探析气流组织形式对室内空气环境影响的数值模拟

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摘 要：市内空气环境质量对人们的生产、生活质量产生重大影响，本文以空调气流组织对市内空气环境的影响为例，探讨了气流组织形式对室内空气环境影响的数值模拟。

关键词：置换通风; 气流组织模拟

中图分类号：TD724文献标识码： A

1物理模型

某空调房间物理模型如图1,图中y轴正方向是北方，房间尺寸为7.9m×6.9m×4.5m(长×宽×高)，有13个人在房间开会，有1台电脑，1张会议桌，顶上9个照明灯，南墙有2扇玻璃窗。混合通风：3个送风口在西墙上侧，2个回风口在东墙下侧；置换通风：1个送风口在西墙下侧，2个回风口在顶面东侧。

图1 物理模型

2数学模型

数学模型的建立是基于以下的假设：室内气流为低速不可压缩的牛顿流体，定常流动，并忽略粘性力引起的耗散效应，室内均匀内热源或无大的温度浮动。

3边界条件

空调室内空气流体的物理性质，在进行数值计算时，可以近似按常温下空气的物性参数选取。计算所需的边界条件如下：

入口边界条件：置换通风送风温度为16℃，风速为0.2m/s；混合通风送风温度为16℃，风速为2.5m/s。出口边界条件：假定出口界面上的节点对第1个内节点已无影响，因而可以令对内节点的影响系数为零，这样就无需知道出口边界上的值。壁面边界条件：室内壁面边界条件设为恒温边界，西墙与南墙壁温为33℃，南窗为35℃，其余壁面温度均为29℃；电脑设为恒热流边界，热流量分别120W；每盏灯总热流量为40W；人体简化为棱柱形，每人总热流为70W；会议桌的边界设为绝热边界。

4数值模拟结果分析

4.1速度场模拟分析

在置换通风与混合通风两种不同气流组织下，选取x=2.05m处的yz平面、y=3.85m处的zx平面显示速度场分布结果，如图2、图3所示。

图2 x=2.05m处速度分布云图

图3 y=3.85m处速度矢量图

(1)分析如图2(a)与图3(a)所示的置换通风下速度场的模拟结果。

低温气流从房间的底部送入，由于新风的温度低于室内温度，相对密度较高，进入房间后先向下流动，停留在室内地板上，形成一个“新风湖”。在底部气流单向流动，特别是会议桌(绝热体)下方区域在地板附近单向流动气流的速度较大，随着距离风口越远，风速越小，如图3(a)所示。当气流遇到障碍物和热源(如人体、电脑)时，新风被加热后在浮升力作用下上升，卷吸室内气流形成羽状气流流场，到达中部区域的时候气流速度减小。在房间竖直面上，存在明显的速度分层，室内气流以类似层流的活塞流的状态缓慢向上移动，如图2(a)所示。气流在到达天花板附近，一部分经回风口排出房间；另一部分遇阻折回，被羽状气流卷吸，在房间顶部很小范围内形成涡流区。在整个人员活动区(0.1～1.8m)，气流速度都在0.10m/s以下，不会对人员产生吹风感。同时冷气流在沿热源(人或电脑)运动时，吸收热量上升，冷空气能及时补充，保证了工作区的舒适度。

(2)分析如图2(b)与图3(b)所示的混合通风(上侧进下侧回)下速度场的模拟结果。

气流以2.5m/s的速度水平射入，在室内形成明显的环状运动，如图2(b)所示。气流在重力作用下向下运动，一部分气流在排风口处直接经排风口排出，大部分气流在到达地板后折流，贴地面水平流动，且速度较大，如图3(b)所示，吸收房间余热，温度升高，在热浮升力作用下上升，上升过程中遇到送风气流，在送风气流的卷吸下，随之流动，在房间内形成较大的涡旋。室内气流扰动比较大，且气流速度大小差别过大，人员工作区内有吹风感，从而舒适度也不高。由于气流的卷吸作用，房间的这种通风方式，由于送风量大，必然消耗更多的能量。

4.2温度场模拟分析

在置换通风与混合通风两种不同气流组织下，选取x=2.05m处的yz平面、y=3.85m处的zx平面与z=0.525m处的xy平面显示速度场分布结果，如图4、图5所示。

图4 x=2.05m处温度场分布图

图5 z=0.525m处温度场分布图

(1)分析如图4(a)、图5(a)所示的置换通风下温度场的模拟结果。

对于置换通风，送风温度低，速度小，主要由热源产生的热浮升力来主导室内气流流向，因此，在水平方向，除热源外，同一水平面上温度分布比较均匀，人在各处冷热感觉比较一致。在垂直方向上存在明显的热力分层，房间下方温度较低，上方温度相对较高，大约在1.8m以下，温度梯度大但实际温差小，不影响室内舒适度。由于只考虑人员工作区内的余热余湿，相对于其他通风方式来说，减少了室内冷负荷，可以减少送风量或稍微提高送风温度，一定程度上节省了能源消耗。

(2)分析如图4(b)、图5(b)所示的混合通风温度场的模拟结果。

对于侧送风，整个气流在房间内上部温度较低，中间温度较高；从西墙上侧送入的低温气流，部分下沉，与地面相遇后贴地面流向工作区内，而作为绝热体的会议桌板面面积较大，起到隔断气流的作用，使桌底气流不能与热源充分混合，形成低温的速度较大的单向流气体，影响人体舒适性。

5评价指标的比较

5.1能量利用系数

比较能量利用系数，也称为温度效率ET，ET越大，能量利用效果越好。它直观反映了能量利用的实际意义。

ET=(Tp－T0)/(Tˊ－T0)(5)式中Tp--排风温度；T0--进风温度；Tˊ--室内平均温度。理论上，根据置换通风的原理和特点，室内的余热随逐渐上升的层流气体聚积到出风口处，经出风口排除，所以在置换通风方式的空调系统中，出风口处、Tp的值要高于工作区域内Tˊ，所以ET大于1；而对于混合通风方式而言，由于室内处于完全混合状态，一般情况下，出风口处的Tp值要比工作区域内的Tˊ值要小，所以ET小于等于1。理论与实际情况相符合。

5.2人体的热舒适比较

丹麦工业大学P.O.Fanger教授指出热舒适由平均气流速度、温度和气流特性决定。在本文所研究的物理模型中，有13个人体模型。在计算区域内选取具有代表性的两根与人体模型十分接近的参考线，参考线1为x=3.95m，y=2.25m；参考线2为x=4.85m，y=4.65m。选取人体对热舒适比较敏感的部位作为参考点：脚(z=0.20m)，膝部(z=0.525m)和头部(z=1.20m)，根据这些点上的参数来计算不同气流组织形式下人体的热舒适性。对于各种不同的气流组织形式，室内人体的热舒适性是可以接受的(PPD＜10%)，其中与置换通风比较，混合通风方式室内的PPD值相对较大，且变化较大；而置换通风方式，随高度的增加，PPD值也相应减小，但头部与脚部变化较小。随着高度的增加，室内的温度增加，平均气流速度减少，从而导致人体的热舒适性增强。

6结论

相对于侧送风，置换通风减少了室内冷负荷，送风速度小，可以减少送风量；而且能量利用系数高。因此置换通风不但能优化室内空气质量，还节省了处理空气和输送空气的能耗。

参考文献：

［1］马国彬，魏学孟．置换通风气流组织及其影响因素分析研究［J］.建筑热能通风空调，2002，21(3)．

［2］倪波．置换通风的实验研究［J］.暖通空调，2000，30(5)．