新型壁面貼附式送風(fēng)模式人員熱舒適研究
相關(guān)鏈接： 中國安全網(wǎng) 中國質(zhì)量網(wǎng) 中國論文網(wǎng) 中國資訊網(wǎng)
尹海國，李安桂，劉志永
（1．西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，西安710055；
2．河南省高等學(xué)校供熱空調(diào)重點學(xué)科開放實驗室，鄭州450007）
[摘要]為解決現(xiàn)有通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)中采用混合送風(fēng)或置換送風(fēng)模式存在的問題，在傳統(tǒng)頂板水平貼附送風(fēng)的基礎(chǔ)上，提出了一種基于壁面貼附的空氣幕式送風(fēng)技術(shù)。采用實驗測試的方法研究了與這一新型送風(fēng)模式熱舒適性相關(guān)的氣流組織特性參數(shù)，并通過熱舒適指標(biāo)計算分析了該模式下室內(nèi)人員的熱舒適性。研究表明，壁面貼附式送風(fēng)具有工作區(qū)人員熱舒適強(qiáng)的特點，并且采用該模式送風(fēng)時，工作區(qū)允許風(fēng)速和溫度較我國的傳統(tǒng)設(shè)計要求可以有一定的提高，因此適用范圍更為廣泛。
[關(guān)鍵詞]通風(fēng)；氣流組織；壁面貼附式送風(fēng)；人員熱舒適；實驗測試；預(yù)計平均熱感覺指數(shù)；預(yù)計不滿意者百分?jǐn)?shù)
0 引言
在送風(fēng)口初動量一定的前提下，貼附送風(fēng)模式能夠?qū)⑻幚砗蟮目諝馑椭凛^遠(yuǎn)的區(qū)域，拓展送風(fēng)在建筑空間內(nèi)的作用范圍。同時，已有研究還表明貼附送風(fēng)能夠有效減少直接送風(fēng)對工作區(qū)人員帶來的“吹風(fēng)感”。因此，貼附送風(fēng)模式在建筑通風(fēng)、空調(diào)系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。
傳統(tǒng)的貼附送風(fēng)主要基于混合通風(fēng)模式，例如頂板水平貼附送風(fēng)。但這種送風(fēng)方式下，人員工作區(qū)往往位于回風(fēng)或排風(fēng)環(huán)境中，衛(wèi)生條件較差，送風(fēng)效率也相對較低。為了解決這些問題，Karimipanah等對上置半圓形風(fēng)口豎直壁面貼附送風(fēng)模式特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)它的通風(fēng)效率和送風(fēng)效果優(yōu)于傳統(tǒng)的頂板貼附送風(fēng)，并將其應(yīng)用于工廠、教室等場合；在此基礎(chǔ)上，Cho等進(jìn)而對多股噴嘴匯合式送風(fēng)模式沿豎直壁面的流動特性進(jìn)行了研究，通過與置換通風(fēng)的對比，得出上述送風(fēng)模式更適用于辦公類建筑。
在已有研究基礎(chǔ)上，課題組也提出了1種基于豎直壁面的貼附式送風(fēng)模式。與上述2種模式的不同點在于選用的送風(fēng)散流器形式不同。并且在房間內(nèi)部并沒有布置管道，氣流由上部風(fēng)口送出后，沿著墻壁這個虛擬送風(fēng)管，以貼附式空氣幕的形式進(jìn)入人員工作區(qū)。已有研究表明，這種新型送風(fēng)模式具有傳統(tǒng)頂板水平貼附送風(fēng)便于布置、不占用房間有效空間的優(yōu)點，并能解決已有模式中存在的諸多問題。本文將對該模式下工作區(qū)人員的熱舒適性進(jìn)行研究。
1壁面貼附式送風(fēng)模式原理
如圖1所示，由于布置及安裝要求，實際工程中送風(fēng)口距側(cè)墻均有一定的距離。因此送風(fēng)進(jìn)入房間后并不會立刻與壁面形成貼附，而是會在康達(dá)效應(yīng)的作用下逐步向壁面靠近，進(jìn)而形成貼附。因此氣流運(yùn)動過程會存在一定長度的偏轉(zhuǎn)區(qū)。此后送風(fēng)主體將沿壁面向下流動，接近地面時逆壓梯度增加，射流主體與豎直壁面分離，沖擊角落區(qū)域后方向轉(zhuǎn)為水平向。然后與地面形成貼附，以輻射流動方式沿地板向前延伸擴(kuò)散流動。已有研究表明，新型壁面貼附式送風(fēng)能在工作區(qū)形成類似于置換通風(fēng)的空氣湖狀速度及溫度分布。本文將在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究該模式是否具有工作區(qū)人員熱舒適性強(qiáng)的優(yōu)點。
