住宅新風系統臥式分風箱風量平衡的研究

周智勇 張俊皓 李佳宜 李定霜

（昆明理工大學建筑工程學院，云南昆明 650500）

0 引言

近年來，越來越多的高品質住宅開始使用集中空調通風系統［1］，在住宅集中通風系統的末端構件中，常常采用新風分風箱來保證各個房間的風量，新風分風箱具有低噪音、把動壓轉變為靜壓等優勢，但隨著室內人員對舒適性和新風量的要求越來越高，為了提高新風分風箱均勻分配風量的性能，現有研究人員對風量分配裝置的均勻送風研究如下：江世煥［2］通過試驗的方法，使旋流通過風量分配裝置，實現在圓形風管上均勻布置的出風口的出風量相等，在風管長度為5D，風口間距為4D時，入口風速為5～12 m/s范圍內能夠實現風量自動平衡；鄭慶紅等［3］研究了用于等截面圓形直管均勻送風的旋流風量分配器，通過試驗得出了局部阻力靜壓系數為0.23～0.39 的旋轉流量分配器，比國外的降低了75%～69%，針對其特點給出了不同流量下的單位摩擦阻力變化曲線，為工程應用提供了參考依據；王琦等［4］通過CFD 數值模擬和實驗驗證的方法，分析了風量分配器的進、出風管的不同截面尺寸和風速、導流板的設置位置、長度、角度和不同外接阻力對風量分配的影響情況，為風量分配裝置的設計提供了一定的理論依據；常悅等［5］通過CFD 數值模擬的方法研究了體積較小且帶有6 個出口的風量分配裝置，在不同位置設置不同長度的導流板，可以實現在一定風量范圍內使得風量分配器達到風量平衡且各個出口壓力相等；張姝雅等［6］通過CFD 數值模擬的方法研究在風量分配裝置中設置的導流板高度、角度對風量分配的影響，認為導流板的高度對風量分配的影響較導流板的角度較弱，當導流板的高度為120 mm時，通過調節導流板的角度可以實現一定風量范圍內的調節。

以上研究表明優化風量分配器的結構以及在風量分配器中增設導流板，通過改變導流板的角度、位置、長度、高度等可實現風量的調節，但是以上研究所采用的研究方法時間成本高、研究內容不夠全面?；诖吮疚牟捎肅FD 數值模擬結合SPSS 正交實驗的方法，將臥式分風箱的導流板結構參數設計作為變量因子、臥式分風箱每個出風口的風量的不平衡率作為因變量，以綜合評分為基礎作為衡量臥式分風箱各出口風量平衡的指標。設計多種導流板的結構模型并進行流場分析，對仿真結果做極差分析，最終得到臥式分風箱風量平衡最好的一組導流板的結構參數。

1 模型及計算方法

1.1 物理模型及簡化

研究對象為某工程住宅新風系統的臥式分風箱，該工程住宅區域相比于其他建筑物，其層高低，根據我國《住宅設計規范》中規定：居住建筑層高為2.8 m，臥室、客廳不得小于2.4 m，且該工程住宅房間頂部鋪設有采暖所需要的水管，采取一般通風系統使用的安裝方式較為困難，因此該工程采用地板送風的形式并且創新使用了臥式分風箱。

該臥式分風箱基本尺寸為：900 mm×500 mm×60 mm，進風口1 個，進風口風管長度為100 mm，進風口尺寸為：300 mm×100 mm；出風口有8 個，正對面2 個出風口、側面各3 個出風口，出風口中心距箱體頂面30 mm，出風口風管長度為1 000 mm，出風口尺寸為：130 mm×30 mm，為方便后文的敘述對出風口進行編號，以x軸逆時針方向依次為：出風口1、出風口2、出風口3、出風口4、出風口5、出風口6、出風口7、出風口8，其物理模型如圖1 所示。

