析得到以下结论：
1）在层式通风方式下的人体头部区域和脚部区域温度场和速度场分布和混合通风方式相当，两种通风方式下人体都不会产生不舒适感，但层式通风方式下两高度截面处平均温度较低，且层式通风送风风口设置在高于人体头部20 cm处，因此人体头部高度截面处平均气流速度较高，1号、2号、5号测点处工作人员会产生轻微的吹风感，而混合通风方式下所有测点都不会产生吹风感。
2）在层式通风方式下，位于办公室中心直接受到水平射流影响的工作人员处PMV值较低，热感觉偏中性，靠墙较近的工作人员处PMV和混合通风相当，热感觉偏有点热，热舒适度总体上比混合通风较好。
3）在层式通风方式下，室内呼吸区高度上平均空气龄值较低，说明层式通风方式下人体呼吸区的空气较新鲜，通风效率较好。
4）在夏热冬冷区域，办公室使用层式通风更节能、人体舒适度更好，但靠墙的工作人员处温度值、气流速度值、空气龄值较高，这可以通过设计合理的送风温度、送风气流速度和人体到送风口的水平距离来改善。
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