2 人員熱舒適評價指標(biāo)
壁面貼附式送風(fēng)模式作為一種新型的氣流組織形式，需要采用一定的指標(biāo)對其送風(fēng)時人員的熱舒適性進(jìn)行評價。常見的有基于整體考慮的熱舒適評價指標(biāo)PMV/PPD，和基于局部熱不舒適考慮的吹風(fēng)感危險率( Draught Rate，DR)、房間垂直方向空氣溫差等。
對于本文研究來說，人員整體熱舒適主要采用PMV/PPD來評價。同時，送風(fēng)直吹工作區(qū)的下送風(fēng)模式容易造成區(qū)域內(nèi)人員的吹風(fēng)感。壁面貼附式送風(fēng)模式風(fēng)口雖然位于房間上部，但是在原理上屬于下送風(fēng)的一種。送風(fēng)進(jìn)入工作區(qū)后沿地面延伸擴(kuò)散的送風(fēng)主體內(nèi)存在較大的速度及溫度梯度。因此引入吹風(fēng)感危險率DR來評判該模式下工作區(qū)人員的局部不舒適性。對于房間垂直方向空氣溫差來說，已有研究表明壁面貼附式送風(fēng)模式是慣性力主導(dǎo)下的送風(fēng)，溫度梯度主要存在于送風(fēng)主體之中。而沿房間高度方向，工作區(qū)范圍內(nèi)溫差較小，人員頭腳溫差滿足不高于3℃的規(guī)范要求。因此本文不再對垂直溫差進(jìn)行研究。
此外，本文研究送風(fēng)模式的機(jī)理是在工作區(qū)形成空氣湖狀速度和溫度分布樣式�？諝夂纬梢蠛䞍�(nèi)速度和溫度分布均勻，以避免湖內(nèi)人員出現(xiàn)局部熱不舒適。為了驗證這一湖狀分布理論，選用速度、溫度不均勻系數(shù)這一與氣流組織相關(guān)的熱舒適指標(biāo)來評判湖區(qū)內(nèi)氣流分布的均勻程度。三個指標(biāo)分別描述如下。
2.1 不均勻系數(shù)
速度不均勻系數(shù)K。和溫度不均勻系數(shù)K。的定義分別見式(1)和式(2)：
式中：n為測點數(shù)目，個；u．為各測點速度，m／8；t．為各測點溫度，℃；u為各測點平均速度，m／s；t為各測點平均溫度，℃。
2.2吹風(fēng)感危險率DR
送風(fēng)速度u。選擇較大時，容易對工作區(qū)人員造成局部吹風(fēng)感的危險，采用吹風(fēng)感危險率DR來對送風(fēng)模式進(jìn)行評價，定義見式(3):
式中：u；為對應(yīng)測點溫度t。處的平均風(fēng)速，m/s；，．為對應(yīng)測點溫度ti處的湍流強(qiáng)度，可直接由式(1)計算得到。
2.3 熱舒適評價指標(biāo)PMV/PPD
壁面貼附式送風(fēng)模式的理念是在提高送風(fēng)效率、降低能源消耗的同時，提高工作區(qū)人員的整體熱舒適性。而舒適與否主要采用熱舒適評價指標(biāo)PMV和PPD[8。91來評價，定義分別見式(4)和式(5):
式中：M為人體能量代謝率，W/m2；W為人體所作的機(jī)械功，J；P。為人體周圍空氣的水蒸氣分壓力，Pa；t。為室內(nèi)空氣溫度，℃；t，為室內(nèi)各墻壁的平均輻射溫度，℃；f，為穿衣面積系數(shù)；t。，為衣服外表面溫度，℃；h。，為對流換熱系數(shù)，W/( m2.℃)。
壁面貼附式送風(fēng)模式大多用于辦公類建筑，結(jié)合此類建筑中人員的特點，考慮室內(nèi)人員為靜坐，輕度勞動，取M=1.2 met= 70 W/m2；對于辦公建筑來說取W=0；P�？梢杂墒覂�(nèi)相對濕度①間接求出，考慮夏季典型空調(diào)房間濕度要求，取由= 50%；辦公建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能較好，壁面上無明顯輻射熱源，可近似取t。=t。；fc,和t。，兩者均可由服裝熱阻，。，決定，考慮夏季典型空調(diào)房間人員衣著情況，取I=． -0.5 clo =0. 080( m2.K)/W；hcl為是風(fēng)速u的函數(shù)。