圖1 臥式分風箱外觀示意

1.2 數學模型

采用Realieablek-模型及壓力與速度耦合的SIMPLE 算法求解其中湍流動能k和湍流耗散率的控制方程分別為：

為簡化數值計算，對臥式分風箱內的空氣流動作以下假設：

（1）臥式分風箱體內及風管內的空氣流速較低，可視為不可壓縮流體，流體密度符合Boussinesq 假設。

（2）空氣流動為穩態等溫流動。

（3）臥式分風箱及其風管的氣密性良好，不考慮漏風。

（4）入口風速垂直于入口面，且風速等值分布。

1.3 邊界條件

以臥式分風箱進風口為計算入口邊界，設為速度入口，大小為2.04 m/s，方向垂直于入口邊界面；以風管末端的出口為計算出口邊界，設為壓力出口，0 Pa。

1.4 網格劃分及獨立性驗證

為保證計算精度的要求，模型采用Fluent meshing進行四面體非結構性網格劃分，對臥式分風箱速度入口、風管末端的出口、風管與箱體連接的部分區域的網格進行部分加密處理，如圖2 所示。

在送風速度為2.04 m/s 的邊界條件下，分別采用表1 中4 種方案精度的網格進行計算，選取臥式分風箱各出風口的風速值來進行網格獨立性的驗證。由圖3 可知，不同網格數量下各個出風口的風速值變化不大，風箱兩側的風速隨著網格數量的增加而減小，風箱正對面的2 個出風口的風速隨網格數量的增加而增大，觀察網格數量為103 萬和179 萬的出風口風速值變化基本一致，網格數量為333 萬時計算精度提高，但造成了計算機計算資源的浪費。因此，可認為從網格數量為103 萬開始網格數量已經滿足計算的要求，實現了網格的獨立性，綜合考慮到179 萬的網格數所需要的計算資源相對較少，其計算精度已經較高，在進行模擬研究時選取179 萬的網格數作為計算網格。

圖3 網格數量對出風口風速的影響

1.5 數值模型驗證

選擇轉速為2 380 r/min、靜壓為180 Pa、送風量為220 m3/h的風機進行模型驗證，實測與模擬得出的各個出風口的風速如圖4 所示。由圖4 可知，模擬得出的各個出風口的風速值變化趨勢與實際測試得出的數據的一致性很好，且風箱各個出風口模擬得出的風速與實測風速之間的誤差在4.2%～11.9%。因此，數值模型可以用來研究臥式分風箱的風量平衡。

2 正交試驗方案設計

正交試驗是一種研究多因素、多水平的高效率試驗方法，它根據全面試驗挑選出具有代表性的案例進行試驗，實現各個因素間的均衡搭配，減少實驗次數。這些被選出的案例具有“均勻分散，齊整可比”的特點，能全面地反應各個因素水平對試驗指標的影響情況［7］。

在臥式分風箱內加裝導流板已經證明能夠改善風箱內部流場的分布，但導流板的具體結構形式的選擇對氣流的分布影響較大，為此，采用正交試驗方法來探究導流板的各個參數的影響情況并獲得最佳的導流板結構參數組合。

2.1 確定評判指標

針對臥式分風箱風量平衡的評判，文中引入不平衡率X作為評判指標。在Fluent 中計算出臥式分風箱每個出風口的平均風速，根據下式計算臥式分風箱各個出風口風速的不平衡率［8］。

式中，X為出風口的不平衡率；Ga為實際出風量；Gd為設計出風量。

不平衡率X的值越小，說明臥式分風箱的各出風口的風量趨于一致，臥式分風箱的風量越平衡。為了使模擬結果全面反映臥式分風箱的風量平衡，本文將各個出風口的不平衡率視做評價指標，由于臥式分風箱的模型是對稱的，將出風口1 和出風口8 的不平衡率視作指標a、出風口2 和出風口7 的不平衡率視作指標b、出風口3 和出風口6 的不平衡率視作指標c、將出風口4 和出風口5 的不平衡率視作指標d。

引入綜合評分法，綜合評分是一種將多指標按著一定的規則轉換為單指標的方法。具體來講，它是綜合比較各種指標的重要性及其實測值，對每組試驗結果評定出一個綜合分數，而以此分數作為單指標進行統計分析。

簡單公式評分法是綜合評分中的一種方法，當各指標的重要程度和量綱均相同時可以將各指標數值直接相加，然后作為單指標進行分析。文中因指標a、指標b、指標c、指標d 對臥式分風箱風量平衡的判斷重要程度相同，因此后文采用簡單公式評分得出的綜合分數對臥式分風箱的風量平衡進行綜合評判。

