楊忠國，郭勝杰，郭志龍

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院，大慶 163319）

目前，人們的生活質(zhì)量在不斷提高，對(duì)室內(nèi)居住環(huán)境和工作環(huán)境的舒適度及空氣品質(zhì)的要求也越來越高，這對(duì)建筑物的通風(fēng)及空氣調(diào)節(jié)提出了嚴(yán)格的要求。70年代全球能源危機(jī)后，空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能作為建筑節(jié)能的一個(gè)重要方面越來越受到人們重視，廣大學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，一種全新的、健康的、節(jié)能的置換通風(fēng)方式逐漸取代了陳舊的、渾噩的、浪費(fèi)的混合通風(fēng)方式。

1 混合通風(fēng)與置換通風(fēng)簡介

混合通風(fēng)與置換通風(fēng)是兩種不同的氣流組織形式，混合通風(fēng)利用送風(fēng)射流的誘導(dǎo)作用，通過房間的熱濕負(fù)荷，把處理好的空氣從房間頂部的送風(fēng)口送入，射流而出的新鮮空氣帶動(dòng)周邊的污濁空氣不斷地形成旋轉(zhuǎn)的渦流，在旋轉(zhuǎn)的渦流中進(jìn)行熱濕交換[1]。由于混合通風(fēng)送風(fēng)口處于房間頂部，所以需要很大的送風(fēng)速度才能送達(dá)工作區(qū)，造成能源的浪費(fèi)，人們呼入的空氣品質(zhì)也是送入的新風(fēng)和室內(nèi)原有污濁空氣混合而成的，對(duì)人的健康也會(huì)造成一定的影響。而置換通風(fēng)則是把處理好的新鮮空氣從地面或者靠近地面的送風(fēng)口送入到呼吸區(qū)，使得工作區(qū)的空氣品質(zhì)最優(yōu)良，人們呼入的空氣最新鮮。由于置換通風(fēng)是下送風(fēng)方式的一種，送風(fēng)口末端裝置一般分布在地面或靠近地面，送風(fēng)速度極低，房間頂部設(shè)置排風(fēng)口，新風(fēng)被加熱后上升逐漸變成污濁空氣從房間頂部排出，于是置換通風(fēng)就在室內(nèi)形成了低速、溫度和污染物濃度分層分布的流場，從而具有較高的通風(fēng)效率[2]。

2 建模與模型的簡化

2.1 物理模型及邊界條件的設(shè)定

以一間長3.5 m，寬8.5 m，高3.4 m 的辦公室為模擬對(duì)象，房間形狀見圖1。邊界條件為圍護(hù)結(jié)構(gòu)（四面墻壁、天花板和地板）均設(shè)為定溫條件，速度進(jìn)口，自由出流，桌椅邊界為絕熱，人體四周定熱流、人頭定污染源質(zhì)量流計(jì)算，燈和電腦按定熱流密度計(jì)算，空氣假設(shè)為不可壓縮流體計(jì)算。

圖1 模擬房間的物理模型Fig.1 Physical model of simulation room

2.2 數(shù)學(xué)模型

理想流體流動(dòng)遵循能量守恒、動(dòng)量守恒和質(zhì)量守恒三大定律。相應(yīng)的方程在直角坐標(biāo)系中可表示如下[3-6]：

能量方程：

動(dòng)量方程：

質(zhì)量守恒方程：

3 模擬對(duì)比

為體現(xiàn)出置換通風(fēng)與混合通風(fēng)的區(qū)別，采用相同送風(fēng)溫度T=294K 和送風(fēng)速度v=0.15 m·s-1對(duì)二者進(jìn)行比較，污染物以CO2為代表。

3.1 送風(fēng)溫度場的模擬

圖2 混合通風(fēng)x=1.65 m 溫度分布等值線圖（K）Fig.2 Temperature contour map of mixed ventilation x=1.65m