對上面兩式中8個變量的分析可知，PMV/PPD主要與M、函、f。、t，、，。，和“這6個參數(shù)有關(guān)，本例中的M、中和，。1可以由國外的IS0 7730[8]、ASHRAE55或國內(nèi)的GB/T 18049等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范確定，t。近似可以用室內(nèi)空氣溫度t。代替，因此只要確定出室內(nèi)空氣溫度和風(fēng)速即可求得相應(yīng)的PMV/PPD數(shù)值，進(jìn)而對設(shè)計工況下的熱舒適性進(jìn)行評價。
3 典型房間熱環(huán)境測試
上述指標(biāo)的計算需要確定出房間工作區(qū)的速度和溫度分布，為此在圖2所示的西安建筑科技大學(xué)室內(nèi)空氣環(huán)境（空氣調(diào)節(jié)）研究所實驗室中對這些參數(shù)進(jìn)行測試。
圖2所示辦公用空調(diào)房間尺寸（長×寬×高）為5.4 mx7.0 mx3.16 m，條縫風(fēng)口均勻送風(fēng)用靜壓箱裝置尺寸（長×寬×高）為2.5 mx0.5 m×0.5 m。條縫出風(fēng)口長度為2.0 m、寬度b為0.05m，出風(fēng)口垂直導(dǎo)流板高度為0. 06 m，出風(fēng)斷面距地面垂直距離為2.6 m。
測點布置方面，前期研究表明壁面貼附式送風(fēng)在工作區(qū)延伸擴(kuò)散過程中，送風(fēng)主體厚度均位于0.5 m高度內(nèi)。因此高度y測試方向采用均勻布點，間距0. 04 m，測試范圍0.04~0.52 m；條縫送風(fēng)口長度為2.0 m，工作區(qū)送風(fēng)主體寬度大致也在2.0m。因此寬度z方向測試也采用均勻布點，間距0. 10 m，測試范圍-0,9—0.9 m；送風(fēng)主體沿房間長度x方向擴(kuò)散測試采用不均勻布點，沖擊轉(zhuǎn)向區(qū)測點較密、地面貼附區(qū)測點布置較疏。各測點間距見圖2，測試范圍0. 35—4.4 m。
測試儀器采用瑞典SWEMA公司的SWA 03萬向微風(fēng)速探頭配合Swema多點測試采集系統(tǒng)，以實現(xiàn)速度和溫度數(shù)據(jù)的多點實時同步監(jiān)測。該探頭的測速范圍為0. 05~3.0 m/s，測量精度為±0.02 m/s(0. 07~0.50 m/s)和±0.03 m/s(0.50~3.0 m/s);測溫范圍為10~ 40℃，測量精度為±0.1℃。測量時所用SWA 03探頭全部經(jīng)過廠家標(biāo)定，標(biāo)定結(jié)果顯示，本文速度測試范圍內(nèi)(0. 05~2.0 m/s)最高誤差為0. 012 m/s．溫度測試范圍內(nèi)(17~28℃)最高誤差為0. 03℃，儀器精度符合測試要求。
4人員熱舒適評價與分析
4.1不均勻系數(shù)評價
對于壁面貼附式送風(fēng)來說，工作區(qū)能夠形成空氣湖狀速度及溫度分布模式，沿房間高度方向速度和溫度分布相對均勻，速度和溫度梯度主要位于送風(fēng)主體內(nèi)。因此用于不均勻系數(shù)評價的測點主要取送風(fēng)主體范圍內(nèi)。方向不同速度、溫度軸線位置處測試數(shù)據(jù)。計算得到沿送風(fēng)運(yùn)動方向不同位置斷面處的速度和溫度不均勻系數(shù)見表1。
由表1可知，壁面貼附式送風(fēng)模式工作區(qū)范圍內(nèi)（距送風(fēng)口所在貼附墻面Im以外的區(qū)域、x//>0. 18，x//=0.17作為工作區(qū)邊界點）速度和溫度不均勻系數(shù)相對較低。不同測試斷面處速度和溫度不均勻系數(shù)平均值分別為0. 22和0.014，工作區(qū)域速度和溫度均勻性較好。速度不均勻系數(shù)方面，后4個測點處速度不均勻性較高，此時各測點之間的偏差主要是由于低風(fēng)速下(0. 06~0.19 m/s)儀器較大的測試誤差造成的。如果忽略這些測點的數(shù)據(jù)，不同斷面處速度不均勻系數(shù)降低到0. 12，能夠較好滿足設(shè)計要求。相對速度分布來說，工作區(qū)溫度分布均勻性較好。并且隨流動距離的增加，溫度均勻性呈現(xiàn)增強(qiáng)的趨勢，這種溫度分布模式能夠更好的滿足工作區(qū)人員的熱舒適性要求。
4.2 吹風(fēng)感危險率DR評價
