270气流组织对室内空气环境质量影响的数值模拟

气流组织对室内空气环境质量影响的数值模拟湖南大学土木工程学院焦俊军龚光彩邵春生摘要：室内空气环境包括室内热湿环境和室内空气品质，而合理的气流组织是实现室内热湿环境和保证空气品质的最终环节。本文采用CFD方法，应用Airpak软件，针对常见的办公室环境，分别对置换通风、顶送下回两种不同送回风方式下的速度场、温度场、污染物浓度分布、PMV-PPD分布等进行模拟计算，并对模拟结果进行分析，得出结论：置换通风在速度场、温度场及热舒适性方面优于顶送下回方式，但当污染源位置较低时，置换通风方式对污染物的控制效果弱于顶送下回方式。因此，在保证室内空气环境质量的工程设计中，并不存在普遍意义的最佳方案，须针对具体工况，设计合理的气流组织。关键词：气流组织热舒适室内空气品质CFD数值模拟NumericalSimulationoftheInfluenceofAirDistributiononIndoorAirEnvironmentQualityCivilEngineeringCollegeofHunanUniversityJiaoJunjunGongGuangcaiShaoChunshengAbstract:Theairdistributionisthefinallinkoftheindoorairenvironmentincludingthethermalandhumidityenvironmentandtheindoorairquality.BythenumericalsimulationmethodwithCFDAirpaksoftware,calculatedthevelocity,temperature,pollutionconcentrationandPMV-PPDdistributioninthenormalofficesunderdifferentmodesofairfloworganizationsuchasreplacementventilationandtop-supplyingwithdown-exhaustingairdistribution,anddrewsomeconclusionsthatthevelocity,temperaturedistributionandthermalcomfortofreplacementventilationwassuperiortothatofthetop-supplyingwithdown-exhaustingairdistribution,butthepollutantcontrolwasinferiorifthepollutionsourcewasatthelowposition.Consequently,thereisn’tauniquedesignschemesuitableforanypracticalprojectstoobtainhighindoorairenvironmentquality,andit’sessentialtoconsiderthespecificconditionsinordertoobtaintheoptimalairdistribution.Keywords:Airdistribution,Thermalcomfort,Indoorairquality,CFD,Numericalsimulation1.前言室内空气环境包括室内热湿环境和室内空气品质，而合理的气流组织是实现室内热湿环境和保证空气品质的最终环节。气流组织受到各种因素影响，揭示其分布规律比较困难。传统做法是通过模型实验，得出经验或半经验公式，然后在这些公式基础上进行气流组织计算。这样不仅耗费人力、物力，而且受模型实验的条件限制，有时难以模拟出复杂空间流动的全部特征，同时由于实验条件不同，得出的公式也各异，因此局限性很大。研究合理的房间气流组织数值模拟方法成为进行高性能房间空调设计的必然趋势。本文探讨房间气流组织的数值模拟，对数值计算结果进行分析，得出结论，以期能为实际暖通空调工程设计提供理论参考及科学依据。2.气流组织及其评价指标空调房间气流分布形式取决于送排风口型式及其布置方式。常见的通风形式有上送下回、上送上回、下送上回、中送风等。上送下回送风气流不能直接进入工作区，所以有较长的与室内空气混掺的距离，能够形成较均匀的速度场、温度场和浓度场；上送上回方式的特点是可将送(排)风管道集中于空间上部，异侧上送上回方式可设置吊顶，使管道成为暗装；下送上回送风方式要求送风温差较低，并控制工作区的风速，但因为其排风温度高于工作区温度，所以下送上回有一定的节能效果；在某些高大空间内，若实际工作区在下部，则气流组织只需保证工作区的温、湿度的要求，采用中送风方式，可节省能耗。气流组织的任务就是合理地组织室内空气的流动，使室内空气的温度、湿度、流速等能更好地满足工艺要求和符合人体的热舒适感。对舒适性空调来说，常见的气流组织评价指标有空气年龄和换气效率、通风效率、空气分布特性指标、能量利用系数等。3.室内空气环境的含义及影响因素分析室内空气环境是人们生活和工作中最重要的环境之一。室内空气环境主要由热环境、湿环境和空气品质等部分构成。良好的室内空气环境应是一个为大多数室内成员认可的舒适的热湿环境，能够为室内人员提供新鲜宜人，激发活力并且对健康无负面影响的高品质空气，以满足人体热舒适和健康的需要。在ASHRAE标准中，人体热舒适定义为人对热湿环境表示满意的意识状态。四个环境因素和两个人体因素影响人体热舒适。