翟大海，趙金輝，張力雋

(1.河南省人防建筑設(shè)計研究院有限公司，河南 鄭州 450004;2.鄭州大學(xué) 化工與能源學(xué)院，河南 鄭州 450001)

0 序言

隨著社會的發(fā)展和人們生活水平的提高，工作居住條件也在不斷改善。許多建筑物都進行了高檔裝修，作為改善建筑環(huán)境重要手段的空調(diào)也廣泛應(yīng)用在體育館、電影院、商場、餐廳等公共建筑和辦公樓、酒店客房及住宅中［1－2］。人們在享受空調(diào)所帶來的舒適感的同時，某些空調(diào)房間的空氣品質(zhì)卻在惡化，無形的對人們的健康造成危害［3－4］。所以，尋找合適的氣流組織形式以滿足舒適性和節(jié)能需求是非常重要的［5］。

本文采用 CFD 軟件 Airpak［6－7］對空調(diào)房間的空氣流動、傳熱和污染等物理現(xiàn)象進行研究，準確地模擬了通風(fēng)系統(tǒng)的空氣流動、空氣品質(zhì)、傳熱、污染和舒適度等問題，并依照ISO7730標準［8］對舒適度、速度、溫度等衡量室內(nèi)空氣質(zhì)量(IAQ)的技術(shù)指標進行了評價。減少了設(shè)計成本，降低了設(shè)計風(fēng)險，縮短了設(shè)計周期。

1 物理和數(shù)學(xué)模型

1.1 物理模型及邊界條件

本文選擇鄭州某一辦公室為模擬對象，根據(jù)《采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》建立物理模型并確定了模型的相關(guān)熱工參數(shù)。采用CFD軟件Airpak對空調(diào)房間的四種典型送回風(fēng)方式進行模擬，得出室內(nèi)溫度場、速度場、空氣齡和人體熱舒適性等參數(shù)的模擬圖。其中四種送回風(fēng)方式分別為:同側(cè)上送下回方式、對側(cè)上送下回方式、同側(cè)下送上回方式和對側(cè)下送上回方式(如圖1～4)。

圖1 同側(cè)上送下回式

本模型的圍護結(jié)構(gòu)為定熱流邊界，送風(fēng)口設(shè)定相應(yīng)的送風(fēng)速度、溫度和相對濕度，回風(fēng)口為自由出流邊界。具體模型參數(shù)和邊界條件如表1～3所示。

表1 模型幾何參數(shù)

圖2 對側(cè)上送下回式

圖3 同側(cè)下送上回式

圖4 對側(cè)下送上回式

表2 材料參數(shù)表

表3 模型的邊界條件類型

1.2 數(shù)學(xué)模型及數(shù)值計算方法

(1)空調(diào)房間的室內(nèi)流場是一個三維、非穩(wěn)態(tài)、不可壓的湍流流動傳熱傳質(zhì)過程。對室內(nèi)空氣場建立標準 k- ε 控制方程組［9－10］。

式中 ρ——空氣密度/m3·kg－1;

k——湍流動能;

t——時間/s;

υ——空氣速度/m·s－1;

x——空間坐標/m;

u——比內(nèi)能/J·kg－1·s－1;

σk——湍流動能k對應(yīng)的普朗特數(shù);

σε——耗散率ε對應(yīng)的普朗特數(shù);

ε——耗散率;

μt——湍流粘性系數(shù)/kg·m－1·s－1;

p——壓強/Pa;

T——溫度/℃;

c1、c2——常數(shù);

cp——定壓比熱/J·℃－1;

λ——導(dǎo)熱系數(shù)/W·m－1·℃－1;

Gk——由于平均速度梯度引起的湍動能k的產(chǎn)生項;

Gb——由于浮力引起的湍動能k的產(chǎn)生項;

YM——可壓湍流中脈動擴張的貢獻;