對于壁面貼附式送風(fēng)來說，工作區(qū)人員吹風(fēng)感主要是由于送風(fēng)主體軸線處較大的風(fēng)速和較低的空氣溫度造成的，并且已有研究表明風(fēng)口長度方向中截面處(z=0)的軸線速度相對較大。因此取z=0斷面上軸線位置處的測試數(shù)據(jù)作為研究對象，計算得到工作區(qū)內(nèi)沿送風(fēng)運(yùn)動方向不同位置處的吹風(fēng)感危險率見表2。ASHRAE 55規(guī)定由于風(fēng)感引起的吹風(fēng)感危險率不應(yīng)大于20%。由以上數(shù)據(jù)可知工作區(qū)各測點處的吹風(fēng)感危險率均滿足要求，沿射流運(yùn)動方向危險率數(shù)值整體呈現(xiàn)遞減的趨勢。因此如果室內(nèi)人員活動區(qū)域主要位于工作區(qū)后部，則可以適當(dāng)增加風(fēng)口速度u。數(shù)值，以更好的滿足設(shè)計要求。對于本文研究來說，在滿足DR<20%要求的前提下，工作區(qū)最大允許風(fēng)速可為0.55 m/s。高于GB 50736_2012規(guī)定熱舒適空調(diào)供冷工況工作區(qū)風(fēng)速不大于0. 30 m/s，以及IS0 7730B級標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的不大于0. 19 m/s的數(shù)值要求。同時也高于傳統(tǒng)置換通風(fēng)0. 25 m/s的出風(fēng)速度要求。而ASHRAE 55采用標(biāo)準(zhǔn)有效溫度SET模型對溫度進(jìn)行補(bǔ)償，并給出了不同操作溫度下室內(nèi)空氣流速限值。查文獻(xiàn)中的表可知，本文工況設(shè)置下，室內(nèi)空氣速度上限約為0. 70 m/s，因此本文研究得到的0. 55 m/s的工作區(qū)風(fēng)速在實際工程中是可以應(yīng)用的。
4.3 熱舒適評價指標(biāo)PMV/PPD評價
PMV/PPD是評價工作區(qū)整體熱舒適性的重要指標(biāo)。對于本文測試來說，工作區(qū)整體平均溫度為t。= 27.1℃、平均速度為0.24 m/s，同時為了比較，考慮工作區(qū)空氣流速分別為GB 50736規(guī)定的最大值0. 30 m/s和大于這一值的0.50 m/s作為對比工況。測試并計算得到本研究工作區(qū)熱舒適指標(biāo)見表3。
由表中計算數(shù)值可知，工作區(qū)整體熱舒適性符合ASHRAE 55、GB/T 18049-2000《中等熱環(huán)境PMV和PPD指數(shù)的測定及熱舒適條件的規(guī)定》給出的I級熱舒適度等級和IS07730給出的B級熱舒適度等級設(shè)計要求：- 0.5≤PMV≤0.5，PPD≤10%。并且在室內(nèi)空氣流速0.24 m/s的基礎(chǔ)上，工作區(qū)空氣流速的增加并不會造成熱舒適性的降低，反而會增強(qiáng)工作區(qū)的熱舒適性，降低人員不滿意率。這主要是因為本文研究工作區(qū)設(shè)計溫度選取較高，此時增加空氣流速利于人員悶熱感的消除�；诒疚慕o出的設(shè)計參數(shù)，采用式(4)和式(5)反算得到滿足不同規(guī)范中I級或B級熱舒適度等級要求下工作區(qū)空氣溫度大致位于24.2—27.2℃之間，較GB50736-2012《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》規(guī)定的24~26℃的工作區(qū)溫度范圍有一定的拓展。
5 結(jié)論
本文研究了新型壁面貼附式送風(fēng)模式下室內(nèi)人員的熱舒適，得到以下結(jié)論：
1)新型壁面貼附式送風(fēng)模式能在工作區(qū)形成空氣湖狀速度及溫度分布，人員熱舒適強(qiáng)于傳統(tǒng)頂板水平貼附混合式通風(fēng)。
2)與傳統(tǒng)下部側(cè)送式置換通風(fēng)相比，壁面貼附式送風(fēng)模式采用上置送風(fēng)散流器，不占用下部工作區(qū)有效空間，并且能夠采用更大的送風(fēng)速度和較低的送風(fēng)溫度，以應(yīng)對較大的室內(nèi)負(fù)荷。
3)采用壁面貼附式送風(fēng)模式，在滿足熱舒適吹風(fēng)感危險率要求的前提下，工作區(qū)最高允許風(fēng)速可以提高到0. 55 m/s。對應(yīng)不同規(guī)范中I級或B級熱舒適度等級要求下工作區(qū)空氣溫度大致位于24.2~27.2℃之間。
上一篇:斜井有軌運(yùn)輸施工方案研究與應(yīng)用
下一篇:返回列表
