基于多股平行非等温射流的层式通风送风末端间距优化研究

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层式通风能够在提高夏季空调温度的条件下,保持室内良好的热舒适性和空气品质。自层式通风方式被提出以来,针对层式通风进行了很多热舒适和气流组织的优化研究,其中针对风口气流组织的优化研究主要包括送回风口的布局和送回风口类型的优化。当层式通风房间风口并排布置在同一面侧墙时,送风口将多股射流水平送入工作区。不合理的风口间距,会恶化室内的气流组织,造成工作区内不同位置较大的热环境差异。因此找到合适的送风风口间距满足工作区人员的热舒适和空气品质要求十分重要。本文针对层式通风的小型环境室,使用实验测量和数值模拟相结合的方法展开对层式通风房间风口间距的优化研究。首先,本文在层式通风环境室工作区内不同位置布置多个测点,测出了四种工况(包括两种送风参数组合及650mm和1300mm两种风口间距)下各点的速度和温度,并通过计算出的PMV和EDTS进行了热舒适分析。发现,不同的送风风口间距下,工作区的热环境有很大的不同,同一个位置可能有很大的热感觉差异。650mm风口间距下,靠近中心风口的位置空气流动较强,PMV和EDTS较低,该位置偏冷。而1300mm风口间距下,该位置空气流动较弱,偏热。这是因为风口间距为650mm时,三股送风射流之间间距较小,所以射流之间的汇流较早且较为集中,中心区域空气流动较强。靠近侧墙的位置情况则相反,相比于650mm风口间距,1300mm风口间距下,该位置空气流动较强,PMV和EDTS较低,偏冷,这是因为该位置更靠近左侧风口,更容易受到射流的冷却。其次,为了获得一个能良好预测层式通风多股射流的轴心速度衰减的理论公式,在射流区布置了大量的测点,获得不同下游位置的射流轴心速度。使用所测得到的数据对射流轴心速度衰减公式进行了验证。通过直观图比较和均方根误差分析,发现阿伯拉莫维奇射流主体段轴心速度衰减改进公式结合射流叠加理论,能较好地预测层式通风多股送风射流轴心速度衰减。再次,为了研究送风参数和风口间距对五种评价指标(PMV、EDTS(层式通风有效通风温度)、DR(吹风感)、空气龄和ε(能量利用系数))的影响,本文利用经实验数据验证的CFD模型对6种风口间距和5种送风温、速度组合共30个工况进行了模拟。发现,当送风速度为一定时,随着送风温度的增加,PMV和EDTS都随送风风口间距的增加先减小后增大,总体呈二次关系,950mm的风口间距时的PMV和EDTS最低;吹风感DR随送风风口间距的变化趋势相近,都是先增加后减小,在950mm风口间距下达到最大值;不同风口间距下工作区的空气龄整体在降低,空气龄最低的风口间距总是950mm。当送风温度一定时,随着送风速度的降低,所有风口间距下的PMV和EDTS总体上都在增大;不同风口间距下的DR均降低,DR之间的差异在逐渐减小;PMV、EDTS和DR变化曲线变缓。在较低的送风速度时,工作区内射流与非射流区空气流动差异较小,故不同风口间距下各指标的差异也相对较小。所有送风工况下,950mm风口间距时的能量利用系数ε最大;当送风温度一定时,随着送风速度增加,所有风口间距下的能量利用系数ε也在增加。然后,使用熵权法确定了五种评价指标的权重,并根据计算出的权重使用相对熵多目标优化方法对风口间距进行了优化计算。结果表明,在层式通风热中性温度(即层式通风房间的设计工况)或者偏暖的环境下,最优送风风口间距为950mm。在偏冷的环境下,最优风口间距不再是950mm,本文结合不同送风参数对不同风口间距下五种评价指标的影响,对这种情况进行了分析。最后,为了验证当工作区的人数和送风口数量增加时,最优风口间距是否仍然适用。本文对工作区布置两排六列的人员,以950mm风口间距分别布置四个和五个送风口的两个房间模型进行了模拟。模拟结果表明,当房间工作区人员增加到两排六列时,按照950mm最优风口间距布置五个送风口时能保证工作区拥有良好热舒适性和空气品质。这是因为布置四个送风口时,四股射流辐射的范围无法涵盖靠近两边侧墙的人,这可能导致人员感到偏热,且空气品质无法得到保证。房间使用五个送风口时,五股射流既能良好汇流又能辐射到靠近两侧墙的人员,工作区内有较为均匀的热环境和较低的空气龄。
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