顶棚辐射桌面送风舒适性数值模拟研究

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近年来，对于桌面送风人体周围局部环境，诸多学者从温湿度尝风速尝PMV等方面进行了数值模拟以及实验研究 。2004年，Gao等人做了人体微环境和个性化送风的 CFD研究，得出利用模拟软件模拟结果与利用假人进行实验的结果基本-致 71。2002年辐射吊顶被美国能源部列为美国当今和未来最有优势的 15项暖通空调节能技术之- J。吊顶冷辐射维持室内28C和- 般中央空调维持 26℃给人的舒适度基本-致也被写进了设计手册9 J。目前对顶棚辐射的应用也越来越多，但顶棚辐射与独立新风组合的研究还较少。本文在已有研究基础上，通过 CFD数值模拟技术，重点分析顶棚辐射环境下桌面送风热参数与人体舒适性的相互关系，从而确定辐射环境下的桌面送风参数。

2 CFD数值模型桌面送风属于湍流，本文选用 k-8两方程湍流模型。桌面送风的数值模拟中的基本控制方程包括连续性方程、动量方程、能量方程、K方程、8方程。

(1)连续性方程div(pu )0 (1) a 、(2)动量方程o(pu )。aptit.jOt收稿日期： 2012-08-06 修稿日期 ： 2012-09-12基金项目： 上海市教育委员会科研创新项目资助(12YZ111)；上海市教委重点学科建设项目资助(J505o2)2013年第4l卷第 3期 流 体 机 械 75- 毒(叼 (2)式中 p--静压- - 流体动力粘度(3)能量守恒方程旦 ( 垒!鱼i 垒)鱼( 垒2Ot Ox Oy OzpdivUdiv(Agrad)T咖S (3)式中 A--流体的导热系数s --流体的内热源西--由于粘性作用机械能转换为热能的部分，称为耗散函数(4)K湍流动能输运方程(K方程)aK aKP-gi pui-Oxi毒[(叼 'r/ ，/OK ]叼c等(善 )-p8 (4)OXi，(5)湍流能量耗散率输运方程(8方程)a占p PUi-OXK去(叼 )薏]警叼·o u，(o眠u， )-c (5)式中 田 --湍流粘性系数c，--常数c2--常数--K， 的湍流 Prandtl数3 物理模型以某会议室为例，房间尺寸为 7m X6m X2.611。室内有-张会议桌，其下部尺寸为 2.6m×0.8m×0.7rl，上部尺寸为 3.2m×1.4m×0.3m。

室内主要热源：8人 ，发热量 108W/人L1引；6盏 日光灯，发热量40W/盏。在桌面上设 3个长方体风箱，风箱在朝向人体侧开圆形口，作为普通圆形风口，距离人体面部0.5m，高度1.1m。-个模型中8个风口尺寸-致，风口尺寸改变保持-致。回风口为矩形，设置于房间-侧，高度为 2m，尺寸0.8m×0.16m。物理模型见图 1，送风 口示意见图 2。

图 1 模拟物理模型4 边界条件图 2 送风口示意具体边界条件为：(1)围护结构采用恒壁温条件，设墙壁和地面表面温度为 28oC；(2)假定顶棚辐射温度均匀，取为23℃，室内背景干球温度维持在28℃左右；(3)保持人均送风量 30m /h恒定，通过改变风口尺寸改变送风速度。普通圆形风口风口直径分别为 0.20、0.15、0.12和 0.1Om，以期达到 1、0.7、0.45和0.25m/s 4种送风速度。

5 舒适性评价指标为衡量桌面送风的舒适性，本文选用温度、速度及 PMV值为舒适性指标。其 中，PMV值与人体新陈代谢率、空气的温湿度、流速、房问平均辐射温度以及人体的衣着量有关。文中，仅改变空气的温湿度与送风速度，PMV值的其他影响因素采取固定值。其中人体代谢率为70W/m ，空气湿度为50%，服装热阻为0.5elo，房间的平均辐射温度为27℃。通过人体周围PMV值，对人体所处微环境舒适性进行评价。

6 模拟分析6.1 模拟 工 况76 FLUID MACHINERY Vo1.41，No.3，2013桌面送风温度不宜过低，若低于 l8o，则有可能引起吹风感。本文最低送风温度取 20℃，最高送风温度定为等温送风，最终选取20、22、24、26和 28℃5种送风温度〖虑模型中人体距送风口较近，为旧能避免产生吹风感，本文选取1、0.7、0.45和 0.25m/s 4种送风速度～这两参数进行组合，共组成 2O组工况，利用 Airpak软件分别进行模拟计算。