2.2 正交試驗因素和水平的確定

圖5 為正交試驗架構圖。為提高臥式分風箱的送風均勻性，選取了綜合評分指標進行評判。對導流片的結構設計選擇導流板的長度（因素A）、導流板的高度（因素B）、導流板的夾角（因素C）3 個因素進行正交實驗，在每個因素選取3 個水平。導流板的長度的3 個水平為：160 mm、180 mm、200 mm；導流板的高度的3 個水平為：45 mm、50 mm、55 mm；導流板夾角的3 個水平為：65°、75°、85°。導流板的具體結構設計如圖6 所示。

圖5 正交試驗架構

圖6 導流板布置模型平面示意(單位：mm）

2.3 設計正交實驗表

根據正交試驗原理，采用3 因素3 水平L9（33）的正交試驗方案來研究不同因素對綜合評分的影響，一共需要進行9 組試驗，大幅度減少了工作量，提高了試驗效率。正交試驗方案如表2 所示。

表2 正交試驗方案

由表2 可知，設計的試驗方案在實驗參數的每一列，3 個水平出現的次數相同，且任意2 列的排列方式均衡齊全，充分保證了挑選出的部分試驗方案包含所有因素的所有水平，而且任意2 列之間的因素組合全部出現，充分保證了3 個因素之間的組合完整，因此該正交試驗的9 組試驗方案具有“均勻分散、整齊可比”的特點，可以代表全部試驗。

2.4 極差分析

極差可以直觀表達出導流板長度、導流板高度、導流板夾角對臥式分風箱風量平衡影響的重要次序，因素的極差越小，表明該因素對送風均勻性影響越小，反之，因素的極差越大，表明該因素對送風均勻性影響越大。極差數學計算公式為：

式中，kj為因素X的j水平對應的指標和；Xj（i）為因素X的第j水平第i個因素組合方案所對應的實驗值。

式中，kj為因素X的第j個水平的和的均值。

式中，R（X）為X的極差；Max（kj）為因素X的第j個水平和均值中的最大值；Min（kj）為因素X的第j個水平和均值中的最小值。

通過表3 極差分析可知，3 個因素對綜合評分的影響程度不同，根據表中極差值的大小可以判斷影響因素的主次順序為：導流板高度＞導流板角度＞導流板長度。為更加直觀地顯示3 個因素水平對綜合評分的影響，以3 個因素的水平為橫坐標，以綜合評分為縱坐標得到如圖7 所示的正交分析指標圖。

表3 試驗結果的極差分析

圖7 正交分析指標

由正交分析指標圖可得，3 個因素試驗水平實驗7 的綜合評分最低，即導流板結構參數設置效果最好的是導流板長度為200 mm、導流板高度為45 mm、導流板角度為75°。

2.5 結果驗證分析

通過正交試驗結果分析得到了送風均勻性較好的導流板結構參數，為驗證試驗結果，根據優化后的試驗參數建立模型，在相同的邊界參數下進行數值模擬，得到的結果如表4 所示。

表4 試驗結果驗證對比

從表4 可以看出，初始模型臥式分風箱風量平衡的綜合評分為39.6%，增設導流板優化后臥式分風箱風量平衡的綜合評分為2%，較初始模型綜合評分降低37.6%，說明臥式分風箱風量平衡提高37.6%。

3 結論

為了研究臥式分風箱風量平衡的問題，本文從臥式分風箱的物理模型入手，采用CFD 數值模擬和SPSS正交試驗相互結合的方法，以綜合評分為指標，對臥式分風箱內設置導流板的結構參數進行了優化分析，最終得出以下結論：

（1）導流板結構參數中3 個試驗因素對于臥式分風箱風量平衡影響的主次順序為：導流板高度＞導流板角度＞導流板長度。

（2）導流板結構參數對臥式分風箱風量平衡影響效果最好的是：導流板長度為200 mm、導流板高度為45 mm、導流板夾角為75°。

（3）基于正交試驗優選的導流板結構參數組合，對臥式分風箱風量平衡進行仿真驗證。結果表明：優化設置導流板后的模型比初始模型各支路的不平衡率降低了37.6%，送風均勻性整體提高。

本研究將室內實驗與理論研究相結合，為未來臥式分風箱的優化設計提供參考。對于臥式分風箱設置導流板來調整風量分配有一定的理論依據，但是應用到實際工程中存在一定的局限性，因此在未來的研究中，將針對工程實際情況與本模型結合并加以修正，對臥式分風箱的認識會更加準確。