氣流組織對(duì)室內(nèi)空氣環(huán)境質(zhì)量影響的數(shù)值模擬

1、氣流組織對(duì)室內(nèi)空氣環(huán)境質(zhì)量影響的數(shù)值模擬湖南大學(xué)土木工程學(xué)院 焦俊軍 龔光彩 邵春生摘要：室內(nèi)空氣環(huán)境包括室內(nèi)熱濕環(huán)境和室內(nèi)空氣品質(zhì)，而合理的氣流組織是實(shí)現(xiàn)室內(nèi)熱濕環(huán)境和保證空氣品質(zhì)的最終環(huán)節(jié)。本文采用CFD方法，應(yīng)用Airpak軟件，針對(duì)常見的辦公室環(huán)境，分別對(duì)置換通風(fēng)、頂送下回兩種不同送回風(fēng)方式下的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)、污染物濃度分布、PMV-PPD分布等進(jìn)行模擬計(jì)算，并對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析，得出結(jié)論：置換通風(fēng)在速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)及熱舒適性方面優(yōu)于頂送下回方式，但當(dāng)污染源位置較低時(shí)，置換通風(fēng)方式對(duì)污染物的控制效果弱于頂送下回方式。因此，在保證室內(nèi)空氣環(huán)境質(zhì)量的工程設(shè)計(jì)中，并不存在普遍意義的最佳方案，須

2、針對(duì)具體工況，設(shè)計(jì)合理的氣流組織。關(guān)鍵詞：氣流組織 熱舒適 室內(nèi)空氣品質(zhì) CFD 數(shù)值模擬Numerical Simulation of the Influence of Air Distribution on Indoor Air Environment QualityCivil Engineering College of Hunan University Jiao Junjun Gong Guangcai Shao ChunshengAbstract: The air distribution is the final link of the indoor air environment

3、 including the thermal and humidity environment and the indoor air quality. By the numerical simulation method with CFD Airpak software, calculated the velocity, temperature, pollution concentration and PMV-PPD distribution in the normal offices under different modes of air flow organization such as

4、 replacement ventilation and top-supplying with down-exhausting air distribution, and drew some conclusions that the velocity, temperature distribution and thermal comfort of replacement ventilation was superior to that of the top-supplying with down-exhausting air distribution, but the pollutant co

5、ntrol was inferior if the pollution source was at the low position. Consequently, there isnt a unique design scheme suitable for any practical projects to obtain high indoor air environment quality, and its essential to consider the specific conditions in order to obtain the optimal air distribution

6、.Key words: Air distribution, Thermal comfort, Indoor air quality, CFD, Numerical simulation1. 前言室內(nèi)空氣環(huán)境包括室內(nèi)熱濕環(huán)境和室內(nèi)空氣品質(zhì)，而合理的氣流組織是實(shí)現(xiàn)室內(nèi)熱濕環(huán)境和保證空氣品質(zhì)的最終環(huán)節(jié)。氣流組織受到各種因素影響，揭示其分布規(guī)律比較困難。傳統(tǒng)做法是通過模型實(shí)驗(yàn)，得出經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)公式，然后在這些公式基礎(chǔ)上進(jìn)行氣流組織計(jì)算。這樣不僅耗費(fèi)人力、物力，而且受模型實(shí)驗(yàn)的條件限制，有時(shí)難以模擬出復(fù)雜空間流動(dòng)的全部特征，同時(shí)由于實(shí)驗(yàn)條件不同，得出的公式也各異，因此局限性很大。研究合理的房間氣流組織數(shù)

7、值模擬方法成為進(jìn)行高性能房間空調(diào)設(shè)計(jì)的必然趨勢(shì)。本文探討房間氣流組織的數(shù)值模擬，對(duì)數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，得出結(jié)論，以期能為實(shí)際暖通空調(diào)工程設(shè)計(jì)提供理論參考及科學(xué)依據(jù)。2. 氣流組織及其評(píng)價(jià)指標(biāo)空調(diào)房間氣流分布形式取決于送排風(fēng)口型式及其布置方式。常見的通風(fēng)形式有上送下回、上送上回、下送上回、中送風(fēng)等。上送下回送風(fēng)氣流不能直接進(jìn)入工作區(qū)，所以有較長(zhǎng)的與室內(nèi)空氣混摻的距離，能夠形成較均勻的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)和濃度場(chǎng)；上送上回方式的特點(diǎn)是可將送(排)風(fēng)管道集中于空間上部，異側(cè)上送上回方式可設(shè)置吊頂，使管道成為暗裝；下送上回送風(fēng)方式要求送風(fēng)溫差較低，并控制工作區(qū)的風(fēng)速，但因?yàn)槠渑棚L(fēng)溫度高于工作區(qū)溫度，所以下

