汪秀清，張慶豐

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建材超市空氣場的預測

汪秀清1，張慶豐2

（1 武漢紡織大學 環(huán)境與城建學院，湖北 武漢 430073；2 中國煤炭科工集團 武漢設計研究院，湖北 武漢 430070）

采用計算流體動力學CFD 技術對某建材超市室內(nèi)空氣場形式進行數(shù)值模擬,預測了室內(nèi)溫度場、速度場以及濃度場, 發(fā)現(xiàn)用散流器上送風，送風高度在5米左右時，送風溫差在15K以上為宜，散流器垂直方向速度為3m/s時，人員的活動范圍內(nèi)的速度基本符合0.3m/s的要求，有污染物揮發(fā)時，通風安全系數(shù)應不小于9。驗證了空調室內(nèi)氣流的動量傳遞、熱量傳遞和質量傳遞的高度類似性。

建材；超市；空氣場；預測

1　引言

隨著人們工作和生活水平的提高,對空調室內(nèi)氣流分布和室內(nèi)空氣品質( Indoor Air Quality ,簡稱IAQ)提出了更高的要求，對公共建筑室內(nèi)的室內(nèi)空氣品質尤為關注。當代空調技術的發(fā)展實際上就是為促進人類生活、生產(chǎn)的舒適性、健康性,以及為保護地球環(huán)境、有效利用能源等各種可持續(xù)發(fā)展的需要而服務的[1]。

在空調房間內(nèi),氣流組織的好壞決定著室內(nèi)空氣的溫濕度、氣流速度和潔凈度,因此,空調房間內(nèi)的氣流組織是空調設計的重要內(nèi)容。有效地通風和合理的氣流組織對于改善室內(nèi)空氣品質,控制室內(nèi)空氣污染物水平,保證實現(xiàn)健康建筑、健康舒適性空調有著重要的意義[2]。

因此設計者都希望在規(guī)劃設計階段就能預測室內(nèi)空氣的分布情況,然后根據(jù)一定的評估標準制定出最佳的通風空調方案，進而對室內(nèi)空氣品質及能耗等做出合理的預測。本文借助CFD（Computational Fluid Dynamics）模擬工具——Fluent軟件對一建材超市的氣流組織進行預測。

2　氣流組織的預測方法

目前在暖通空調工程中預測室內(nèi)空氣分布的方法主要有四種[3-4]：

（1）射流公式。傳統(tǒng)的射流理論分析方法采用的是，基于某些標準或理想條件理論分析或試驗，得到的射流公式對空調送風口射流的軸心速度和溫度、射流軌跡等進行預測，但是，由于建筑空間越來越復雜化、多樣化和大型化，實際空調通風房間的氣流組織形式變化多樣，勢必會帶來較大的誤差。并且，射流分析方法只能給出室內(nèi)的一些集總參數(shù)的信息，不能給出設計人員所需的詳細資料，無法滿足設計者詳細了解室內(nèi)空氣分布情況的要求。

（2）Zonal model是將房間劃分為一些有限的宏觀區(qū)域，認為區(qū)域內(nèi)的相關參數(shù)如溫度、濃度相等，而區(qū)域間存在熱質交換，通過建立質量和能量守恒方程并充分考慮了區(qū)域間壓差和流動的關系來研究房間內(nèi)的溫度分布以及流動情況，因此模擬得到的實際上還只是一種相對 "精確"的集總結果，且在機械通風中的應用還存在較多問題。

（3）模型實驗雖然能夠得到設計人員所需要的各種數(shù)據(jù)，但需要較長的實驗周期和昂貴的實驗費用，難于在工程設計中廣泛采用。

（4）CFD模擬。CFD具有成本低、速度快、資料完備且可模擬各種不同的工況等獨特的優(yōu)點，并且當前計算機技術的發(fā)展，使CFD方法的計算周期和成本完全可以為工程應用所接受。因此，CFD方法越來越多地應用于暖通空調中對室內(nèi)空氣分布情況的模擬和預測，從而得到房間內(nèi)速度、溫度及有害物濃度等物理量的詳細分布情況。

3　建材超市空氣場的CFD模擬預測

3.1數(shù)值方法

CFD數(shù)值求解時[5]，采用Reynolds-averaged -Navier-Stokes（RANS）方程，這是目前工程紊流計算中廣泛采用的基本方法。紊流模型選用標準的k-ε模型，近壁處采用標準壁面函數(shù)法。另外針對建材超市的特點，設室內(nèi)氣流為空氣和甲醛兩種氣體的混合流動，選用了SPECIES輸運模型。采用有限體積法，將控制方程轉化為離散代數(shù)方程，其中的項均采用的一階迎風差分格式。這些方程采用分離隱式法求解，通過SIMPLE算法來耦合壓力與速度。