Sk、Se——源項。

各常系數(shù)采用 Launder推薦的數(shù)值［11］:cμ=0.09，σk=1.0，σε=1.3，c1=1.44，c2=1.92。

(2)為簡化做以下假設(shè)［12］:①室內(nèi)氣體為連續(xù)性介質(zhì);②室內(nèi)流場為定常流;③氣體視為不可壓縮。

(3)網(wǎng)格劃分:采用六面體網(wǎng)格。對個別需要細劃網(wǎng)格的部位進行自定義劃分網(wǎng)格。

(4)離散方法采用有限體積法［13］。

(5)收斂標準的確定:能量方程的殘差小于10－6，其余方程的殘差小于10－3［14］。

2 四種不同模型模擬結(jié)果的比較和分析

圖5 Z=－2.2剖面同側(cè)上送下回速度場示意圖

圖6 Z=－2.2剖面對側(cè)上送下回速度場示意圖

圖7 Z=－2.2剖面同側(cè)下送上回速度場示意圖

圖8 Z=－2.2剖面對側(cè)下送上回速度場示意圖

2.1 速度場分析

由圖5～8可以看出，采用同側(cè)上送下回方式時工作區(qū)風(fēng)速小且分布均勻，不會產(chǎn)生吹風(fēng)感，舒適性好;采用對側(cè)上送下回方式時工作區(qū)風(fēng)速較小，人體感到舒適，但房間氣流并沒有形成很大的渦流區(qū)，送風(fēng)與室內(nèi)空氣混合不充分;采用下送上回方式時送風(fēng)口附近風(fēng)速較大，工作人員腳下有吹風(fēng)感［15］。

2.2 溫度場分析

由圖9～12可以看出，采用同側(cè)上送下回方式時大部分工作區(qū)域的溫度在22～24℃之間且分布均勻，人體感覺舒適;采用對側(cè)上送下回方式時工作區(qū)溫度分布均勻但溫差較同側(cè)上送下回方式稍大一些;采用下送上回方式時，由于送風(fēng)為冷風(fēng)，故送風(fēng)口附近的工作區(qū)溫度低，腳底有吹冷風(fēng)的感覺。

圖9 Z=－2.2剖面同側(cè)上送下回溫度場示意圖

圖10 Z=－2.2剖面對側(cè)上送下回溫度場示意圖

圖11 Z=－2.2剖面同側(cè)下送上回溫度場示意圖

圖12 Z=－2.2剖面對側(cè)下送上回溫度場示意圖

2.3 平均空氣齡分析

圖13 Z=－2.2剖面同側(cè)上送下回平均空氣齡示意圖

圖14 Z=－2.2剖面對側(cè)上送下回平均空氣齡示意圖

圖15 Z=－2.2剖面同側(cè)下送上回平均空氣齡示意圖

圖16 Z=－2.2剖面對側(cè)下送上回平均空氣齡示意圖

空氣齡是評價空氣品質(zhì)的重要指標，空氣齡越小，空氣品質(zhì)則越好。由圖13～16可以看出，采用上送下回方式時送風(fēng)氣流不直接進入工作區(qū)，工作區(qū)空氣齡較大，室內(nèi)回旋氣流內(nèi)的污濁空氣較難快速排出，空氣品質(zhì)差;采用下送上回方式時，由于送入的新鮮空氣直接進入工作區(qū)，而不需要先與房間內(nèi)的污染空氣混合，因此工作區(qū)的空氣齡較小，空氣最新鮮。

2.4 空氣粒子運動軌跡分析

由圖17～20可以看出，采用同側(cè)送回風(fēng)方式時可以形成一個大渦旋，空氣粒子的運動軌跡較長，新鮮空氣可以較好的充滿房間的每個角落，死角較少;采用對側(cè)送回風(fēng)方式時空氣粒子的運動軌跡相對較短，新鮮空氣不能較好的充滿房間的每個角落，死角多。

圖17 同側(cè)上送下回空氣粒子運動軌跡三維示意圖

圖18 對側(cè)上送下回空氣粒子運動軌跡三維示意圖

圖19 同側(cè)下送上回空氣粒子運動軌跡三維示意圖

圖20 對側(cè)下送上回空氣粒子運動軌跡三維示意圖

2.5 PMV(人體舒適指標)和PPD(預(yù)期不滿意百分率)分析

由圖21～28可以看出，采用上送下回方式時大部分工作區(qū)PMV值在－0.5～+0.5范圍內(nèi)，PPD值在10%以內(nèi)，人體感覺舒適;采用下送上回方式時大部分工作區(qū)PMV值在－1～+1之間，PPD值在10%以內(nèi)，但由于下部送風(fēng)口處風(fēng)速較大，腳底會有吹冷風(fēng)的感覺(送風(fēng)口處PMV值在－2～－1之間，PPD值在37.5%左右)，人體感覺較涼。