8、送上回有一定的節(jié)能效果；在某些高大空間內(nèi)，若實(shí)際工作區(qū)在下部，則氣流組織只需保證工作區(qū)的溫、濕度的要求，采用中送風(fēng)方式，可節(jié)省能耗。氣流組織的任務(wù)就是合理地組織室內(nèi)空氣的流動(dòng)，使室內(nèi)空氣的溫度、濕度、流速等能更好地滿足工藝要求和符合人體的熱舒適感。對(duì)舒適性空調(diào)來說，常見的氣流組織評(píng)價(jià)指標(biāo)有空氣年齡和換氣效率、通風(fēng)效率、空氣分布特性指標(biāo)、能量利用系數(shù)等。3. 室內(nèi)空氣環(huán)境的含義及影響因素分析室內(nèi)空氣環(huán)境是人們生活和工作中最重要的環(huán)境之一。室內(nèi)空氣環(huán)境主要由熱環(huán)境、濕環(huán)境和空氣品質(zhì)等部分構(gòu)成。良好的室內(nèi)空氣環(huán)境應(yīng)是一個(gè)為大多數(shù)室內(nèi)成員認(rèn)可的舒適的熱濕環(huán)境，能夠?yàn)槭覂?nèi)人員提供新鮮宜人，激發(fā)活力并且對(duì)

9、健康無負(fù)面影響的高品質(zhì)空氣，以滿足人體熱舒適和健康的需要。在ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)中，人體熱舒適定義為人對(duì)熱濕環(huán)境表示滿意的意識(shí)狀態(tài)。四個(gè)環(huán)境因素和兩個(gè)人體因素影響人體熱舒適。四個(gè)環(huán)境因素包括空氣溫度、相對(duì)濕度、室內(nèi)維護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面平均溫度以及氣流速度，兩個(gè)人體因素為人體能量代謝率和人體服裝熱阻。室內(nèi)空氣品質(zhì)受到多方面的影響和污染，按照性質(zhì)差異可分為三類，第一類是化學(xué)的，主要來自房屋裝修、室內(nèi)設(shè)備、殺蟲噴霧劑、廚房油煙等，其主要成分是揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOA)如甲醛、甲苯、醋酸乙酯等和無機(jī)化合物如氨、CO、CO2等；第二類是物理的，包括懸浮顆粒、煙霧、核輻射、電磁輻射等；第三類是生物的，有螨蟲、細(xì)菌、

10、真菌、病毒等，其主要來源有地毯、毛絨玩具、被褥、居室加濕器、魚缸水以及不衛(wèi)生的空調(diào)設(shè)備等等。4. 數(shù)值模擬的理論與方法計(jì)算流體力學(xué)(簡(jiǎn)稱CFD)是始于二十世紀(jì)三十年代初的計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，它集流體力學(xué)、數(shù)值計(jì)算方法以及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)于一體，如今己經(jīng)在各個(gè)相關(guān)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。CFD軟件通常包括三個(gè)模塊：前處理 (Preprocessing) 模塊、求解(Computeanresult)模塊以及后處理( PostProcessing )模塊。流體流動(dòng)控制方程有質(zhì)量、動(dòng)量、能量以及組分質(zhì)量守恒方程，各控制方程都可以表示成如下通用形式： (1)式中，為通用變量，可以代表u、v、w、T等求解變量；為廣義

11、擴(kuò)散系數(shù)；S為廣義源項(xiàng)。上述方程組未知數(shù)多于方程數(shù)，為使方程組在數(shù)學(xué)上為封閉，引入工程問題中應(yīng)用最為廣泛的湍流模型，增加了k方程和方程：k 方程： (2)方程： (3)式中，是由于平均速度梯度引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)，是由于浮力引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)，代表可壓湍流中脈動(dòng)擴(kuò)張的貢獻(xiàn)，、為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，和分別是與湍動(dòng)能k和耗散率對(duì)應(yīng)的Prandt1數(shù)，和是用戶定義的源項(xiàng)。5. 不同送風(fēng)方式的數(shù)值模擬圖1模擬對(duì)象的物理模型本文所研究的對(duì)象為普通辦公室。房間為標(biāo)準(zhǔn)的長(zhǎng)方體，長(zhǎng)5米，寬為3.4米，高為2.7米，南外墻傳熱系數(shù)為1.57w/(m2.k)，南外窗傳熱系數(shù)為4.52w/(m2.k)。室內(nèi)適當(dāng)位置布置