3.2流域模型

該模型是一裝飾建材超市，主要目的是研究有甲醛釋放的一層建材區(qū)域的空氣分布情況，計算域總占地面積為5820m2，計算域總體積為31827.85m3。預測超市中氣流的流動、傳熱以及污染濃度的分布情況?？紤]的范圍包括送風口、排風口、回風口、貨架在內(nèi)的建材堆放區(qū)。其中送風口有87個，開在建材區(qū)域的上部距離地面5.5米的地方，尺寸為560×560mm；排風口有30個，開在建材區(qū)域的上部距離地面6.2米的地方，尺寸為1000×600mm；回風口為4個，開在后墻面上距離地面4-5米處，尺寸為15000×1000mm；貨架有兩列，上列擺放有18個18m×2m×5m的貨架，下列擺放有19個24m×2m×5m的貨架，共37個，每個貨架分上下兩層，貨架上堆放1m高的建材，暴露面積是：上列2736m2，下列3800m2，合計6536m2。

3.3網(wǎng)格的劃分

因為有貨架將整個區(qū)域隔成很多小區(qū)域，每個小區(qū)域內(nèi)又有堆放的建材將其分成上下兩個更小的區(qū)域，于是采用了結構化和非結構化網(wǎng)格并用的策略。將計算域分成四層[6]：從排風口到上層貨架的建材表面之間區(qū)域為頂層，這個區(qū)域里有排風口和送風口；上層貨架上堆放的建材整體為上貨架層，這是甲醛的釋放源；上層貨架底部到下層貨架堆放的材料表面之間的區(qū)域為貨架中間層；下層貨架上堆放的建材整體為下貨架層，這里也是甲醛的釋放源。下面三層貨架區(qū)域結構相對規(guī)整，采用結構化網(wǎng)格。采用結構化網(wǎng)格，可以節(jié)省計算資源，提高計算效果；在開口眾多的頂部附近區(qū)域采用相對復雜的邊界適應性很強的非結構化網(wǎng)格。這樣該模型布置的網(wǎng)格數(shù)目總共有88萬多，上層大概有68萬多。

3.4預測的結果分析

圖1 k=9,2米內(nèi)平均溫度分布變化曲線圖

從速度云圖3上可看出速度場分布是不均勻的。在送風口或回風口及排風口附近較大，送風口布置越密集處速度越大，送風口和排風口緊靠處或送風口與回風口緊靠處速度也較大，而僅有送風口送風作用的以及貨架壁面處速度較小?？梢娛覂?nèi)氣流的分布是送風、回風、排風相互作用的結果，只有合理的布置送風口，回風口及排風口才能實現(xiàn)全場的均勻送風。如果有障礙物時（比如這里的貨架），各風口的布置還得考慮障礙物對氣流流動的阻力。另從高度z=2米的速度云圖可見，當選取散流器垂直方向速度為3m/s的上送風方式時，雖然全場速度分布不勻，但人員的活動范圍內(nèi)的速度都不高，在0.3m/s左右，基本符合熱舒適型空調在夏季室內(nèi)工作區(qū)風速0.3m/s的要求。說明在層高為6米左右的公共場所，送風高度在5米左右時，可以選用散流器送風，只要合理布置各風口還是能實現(xiàn)全流場速度均勻的。

圖3　k=9,Z=2米 速度云圖

圖4 k=9,Z=2米 溫度分布圖

從溫度分布圖4看出超市入口處到后墻的這個中間過道上的溫度分布高，收銀口處溫度最高。沒有布置送風口造成這些地方溫度高，收銀處還有計算機的工作散熱，所以最高，與實際情況一致。風口下和上下兩層建材的空檔部分，氣流通暢，熱交換能充分進行，溫度低。因此從溫度分布的均勻性要求出發(fā)，也希望合理的布置送風口、回風口及排風口。

從圖5和圖6可見，在風口位置圖示顏色最淡，說明風口附近甲醛濃度最低；中間的通道及圖右側圖示顏色最深，說明無風口布置處甲醛濃度最高，風口布置的均勻性嚴重影響著氣流組織分布的均勻性。當考慮有害物源的分布及其散發(fā)的不均勻性、氣流組織及通風的有效性時，圖5顯示當取K=9時，超市內(nèi)大部分區(qū)域滿足甲醛濃度低于0.12mg/m3的標準，但最高值仍較高。根據(jù)超市布置現(xiàn)場知，較高值出現(xiàn)在中間通道以及超市出入口，這與送風口的布置有關，由于建筑結構的緣故，此處風口布置較稀少；圖6顯示當取K=12時，超市內(nèi)甲醛濃度基本都在0.12mg/m3以下，能完全達到現(xiàn)有國家標準。從由此可見，增加通風量和合理的確定排風量或新風比對于改善室內(nèi)空品質是至關重要的。

