张亚南

（珠海格力电器股份有限公司，广东省珠海519070）

0 引言

办公室是办公人员主要的工作场所，办公室的热舒适性对办公人员至关重要［1］。合理的送、回风口布置不仅可以创造良好的室内办公环境，还能在一定程度上减少能耗。目前空调设计为了美观，送、回风口的布置一般为均匀分布，未考虑室内人员分布、负荷分布、太阳辐射等因素，导致室内温度分布不均 （外墙侧热，内墙侧冷）、人员舒适感差异较大。如今，CFD被广泛应用于室内气流组织研究，能够准确的反映室内温度的分布，本文利用Airpark软件对珠海某办公室进行气流组织仿真模拟，探讨不同送、回风口位置对办公室温度场分布的影响。由于标准 κ－ε方程简单方便［2］，且Discrete Ordinates（DO）辐射模型常用于辐射的研究［3］，因此选取标准 κ－ε方程及 Discrete Ordinates（DO）辐射模型作为软件的基础设定。

1 数据采集

本文以珠海某办公室为研究对象，该办公室坐西朝东，共安装4台格力ZF系列风机盘管FP－68WA／G。为保证模拟数据的真实性，对送风口实际风速及送风温度进行测试，使用仪器包括温度自记仪及热线风速仪，其参数范围见表1，测试结果见表2。

表1 仪器参数

表2 送风口参数

2 风口简化

对于CFD仿真模拟，风口的定义十分重要，送风口处的气流分布对室内气流分布有着决定性作用，不同的送风口类型由于其自身特点，定义方式也不同。为了仿真计算的方便，对风口进行简化。该办公室送风口为方形散流器，对于方形散流器简化常处理为等面积的矩形风口，虽然能够保证流量一致，但流出方向差异较大，刘刚等人提出速度矢量法简化方形散流器，其基本思想以送风口喉部尺寸为送风口尺寸，并将其划分为4个小的送风口，每个送风口的流出方向与实际出流方向一致［4］，如图1。

3 物理数学模型

3.1 物理模型

本文选取的研究对象为夏季工况下珠海某办公室，该办公室坐西朝东，西侧墙为外墙，如图2所示。办公室尺寸为11.9m（长）×10.5m（宽）×3m（高），办公区域实际面积为123m2，办公室西外墙窗户面积较大，南内墙为玻璃幕墙，其相邻房间为空调房间。共有8个方形散流器送风口，送风口实际尺寸为0.6m×0.6m，取喉部送风尺寸简化后为0.42m×0.42m，4个回风口实际尺寸为0.6m×0.6m。共有20个灯罩，每个灯罩内有2个荧光灯管。

图1 速度矢量法风口定义图

图2 办公室物理模型图

3.2 数学模型

为简化计算，对办公室作如下假设：

（1）办公室内空气流动为稳态湍流流动。

（2）办公室内空气为低速流动，可视为不可压缩流体且符合Bossinesq假设［5］。

（3）不考虑办公室漏风影响。

（4）送风口速度、温度分布均匀。

基于以上假设，其控制方程为［6］：

图3 改进前温度分布图

式中：ρ为空气密度 （kg／m3）—速度矢量；φ—速度分量u、v及w；Γφ－φ对应变量的扩散系数；Sφ－φ所对应变量的源项。

3.3 边界条件

室内热源均采用定热流量边界条件，送风口采用速度入口边界条件，回风口采用自由边界，壁面采用定热流密度边界条件，数值模拟计算边界条件见表3。

表3 室内参数及边界条件

3.4 网格划分

采用六面体网格［7］，X、Y、Z方向网格单元最大尺寸为0.6，对送风口进行加密，网格数量为1784146。

4 模拟结果及分析

4.1 改进前模型模拟结果

对该办公室现有模型进行模拟计算，其模拟结果见图3。

图3温度分布截取截面分别为：X方向通过左边第一列人体截面、X方向通过第二列办公桌中心截面、X方向通过第三列办公桌中心截面及Y方向通过人体呼吸区截面。从温度分布图可以看出靠近西外墙侧温度明显高于东内墙侧温度，近东墙人体感觉到冷而近西墙侧人员感觉较热，温差最大相差3℃，这是由于西面墙侧办公人员受太阳辐射影响。南墙到北墙温度分布呈升高趋势，最高温度相差2℃，这是由于北墙侧办公人员距风口距离较远，送风不能覆盖该区域，只能靠室内扰动降低温度。整体对比发现办公室西北角办公区域为最热区域，因为西南角办公人员受太阳西晒影响且送风口送风不能覆盖此区域。