四个环境因素包括空气温度、相对湿度、室内维护结构内表面平均温度以及气流速度，两个人体因素为人体能量代谢率和人体服装热阻。室内空气品质受到多方面的影响和污染，按照性质差异可分为三类，第一类是化学的，主要来自房屋装修、室内设备、杀虫喷雾剂、厨房油烟等，其主要成分是挥发性有机化合物(VOA)如甲醛、甲苯、醋酸乙酯等和无机化合物如氨、CO、CO2等；第二类是物理的，包括悬浮颗粒、烟雾、核辐射、电磁辐射等；第三类是生物的，有螨虫、细菌、真菌、病毒等，其主要来源有地毯、毛绒玩具、被褥、居室加湿器、鱼缸水以及不卫生的空调设备等等。4.数值模拟的理论与方法计算流体力学(简称CFD)是始于二十世纪三十年代初的计算机模拟技术，它集流体力学、数值计算方法以及计算机图形学于一体，如今己经在各个相关领域得到广泛的应用。CFD软件通常包括三个模块：前处理(Preprocessing)模块、求解(Computeanresult)模块以及后处理(PostProcessing)模块。流体流动控制方程有质量、动量、能量以及组分质量守恒方程，各控制方程都可以表示成如下通用形式：()divdivgradStu(1)式中，φ为通用变量，可以代表u、v、w、T等求解变量；Γ为广义扩散系数；S为广义源项。上述方程组未知数多于方程数，为使方程组在数学上为封闭，引入工程问题中应用最为广泛的k湍流模型，增加了k方程和方程：k方程：()()itkbMkijkjkukkGGYStxxx(2)方程：2132()()()itkbijjuCGCGCStxxxkk(3)式中，kG是由于平均速度梯度引起的湍动能k的产生项，bG是由于浮力引起的湍动能k的产生项，MY代表可压湍流中脉动扩张的贡献，1C、2C、3C为经验常数，k和分别是与湍动能k和耗散率对应的Prandt1数，kS和S是用户定义的源项。5.不同送风方式的数值模拟本文所研究的对象为普通办公室。房间为标准的长方体，长5米，宽为3.4米，高为2.7米，南外墙传热系数为1.57w/(m2.k)，南外窗传热系数为4.52w/(m2.k)。室内适当位置布置一台功率为200W打印机，一台功率为100W计算机，打印机前有一站立的工作人员，计算机前有一坐着的工作人员，工作人员是内热源，每人发热量约为100W。打印机是室内的污染源，有三个小面积散发挥发性有机化合物苯，散发速率为0.833m/s。因为本文着重对写字楼、住宅等民用建筑的室内空气环境的模拟，所以可以认为，所选取的模型能体现此类建筑的特征，并有一定的代表性。建立的模型如图1所示。本论文的模拟计算采用传统的CFD方法对风口进行描述，即将送回风口当作一个简单的开口。送、回风口的位置、尺寸及送、回风速度、温度及浓度参数由不同送回风方式按空调设计规范决定。根据这种要求，设计的送回风方案见表2。表2送回风方案送风口及尺寸回风口及尺寸送风温度K送风速度(x,y,z)m/s置换通风风口1(0.8m×0.5m)风口4(0.8m×0.5m)293(0,0,-2)顶送下回风口3(0.4m×0.4m)风口1(0.4m×0.4m)291(2,-1,-2)对给定房间内上述两种送回风方案进行模拟，并绘出有代表性截面的速度场、温度场、浓度场等截面图，如图2至图9所示。其中，代表性截面X=1.7m是房间的垂直对称面并且通过站立与坐着的工作人员。图2置换通风速度矢量图图3顶送下回速度矢量图图1模拟对象的物理模型图4置换通风温度分布图图5顶送下回温度分布图图6置换通风污染物浓度分布图图7顶送下回污染物浓度分布图6.结论置换通风能为人员活动区域创造较理想的速度场、温度场。即使室内有集中的热源，置换通风空调方式也能在空调区域内形成较均匀的温度场和速度场。从图4和图5可以看出，置换通风方式下人体所在区域的温度比顶送下回方式低，风速分布更均匀，置换通风方式人体的热舒适感要比顶送下回方式好。在室内热工条件相同，污染物发散量、发散方式相同、送风气流具有相同稀释能力时，不同的气流组织会在人员活动区域形成不同的浓度分布，且差异较大。在污染源位置较低且发散强度较大的空间中，应用置换通风空调方式并不能达到控制人员活动区域内污染物浓度的要求，甚至起到相反的作用。在这类情况下，顶送下回空调方式对污染物的控制效果要强于置换通风。因此在保证室内空气环境质量的工程设计中，并不存在普遍意义的最佳方案，须针对具体工况，设计合理的气流组织。参考文献[1]汤广发,吕文湖,王汉青.室内气流数值计算及模型实验.长沙：湖南大学出版社,1989[2]王福军.计算流体动力学分析CFD软件原理与应用.北京：清华大学出版社,2004[3]徐丽,翁培奋,孙为民.三种通风方式下的室内气流组织和室内空气品质的数值分析.空气动力学学报,2003,21(3)：311-319[4]Z.H.YaoComputationalMethodsinEngineeringandScienceTsinghuaUniversityPress2006[5]PatnkarSV.Anumericalmethodforconductionincompositematerials,flowinirregulargeometriesandconjugateheattransfer.In:proceedingsofSixthInternationalHeatTransferConference.TorontoCanada,1978.3:297-302焦俊军，男，1983年10月生，硕士研究生，地址：湖南长沙湖南大学土木工程学院建筑环境与设备工程系，邮政编码：410082，电话：[phone]，E-mail：[e-mail]