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1、气流组织对室内空气环境质量影响的数值模拟湖南大学土木工程学院 焦俊军 龚光彩 邵春生摘要：室内空气环境包括室内热湿环境和室内空气品质，而合理的气流组织是实现室内热湿环境和保证空气品质的最终环节。本文采用CFD方法，应用Airpak软件，针对常见的办公室环境，分别对置换通风、顶送下回两种不同送回风方式下的速度场、温度场、污染物浓度分布、PMV-PPD分布等进行模拟计算，并对模拟结果进行分析，得出结论：置换通风在速度场、温度场及热舒适性方面优于顶送下回方式，但当污染源位置较低时，置换通风方式对污染物的控制效果弱于顶送下回方式。因此，在保证室内空气环境质量的工程设计中，并不存在普遍意义的最佳方案，须
2、针对具体工况，设计合理的气流组织。关键词：气气流组织织 热舒适适 室内空空气品质质 CCFD数数值模拟拟Numerricaal SSimuulattionn offthee Innfluuencce oof AAir Disstriibuttionn onn Inndooor AAir Envviroonmeent QuaalittyCivill EnnginneerringgColllegge oof HHunaanUnniveersiityJJiaoo Junjjun Gonng GGuanngcaai SShaoo ChhunsshenngAbstrractt: Thhe aair di
3、sstriibuttionn iss thhe ffinaal llinkkof tthe inddoorr aiir eenviironnmennt iinclludiing thee thhermmal andd huumiddityy ennvirronmmentt annd tthe inddoorr aiir qquallityy. BBy tthe nummeriicall siimullatiion metthodd wiith CFDD Aiirpaaksooftwwaree, ccalcculaatedd thhe vveloocitty, temmperratuure,po
4、llluttionn coonceentrratiion andd PMMV-PPPDddisttribbutiion in thee noormaal ooffiicessundder diffferrentt moodess off aiir ffloww orrgannizaatioon ssuchh ass reeplaacemmentt veentiilattionn annd ttop-suppplyyingg wiith dowwn-eexhaausttingg aiir ddisttribbutiion, annd ddrew soome conncluusioons thha
5、ttthe vellociity, teempeerattureedisstriibuttionn annd ttherrmall coomfoortoof rrepllaceemennt vventtilaatioonwaas ssupeerioor tto tthatt offthee toop-ssuppplyiing witth ddownn-exxhauustiing airr diistrribuutioon, butt thhe ppolllutaant conntroolwaas iinfeerioor iif tthe pollluttionn soourcce wwas a
6、t thee loow pposiitioon. Connseqquenntlyy, thheree issntt a uniiquee deesiggn sscheemessuittablle ffor anyy prractticaal pprojjectts tto oobtaain higgh iindooor air enviironnmennt qquallityy, aand its eesseentiial to connsiddertthe speeciffic conndittionns iin oordeer tto oobtaain thee opptimmal aai
7、r disstriibuttionn.Key wwordds: Aiir ddisttribbutiion, Thhermmal commforrt, Inddoorr aiir qquallityy, CCFD,Nummeriicall siimullatiion1.前言室内空气环环境包括括室内热热湿环境境和室内内空气品品质，而而合理的的气流组组织是实实现室内内热湿环环境和保保证空气气品质的的最终环环节。气气流组织织受到各各种因素素影响，揭示其其分布规规律比较较困难。传传统做法法是通过过模型实实验，得得出经验验或半经经验公式式，然后后在这些些公式基基础上进进行气流流组织计计算。这这样不仅仅耗