基于以上分析发现办公室送回风口存在两大问题：

（1）该办公室送回风口采用均匀布置，但实际负荷分布并不是均匀分布，这就导致西外墙侧供不应求，而东内墙侧供大于求，造成室内人员的不舒适感。

（2）送回风口均匀布置然而人员并非均匀布置，南墙侧人员被送风口覆盖面积较小，导致南墙侧温度高于北墙侧，尤其是受太阳辐射的西北角温度明显高于无人员分布的东北角，最高温差高达5℃。

上述问题是暖通设计的通病，设计人员在负荷计算后进行选型，设计图纸时为了美观性通常采用均匀分布，但室内负荷、人员等的分布并不是均匀的，采用均匀分布并不是送回风口的最佳布置方式，均匀布置将会导致负荷量需求大的区域得不到满足，负荷量需求小的地方供大于求。基于该问题对该办公室送、回风口位置重新布置，此次布置的改进点如下：

（1）将送回风口向西外墙侧移动，使可能多的风量覆盖到西外墙侧人员，同时减小了东内墙侧的风量。

（2）将靠近南墙侧的送风口移至南墙侧桌子中间的正上方，保证有足够的风量覆盖到靠近南墙侧人员。

4.2 改进后模型模拟结果

针对上节的改造点对室内送回风位置进行调整，调整后模型如图3。改进后模拟结果如图4。

图4 办公室改进后物理模型图

图5 改进后温度分布图

图5温度分布截取截面分别为：X方向通过左边第一列人体截面、X方向通过第二列办公桌中心截面、X方向通过第三列办公桌中心截面及Y方向通过人体呼吸区截面。将图5与图3温度分布进行对比，改进后室内温度分布明显优于改进前。从改进后温度分布图可以看出靠近西外墙侧温度与东墙侧温度趋于均匀，温差缩小至0.8℃。南墙与北墙温度最高温温差缩小至0.4℃，说明调整后送风可以覆盖该区域。整体发现办公室西南角办公区域与东北角区域温差缩小至1.5℃。对办公室风口位置改进后，温度分布整体趋于均匀，水平最大温差在1.5℃内，整体区域较为舒适。

5 结论

本文利用Airpark软件对珠海某办公室不同送、回风口位置进行仿真模拟，分析比较得出如下结论：

（1）送回风口均匀布置并不是最佳布置方式。室内送回风口均匀布置时，室内温度分布并不均匀，会导致负荷需求大的区域温度过高；负荷需求小的区域温度过低，从而导致两个区域的人员都不舒适，最大温差高达5℃。

（2）进行送回风口位置设计时要综合考虑室内布局、人员分布、外墙位置、太阳辐射等，使负荷需求与风量覆盖成正比。改造后室内温度分布均匀，最大温差由5℃缩小至1.5℃。

（3）对于非均匀布置的办公室，在进行风口图纸设计前应先进行仿真模拟，找出最佳风口位置以保证办公室温度分布的均匀性。

参考文献：

［1］仉洪云，陈次昌，魏存祥，等.空调送风角对办公室气流组织影响的数值研究 ［J］.建筑热能通风空调，2008，27（4）：52－55.

［2］Launder B E，Spalding D.The numerical computation of turbulent flows［J］.Computer methods in applied mechanics and engIneerIng，1974，3（2）.269－289.

［3］Modest M F.Radiative heat transfer［M］.Academicpress，2013.

［4］刘刚，吴春燕.方形散流器风口速度场数值模拟［J］.东华大学学报 （自然科学版），2003，29（6）：27－29.

［5］Lin Z，Chow TT，Tsang CF，et al.Stratum ventilation—A potential solution to elevated indoor temperatures［J］.Building and Environment.2009，44（11）.

［6］谭双，孙丽颖.办公室应用辐射供暖加新风系统的气流组织研究 ［J］.流体机械，2016（10）：59－64.

［7］狄育慧，王善聪.利用Airpark模拟室内气流组织的误差分析 ［J］.西安建筑科技大学学报 （自然科学版），2013，45（1）：73－78.