朱林軍 鄒惠芬
沈陽(yáng)建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院(110168)
根據(jù)調(diào)查,人一天之中僅有20%的時(shí)間在室外,其余時(shí)間都在室內(nèi)活動(dòng);室內(nèi)環(huán)境的好壞,時(shí)刻影響著室內(nèi)熱舒適性的好壞,進(jìn)而影響著人們的身心健康[1]。
圖1 室內(nèi)環(huán)境構(gòu)成及影響
如圖1 所示,室內(nèi)環(huán)境受聲環(huán)境、光環(huán)境、空氣環(huán)境和電磁環(huán)境的綜合影響。其中,光、聲環(huán)境主要影響人們的最直接的心理感受;電磁環(huán)境屬于動(dòng)態(tài)電磁輻射場(chǎng),通常對(duì)人的影響不大;空氣環(huán)境是影響室內(nèi)熱環(huán)境最直接的因素,它反映著室內(nèi)空氣環(huán)境的熱物理參數(shù),諸如人們對(duì)溫度、風(fēng)速等的直觀感受[2]。室內(nèi)空氣品質(zhì)及空氣的熱物性直接影響著人們的身體健康[3]。當(dāng)前,人們對(duì)室內(nèi)空氣環(huán)境的要求也日益提高,不同的氣流組織形式對(duì)室內(nèi)空氣環(huán)境的影響也不同,因此文章采用CFD 模擬軟件對(duì)常見(jiàn)的氣流組織形式進(jìn)行模擬,以探究其在室內(nèi)空氣環(huán)境中的作用及影響。
氣流組織形式的選擇取決于送風(fēng)口和回風(fēng)口位置、送風(fēng)口形式等因素。其中送風(fēng)口的位置和形式等是氣流組織的主要影響因素[4]。典型住宅的氣流組織形式主要有四種:①上側(cè)送、同側(cè)下回,如圖2 所示;②上側(cè)送、對(duì)側(cè)下回,如圖3 所示;③下側(cè)送、同側(cè)上回,如圖4 所示;④下側(cè)送、對(duì)側(cè)上回,如圖5 所示。
圖2 上側(cè)送、同側(cè)下回
圖3 上側(cè)送、對(duì)側(cè)下回
一側(cè)送、同側(cè)回的氣流組織形式(圖2 和圖4),會(huì)使得室內(nèi)大部分的空間處在回流區(qū)。自一側(cè)送風(fēng)口送入的新風(fēng)可以與室內(nèi)的空氣充分混合,并且室內(nèi)的污染物濃度和溫度分布比較均勻,回風(fēng)可以很好地帶走室內(nèi)的污染物; 但在送回風(fēng)口對(duì)側(cè)的上下部可能會(huì)形成兩個(gè)送風(fēng)死角。通風(fēng)效率EV和溫度ET效率約等于1;但換氣效率ηa約等于0.5,比較低。
圖4 下側(cè)送、對(duì)側(cè)上回
圖5 下側(cè)送、同側(cè)上回
一側(cè)送、對(duì)側(cè)回的氣流組織形式(圖3 和圖5),會(huì)使得室內(nèi)大部分的空間處在渦流區(qū);相較于一側(cè)送、同側(cè)回的氣流組織形式,在同等條件下,室內(nèi)大部分區(qū)域的污染物排除能力較低,通風(fēng)效率EV<1。這一類(lèi)氣流組織形式的射流速度不宜過(guò)大,應(yīng)避免送風(fēng)射流達(dá)到對(duì)側(cè)墻。
圖6 典型住宅模型
為了探究住宅內(nèi)部氣流分布規(guī)律,建立典型住宅內(nèi)部的流體傳輸過(guò)程的物理模型,進(jìn)行CFD 數(shù)值模擬。其中典型住宅模型的具體規(guī)格如圖6 所示,模型尺寸為:開(kāi)間x=5 m,進(jìn)深y=4 m,層高z=3 m,總?cè)莘e為150 m3; 其中四個(gè)風(fēng)口置于進(jìn)深中線上,尺寸均為900 mm×150 mm。上側(cè)回、同側(cè)下回時(shí)選擇風(fēng)口1、2;上側(cè)回、對(duì)側(cè)下回時(shí)選擇風(fēng)口1、4;下側(cè)回、同側(cè)上回時(shí)選擇風(fēng)口2、1;下側(cè)回、對(duì)側(cè)上回時(shí)選擇風(fēng)口2、3。模擬時(shí)關(guān)閉門(mén)窗。