圖5 k=9,z=2米處室內(nèi)濃度分布圖

圖6 k=12,z=2米處室內(nèi)濃度分布

4　室內(nèi)氣流組織的CFD模擬預測的成果與展望

從數(shù)值模擬的結果來看，計算流體力學CFD在暖通空調領域中的應用是可行的，用數(shù)值計算的方法來模擬室內(nèi)的空氣場，對分析室內(nèi)流場的溫度、速度和濃度分布是一條方便而有效的途徑，預示這些物理量的詳細分布情況，對于保證良好的房間空調系統(tǒng)氣流組織設計方案、提高室內(nèi)空氣品質以及減少建筑物的能耗都有重要意義。

（1）對于用散流器上面送風情況，當送風口高度較大時，送風溫差應大于10K，在15K以上為宜；

（2）本次模擬驗證了空調室內(nèi)氣流的速度、溫度、濃度分布具有很強的類似性，速度高處溫度低，污染濃度小，說明加強動量的傳遞可以加強換熱和污染物的擴散；

（3）模擬結果顯示影響空調房間氣流組織效果的主要因素很多，主要有送（回）風口的位置、送風口的幾何特征、入口參數(shù)、房間幾何形狀、室內(nèi)熱源、污染源等，其中送風口的位置和送風參數(shù)是影響氣流組織的主要因素，相對而言，回（排）風口的大小對室內(nèi)氣流效果的影響較小；

（4）對于上面送風形式的空調系統(tǒng)，送風高度在5米左右時，當選取散流器垂直方向速度為3m/s的上送風方式時，雖然全場速度分布不勻，但人員的活動范圍內(nèi)的速度都不高，只要合理布置各風口還是能實現(xiàn)全流場速度均勻的。

這次CFD模擬預測總的來講還算成功的，但還有些需要完善的地方：

（1）本次模擬了空氣中含有甲醛時的濃度分布，因為甲醛含量只有百萬分之幾，模擬時為尊重事實而取其實際濃度變化，就比百萬分之幾還小，于是圖示變化效果不太明顯；

（2）建議考慮自然對流作用和太陽輻射影響對室內(nèi)溫度場的影響；

（3）室內(nèi)外氣流的相互干擾，活動人員及出入建筑空調區(qū)域的設備材料等對氣流組織的干擾是復雜多變的，難以描述；如果能進行現(xiàn)場實測驗證，對通風空調的數(shù)值計算將有很強的指導意義。

[1] 范存養(yǎng). 以人居健康舒適、環(huán)境保護和能源有效利用為中心的空調技術進展[J]. 暖通空調, 1999, 29 (2) : 26-35.

[2] 徐麗，翁培奮. 空調室內(nèi)氣流組織和空氣品質的數(shù)值研究進展[J]. 上海電力學院學報, 2005,21(3): 286-290.

[3] 馬鐵猶. 計算流體動力學[M]. 北京：北京航空學院出版社，1986.

[4] Gan G. Evaluation of room air distribution systems using computational fluid dynamics[J]. Energy and Buildings,1995,27(2):83-93.

[6] Ni R H.A Multiple Grid Scheme for Solving the Euler Equations[J]. AIAA, 1982, 20(11): 1565-1571.

[7] 孫一堅. 簡明通風設計手冊[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，1997.

[8] 汪秀清，何國庚.裝飾建材超市通風量CFD計算[J].制冷與空調, 2008,22(2):46-49.

Forecast of Air Field in Refurbishing Materials Supermarket

WANG Xiu-qing1, ZHANG Qing-feng2

(1 School of Environment & Urban Construction, Wuhan Textile University, Wuhan Hubei 430073, China; 2 Wuhan Design & Research Institute, China Coal Technology & Engineering Group, Wuhan Hubei 430070, China)

the paper adopts the technology of computational fluid dynamics, numerical simulation to the airflow distribution of a refurbishing materials supermarket, forecasts the indoor temperature, velocity and concentration field. We discovered when the air jet with a diffuser from 5 meters or so in height, the air temperature difference is 15K or more appropriate, when the vertical speed of diffuser is 3m / s , the indoor velocity in the scope of personnel activities comply with the required rate 0.3m / s, when contaminants diffuse, the ventilation safety factor should be not smaller than 9. Also we verified the momentum transfer, heat transfer and mass transfer of the Indoor air has similarity in high degree.

Refurbishing Materials; Supermarket; Air Field; Forecast

TU831

A

1009－5160(2011)03－0079－04

汪秀清（1970-），女，講師，研究方向：室內(nèi)空氣品質和熱學.

湖北省教育廳科研項目（D200717007）；企業(yè)公關“室內(nèi)微氣候的場研究”項目（082277）.