6.2 模拟结果分析从模拟的温度与速度云图得知，在同-工况下，会议室 8人周围的温度与速度参数值基本-致。为简要说明问题，本文选取外侧-人体，以28℃、1in/s送风工况为例，进行分析。在该人前、后侧 3cm处各取-竖直位置进行监测，可分别得到人前、后侧的温度、速度以及PMV值分布，见图3、4。图3中，室内干球温度趋近于 28℃设定值，人体前侧、后侧温度基本-致，头部、脚部温度基本相同，均接近 28%。人体后侧风速很小，接近0；人体前侧风口轴线方向速度最大，沿送风方向递减，在人体面部3cm处刚好满足不大于 0.3m/s吹风感的要求。

昌惶(a)温度分布速度(m/s1(b)速度分布图3 28%、1 m/s送风条件下人体呼吸区温度和速度分布情况g越枢图4 28℃、lm/s送风条件 F人体呼吸区PMV分布情况图4显示，从头到脚，顶棚辐射覆盖区域人体热感觉适中，桌面下部由于不能和辐射吊顶直接辐射换热，出现暖的感觉∩见吊顶冷辐射维持28%室温，人体 PMV值满足舒适要求，与常规空调 26℃效果-致。

图4还显示人体前侧热舒适性差异较大部位为呼吸区与膝盖处，为评价各工况的人体呼吸区和膝盖部位的热舒适性，本文在两处位置分别选取了监测点。-位置在人体呼吸区(1.3m高度)，距离人体面部 3cm；另-位置在人体膝盖处(0.5m高度)，距离膝盖3cm。各工况在人体呼吸区和膝盖部位的PMV值如表 l、2所示。

表 1人体呼吸区各工况 PMV值速度(m/s) PMVl 0.7 0.45 O.2528 0.2 0.7 0.9 -26 O 0.5 0.8 O.8温度(oC) 24 ～0.2 0.35 0.8 0.722 -O.4 0.24 0.5 O.6320 -0.55 O.2 0.4 0.6表 2 人体膝盖处各工况 PMV值速度(m/s) PMv1 0.7 0.45 0.2528 I.2 1.6 1.826 1.2 1.7 1.8 1.8温度(cc) 24 0.8 1.8 1.8 1.822 0.57 0.8 1.22 1.2420 0.27 0.56 1.21 1.23从表 1可见，同-送风温度下，随送风速度的减小，呼吸区由冷到暖变化；同-送风速度下，随送风温度的降低，呼吸区由暖到冷变化。送风温度较低，送风速度较大时，呼吸区会偏凉。高、低温送风在适当的送风速度下都能满足人体呼吸区的热舒适性要求。

l 0 O 言 越挺2013年第41卷第 3期 流 体 机 械 77从表 2可见同-送风温度下，随送风速度减小，膝盖处热舒适性降低；同-送风速度下，随着送风温度的降低，膝盖处热舒适性提高。高温送风较高的送风速度才能使人体膝盖处达到较好的热舒适性，低温送风在合理风速范围能满足人体膝盖处热舒适性要求。

维持室内某干球温度，送风温差即为该温度与送风温度的差值♂合表 1、2，得到顶棚辐射桌面送风系统合理送风参数。情况：小温差 (送风温度26～28℃)送风时，同-送风温度，在不产生吹风感的前提下，较高的送风速度能取得较好的送风效果，送风温差越小，同-人体舒适度所需的送风速度越大；而大温差(送风温度 18。22℃)送风时，较高的送风速度会产生吹冷风感 ，也会导致人体周围存在较大温差，影响人体热舒适性。

7 结论(1)从模拟结果看，在顶棚辐射下，即使维持室温 28℃，也能较好的满足人体舒适性需求。这种供冷方式与常规空调相比，在满足舒适性的前提下更节能；(2)顶棚辐射桌面送风的送风参数确定原则：当采用小温差(4℃以内)送风时，送风速度在不产生吹风感的前提下越大越好；当采用大温差低温送风时，要求送风速度较小，以不产生吹冷风感、满足呼吸区新风需求为宜；(3)从节能的方向考虑，建议采用小温差大风速送风方式，但容易导致膝盖处热舒适性较差，对于该现象可从辐射直接覆盖和送风方式上作进- 步研究。