圖21 Z=－2.2剖面同側(cè)上送下回PMV示意圖

圖22 Z=－2.2剖面對側(cè)上送下回PMV示意圖

圖23 Z=－2.2剖面同側(cè)下送上回PMV示意圖

圖24 Z=－2.2剖面對側(cè)下送上回PMV示意圖

圖25 Z=－2.2剖面同側(cè)上送下回PPD示意圖

圖26 Z=－2.2剖面對側(cè)上送下回PPD示意圖

3 總結(jié)

(1)從以上的模擬結(jié)果和分析可知:采用相同的送風(fēng)參數(shù)，不同的氣流組織，室內(nèi)的溫度場分布，速度場分布，人體舒適感和空氣品質(zhì)等都有很大差異;

圖27 Z=－2.2剖面同側(cè)下送上回PPD示意圖

圖28 Z=－2.2剖面對側(cè)下送上回PPD示意圖

(2)對于溫度場分布、速度場分布:同側(cè)上送下回的送風(fēng)方式可以獲得較理想的溫度場、速度場，下送上回的送風(fēng)方式溫度場、速度場分布較差;

(3)對于人體熱舒適感(PMV、PPD):上送下回的送風(fēng)方式人體感覺較舒適;

(4)對于空氣品質(zhì):下送上回的送風(fēng)方式空氣最新鮮，空氣品質(zhì)最好，上送下回的送風(fēng)方式使污濁空氣較難快速排出，空氣品質(zhì)差;

(5)空氣運動軌跡:同側(cè)送回風(fēng)時可以形成較大的渦旋，空氣運動軌跡長，新空氣可較好的充滿房間的每個角落，死角少。

綜上所述，同側(cè)送回風(fēng)方式優(yōu)于對側(cè)送回風(fēng)方式，而在同側(cè)送回風(fēng)方式中，同側(cè)上送下回式以其工作區(qū)速度、溫度分布均勻，人體舒適感好，房間新空氣充足、死角少等諸多優(yōu)點而略優(yōu)于同側(cè)下送上回送風(fēng)方式。所以，經(jīng)綜合分析，同側(cè)上送下回方式的空調(diào)房間的空氣環(huán)境最好，人體感覺最為舒適。

［1］陳愛玲，等.空調(diào)房間氣流組織的初步探討［J］.流體機械，2002，24(9):51 －55.

［2］和麗虎，羅卓英，曠金玉，等.會議室空調(diào)氣流組織形式的數(shù)值模擬研究［J］.節(jié)能技術(shù)，2012，30(2):111 －114.

［3］朱利凱，胡敬寧，張軍輝，等.基于流固耦合的化容補水泵性能分析［J］.熱能動力工程，2012，27(4):483 －488.

［4］嚴禎榮，韓軍，仝慶華，等.低流量煤粉穩(wěn)燃燃燒器內(nèi)回流特性研究［J］.熱能動力工程，2012，27(3):318 －323.

［5］姚林，彭小勇，劉振昊.不同氣流組織下空調(diào)客房熱舒適性的數(shù)值模擬［J］.制冷與空調(diào)，2012，6(1):101－106.

［6］王寧璧，劉凱鋒，劉志聲.青藏±400 kV格爾木換流站內(nèi)直流場廠房屋面結(jié)構(gòu)型式論證［J］.電網(wǎng)與清潔能源，2012，28(9):37 －40.

［7］ISO.7730.Moderate thermal environments－ determination of thePMV and PPD indices and specification of the conditions for thermal comfort［S］.1984.

［8］鐘武.夏季辦公室空調(diào)房間氣流組織的數(shù)值模擬［J］.制冷與空調(diào)，2011，25(3):302 －306.

［9］袁東升，田慧玲，高建成.氣流組織對空調(diào)房間空氣環(huán)境影響的數(shù)值模擬［J］.建筑節(jié)能，2008(9):9－13.

［10］Weiran Xu，Qingyan Chen.A Two － layer Turbulence Model for Simulating Indoor Airflow Part 2:Applications［J］.Energy and Buildings.2001，69(33):627 －639.

［11］孔瓏.流體力學(xué)［M］.北京:高等教育出版社，2000:84－86.

［12］王福軍.計算流體力學(xué)分析:CFD軟件原理及應(yīng)用［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2004:97－121.

［13］范存養(yǎng).大空間建筑空調(diào)建造課題世界及工程實錄［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2001:85－86.

［14］Straube JF.Moisture in buildings.ASHRAE Journal 2002，(1):15 －19.

［15］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［J］.空氣動力學(xué)報，2003，21(3):10－14.