為方便建立模型及求解,做出以下合理假設(shè):
①送風(fēng)口送入的空氣及室內(nèi)空氣均為不可壓縮理想氣體;②流體為穩(wěn)態(tài)的湍流;③材料物性為常數(shù),除濕溫度分布均勻;④模擬時(shí)門(mén)窗關(guān)閉;⑤不考慮氣體的滲透作用。
根據(jù)以上假設(shè),得出描述典型住宅內(nèi)部環(huán)境的數(shù)學(xué)模型。
連續(xù)性方程:
動(dòng)量方程:
能量方程:
RNG k-ε 模型方程:
式中:ui為i 方向上的速度分量,m/s;ρ為 流體密度,kg/m3;t為流體溫度,℃;Gb為浮力和升力共同產(chǎn)生的湍流動(dòng)能;C1ε、C2ε、C3ε為常數(shù),C1ε=1.42,C2ε=1.68;當(dāng)G與τ主流方向一致時(shí),C3ε=1,否則C3ε=0。
不同的氣流組織形式會(huì)在室內(nèi)形成不同的氣流分布特性,不同的氣流分布特性對(duì)室內(nèi)空氣品質(zhì)產(chǎn)生著影響,進(jìn)而影響人們的舒適度甚至身心健康。利用CFD 軟件ANSYS Fluent15.0 模擬計(jì)算上述模型室內(nèi)的氣流分布特性,以此來(lái)比較四種方式的特點(diǎn)。
圖7 為四種氣流組織形式模擬完成、條件穩(wěn)定后的室內(nèi)溫度分布圖,圖8 為四種氣流組織形式模擬完成、條件穩(wěn)定后的室內(nèi)速度分布圖,圖9 為四種氣流組織形式模擬完成、條件穩(wěn)定后的室內(nèi)流線圖;圖中對(duì)應(yīng)的四種氣流組織形式依次為:①上側(cè)送、同側(cè)下回;②上側(cè)送、對(duì)側(cè)下回;③下側(cè)送、同側(cè)上回;④下側(cè)送、對(duì)側(cè)上回。
圖7 顯示:待條件穩(wěn)定后,四種氣流組織形式的室內(nèi)溫度分布情況大體相同。這是由于經(jīng)過(guò)足夠長(zhǎng)的時(shí)間后,自送風(fēng)口送入的新風(fēng)已經(jīng)使得室內(nèi)的溫度分布變得均勻,不再因?yàn)樗惋L(fēng)方式的不同而產(chǎn)生差異。
圖7 室內(nèi)溫度分布
圖8 顯示:“上側(cè)送、對(duì)側(cè)下回”和“下側(cè)送、同側(cè)上回”的氣流組織形式在房間的中部會(huì)形成很大范圍的低流速區(qū),說(shuō)明送風(fēng)口的風(fēng)可能很少流經(jīng)此區(qū)域;而“上側(cè)送、同側(cè)下回”和“下側(cè)送、對(duì)側(cè)上回”的氣流組織形式的低流速區(qū)要小于前兩者,說(shuō)明這兩種氣流組織形式要好于前兩種。
圖8 室內(nèi)速度分布
圖9 顯示:“上側(cè)送、同側(cè)回”的室內(nèi)流線分布要比“上側(cè)送、對(duì)側(cè)回”的均勻,并且形成的渦流很??;“下側(cè)送、對(duì)側(cè)回”的室內(nèi)流線分布要比“下側(cè)送、對(duì)側(cè)回”的均勻。
圖9 室內(nèi)流線分布
經(jīng)過(guò)模擬分析,得出以下結(jié)論:
1)就氣流組織形式而言,“上側(cè)送、同側(cè)下回”好于“上側(cè)送、對(duì)側(cè)下回”,“下側(cè)送、對(duì)側(cè)上回”好于“下側(cè)送、同側(cè)上回”,可以使得送入的風(fēng)與室內(nèi)空氣混合充分,并且使得房間大部分區(qū)域處在低流速區(qū),溫濕度適宜。
2)上側(cè)送風(fēng)方式在送熱風(fēng)(風(fēng)的溫度高于室內(nèi)環(huán)境溫度)時(shí)好于下側(cè)送風(fēng)方式;下側(cè)送風(fēng)方式在送冷風(fēng)(風(fēng)的溫度低于室內(nèi)環(huán)境溫度)時(shí)好于上側(cè)送風(fēng)方式。
3)對(duì)于室內(nèi)環(huán)境較差的情況,不建議采用“一側(cè)送、對(duì)側(cè)回”的氣流組織形式。