12、一臺(tái)功率為200W打印機(jī)，一臺(tái)功率為100W計(jì)算機(jī)，打印機(jī)前有一站立的工作人員，計(jì)算機(jī)前有一坐著的工作人員，工作人員是內(nèi)熱源，每人發(fā)熱量約為100W。打印機(jī)是室內(nèi)的污染源，有三個(gè)小面積散發(fā)揮發(fā)性有機(jī)化合物苯，散發(fā)速率為0.833m/s。因?yàn)楸疚闹貙?duì)寫字樓、住宅等民用建筑的室內(nèi)空氣環(huán)境的模擬，所以可以認(rèn)為，所選取的模型能體現(xiàn)此類建筑的特征，并有一定的代表性。建立的模型如圖1所示。本論文的模擬計(jì)算采用傳統(tǒng)的CFD方法對(duì)風(fēng)口進(jìn)行描述，即將送回風(fēng)口當(dāng)作一個(gè)簡(jiǎn)單的開口。送、回風(fēng)口的位置、尺寸及送、回風(fēng)速度、溫度及濃度參數(shù)由不同送回風(fēng)方式按空調(diào)設(shè)計(jì)規(guī)范決定。根據(jù)這種要求，設(shè)計(jì)的送回風(fēng)方案見表2。表2 送

13、回風(fēng)方案送風(fēng)口及尺寸回風(fēng)口及尺寸送風(fēng)溫度K送風(fēng)速度(x,y,z)m/s置換通風(fēng)風(fēng)口1(0.8m×0.5m)風(fēng)口4(0.8m×0.5m)293(0,0,-2)頂送下回風(fēng)口3(0.4m×0.4m)風(fēng)口1(0.4m×0.4m)291(2,-1,-2)對(duì)給定房間內(nèi)上述兩種送回風(fēng)方案進(jìn)行模擬，并繪出有代表性截面的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)、濃度場(chǎng)等截面圖，如圖2至圖9所示。其中，代表性截面X=1.7m是房間的垂直對(duì)稱面并且通過站立與坐著的工作人員。圖2 置換通風(fēng)速度矢量圖 圖3 頂送下回速度矢量圖 圖4 置換通風(fēng)溫度分布圖 圖5 頂送下回溫度分布圖圖6 置換通風(fēng)污染物濃度分布

14、圖 圖7 頂送下回污染物濃度分布圖6. 結(jié)論 置換通風(fēng)能為人員活動(dòng)區(qū)域創(chuàng)造較理想的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)。即使室內(nèi)有集中的熱源，置換通風(fēng)空調(diào)方式也能在空調(diào)區(qū)域內(nèi)形成較均勻的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)。從圖4和圖5可以看出，置換通風(fēng)方式下人體所在區(qū)域的溫度比頂送下回方式低，風(fēng)速分布更均勻，置換通風(fēng)方式人體的熱舒適感要比頂送下回方式好。在室內(nèi)熱工條件相同，污染物發(fā)散量、發(fā)散方式相同、送風(fēng)氣流具有相同稀釋能力時(shí)，不同的氣流組織會(huì)在人員活動(dòng)區(qū)域形成不同的濃度分布，且差異較大。在污染源位置較低且發(fā)散強(qiáng)度較大的空間中，應(yīng)用置換通風(fēng)空調(diào)方式并不能達(dá)到控制人員活動(dòng)區(qū)域內(nèi)污染物濃度的要求，甚至起到相反的作用。在這類情況下，頂送下回

15、空調(diào)方式對(duì)污染物的控制效果要強(qiáng)于置換通風(fēng)。因此在保證室內(nèi)空氣環(huán)境質(zhì)量的工程設(shè)計(jì)中，并不存在普遍意義的最佳方案，須針對(duì)具體工況，設(shè)計(jì)合理的氣流組織。參考文獻(xiàn)1 湯廣發(fā), 呂文湖, 王漢青. 室內(nèi)氣流數(shù)值計(jì)算及模型實(shí)驗(yàn). 長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)出版社, 19892 王福軍. 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析CFD軟件原理與應(yīng)用. 北京：清華大學(xué)出版社, 20043 徐麗, 翁培奮, 孫為民. 三種通風(fēng)方式下的室內(nèi)氣流組織和室內(nèi)空氣品質(zhì)的數(shù)值分析. 空氣動(dòng)力學(xué)學(xué)報(bào), 2003, 21(3)：311-3194 Z.H.Yao Computational Methods in Engineering and Science Tsinghua University Press 20065 Patnkar S V.A numerical method for conduction in composite materials,