圖3 置換通風(fēng)x=1.65m 溫度等值線圖（K）Fig.3 Temperature contour map of displacement ventilation x=1.65m

3.2 送風(fēng)污染物CO2 濃度場的模擬

圖4 混合通風(fēng)x=1.65 m CO2 質(zhì)量百分濃度分布等值線圖Fig.4 CO2 mass percent concentration contour map of mixed ventilation x=1.65m

圖5 置換通風(fēng)x=1.65m CO2 質(zhì)量百分濃度等值線圖Fig.5 CO2 concentration contour map of displacement ventilation x=1.65m

圖6 置換通風(fēng)與混合通風(fēng)溫度比較圖Fig.6 Comparison graph between displacement ventilation and mixed ventilation

圖7 置換通風(fēng)與混合通風(fēng)CO2 質(zhì)量百分濃度比較圖Fig.7 Comparison graph of CO2 mass percent concentration between displacement ventilation and mixed ventilation

4 結(jié)果分析

通過對(duì)兩種不同通風(fēng)方式的模擬比較，可以看出：

（1）混合通風(fēng)頂部送風(fēng)口位置溫度最低，從地面到屋頂溫度逐漸降低，死角容易發(fā)生在房間底部角落這些誘導(dǎo)氣流到達(dá)不了的地方，這些死角區(qū)域溫度最高。置換通風(fēng)底部送風(fēng)口處溫度最低，從屋頂?shù)降孛鏈囟戎饾u降低，死角則出現(xiàn)在房間頂部的非工作區(qū)域內(nèi)，溫度分布比較合理。

（2）從溫度梯度角度分析，置換通風(fēng)的溫度梯度在水平方向比較小，相對(duì)而言比較合理，而混合通風(fēng)在水平方向的溫度梯度則非常大，很不合理；工作區(qū)豎直方向的溫度梯度方面，置換通風(fēng)在工作區(qū)梯度較大，下冷上熱，比較合理?；旌贤L(fēng)工作區(qū)的溫度梯度非常小，溫度較高，不合理。

（3）從污染物濃度方面分析，從地面到房頂，混合通風(fēng)污染物濃度逐漸減小，這是因?yàn)榛旌贤L(fēng)新風(fēng)口在屋頂，所以工作區(qū)的空氣是熱濕混合的污濁空氣，工作人員呼入的空氣品質(zhì)較差；從地面到房頂，置換通風(fēng)污染物濃度逐漸增大，這是因?yàn)橹脫Q通風(fēng)新風(fēng)口處于地面附近，工作區(qū)的空氣品質(zhì)優(yōu)良，比較合理。

（4）置換通風(fēng)比混合通風(fēng)具有更好的熱舒適性。若在相同參數(shù)下想達(dá)到置換通風(fēng)的效果，就需要減小混合通風(fēng)的送風(fēng)溫度或增大其送風(fēng)速度，這樣能耗勢必要增加，經(jīng)濟(jì)性必然會(huì)受到影響，同時(shí)又可能會(huì)產(chǎn)生人員不舒適的“吹風(fēng)感”。

［1］楊忠國.置換通風(fēng)空調(diào)室內(nèi)空氣品質(zhì)的數(shù)值模擬研究［D］.鞍山：遼寧科技大學(xué)，2009.

［2］崔浩朋，劉洋，趙寧.大型矩形混凝土渡槽運(yùn)行期太陽輻射溫度場模擬研究［J］.河南科技學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2014，42（1）：67-72.

［3］于海明，楊忠國，王海波，等.流體力學(xué)［M］.哈爾濱：地圖出版社，2008.

［4］王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析—CFD 軟件原理與應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2004.

［5］韓占忠，王敬，蘭小平.FLUENT 流體工程仿真計(jì)算實(shí)例與應(yīng)用［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2004.

［6］楊忠國，鄭鑫，解恒燕.計(jì)算流體力學(xué)湍流模型在噴管流場數(shù)值模擬中的比較［J］.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，22（5）：36-38.