8、费人人力、物物力，而而且受模模型实验验的条件件限制，有有时难以以模拟出出复杂空空间流动动的全部部特征，同同时由于于实验条条件不同同，得出出的公式式也各异异，因此此局限性性很大。研研究合理理的房间间气流组组织数值值模拟方法法成为进进行高性性能房间间空调设设计的必必然趋势势。本文文探讨房房间气流流组织的的数值模模拟，对对数值计计算结果果进行分分析，得得出结论论，以期期能为实实际暖通通空调工工程设计计提供理理论参考考及科学学依据。2.气流组组织及其其评价指指标空调房间气气流分布布形式取取决于送送排风口型型式及其其布置方方式。常常见的通风风形式有有上送下下回、上上送上回回、下送送上回、中中送风等等。上
9、送送下回送送风气流流不能直直接进入入工作区区，所以以有较长长的与室室内空气气混掺的的距离，能能够形成成较均匀匀的速度度场、温度场场和浓度度场；上送上上回方式式的特点点是可将送送(排)风管道道集中于于空间上上部，异异侧上送送上回方方式可设设置吊顶顶，使管管道成为为暗装；下送上上回送风风方式要要求送风风温差较较低，并并控制工工作区的的风速，但因为为其排风风温度高高于工作作区温度度，所以以下送上上回有一一定的节节能效果果；在某某些高大大空间内内，若实实际工作作区在下下部，则则气流组组织只需保证证工作区区的温、湿湿度的要要求，采采用中送送风方式式，可节节省能耗耗。气流流组织的的任务就就是合理理地组织织
10、室内空空气的流流动，使使室内空空气的温温度、湿湿度、流流速等能能更好地地满足工工艺要求求和符合合人体的的热舒适感感。对舒舒适性空空调来说说，常见见的气流流组织评评价指标标有空气气年龄和和换气效效率、通通风效率率、空气气分布特特性指标标、能量量利用系系数等。3.室内空空气环境境的含义义及影响响因素分分析室内空气环环境是人人们生活活和工作作中最重重要的环环境之一一。室内内空气环环境主要要由热环环境、湿湿环境和和空气品品质等部部分构成成。良好好的室内内空气环环境应是是一个为为大多数数室内成成员认可可的舒适适的热湿湿环境，能能够为室室内人员员提供新新鲜宜人人，激发发活力并并且对健健康无负负面影响响的高
11、品品质空气气，以满满足人体体热舒适和和健康的的需要。在在ASHHRAEE标准中中，人体体热舒适适定义为人人对热湿湿环境表表示满意意的意识识状态。四个环境因素和两个人体因素影响人体热舒适。四个环境因素包括空气温度、相对湿度、室内维护结构内表面平均温度以及气流速度，两个人体因素为人体能量代谢率和人体服装热阻。室内空气品质受到多方面的影响和污染，按照性质差异可分为三类，第一类是化学的，主要来自房屋装修、室内设备、杀虫喷雾剂、厨房油烟等，其主要成分是挥发性有机化合物(VOA)如甲醛、甲苯、醋酸乙酯等和无机化合物如氨、CO、CO2等；第二类是物理的，包括悬浮颗粒、烟雾、核辐射、电磁辐射等；第三类是生物的
12、，有螨虫、细菌、真菌、病毒等，其主要来源有地毯、毛绒玩具、被褥、居室加湿器、鱼缸水以及不卫生的空调设备等等。4.数值模模拟的理理论与方方法计算流体力力学(简简称CFFD)是是始于二二十世纪纪三十年年代初的的计算机机模拟技技术，它它集流体体力学、数数值计算算方法以以及计算算机图形形学于一一体，如如今己经经在各个个相关领领域得到到广泛的的应用。CCFD软软件通常常包括三三个模块块：前处处理 (Preeproocesssinng) 模块、求求解(CCompputeeanrresuult)模块以以及后处处理( PosstPrroceessiing )模块块。流体体流动控制制方程有有质量、动动量、能能量
13、以及及组分质质量守恒恒方程，各控制制方程都都可以表表示成如如下通用用形式：(1)式中，为为通用变变量，可可以代表表u、v、w、T等求解解变量；为广义义扩散系系数；SS为广义义源项。上述方程组未知数多于方程数，为使方程组在数学上为封闭，引入工程问题中应用最为广泛的湍流模型，增加了k方程和方程：k方程： (2)方程： (3)式中，是由由于平均均速度梯梯度引起起的湍动动能k的产生生项，是是由于浮浮力引起起的湍动动能k的产生生项，代代表可压压湍流中中脉动扩扩张的贡贡献，、为经验验常数，和分别是与湍动能k和耗散率对应的Prandt1数，和是用户定义的源项。5.不同送送风方式式的数值值模拟图1模拟对象的物
14、理模型本文所研究究的对象象为普通通办公室室。房间间为标准准的长方方体，长长5米，宽宽为3.4米，高高为2.7米，南外墙墙传热系系数为11.577w/(m2.k)，南外外窗传热热系数为为4.552w/(m22.k)。室内适适当位置置布置一一台功率率为2000W打打印机，一台功率率为1000W计计算机，打印机机前有一一站立的的工作人人员，计计算机前前有一坐坐着的工工作人员员，工作作人员是是内热源源，每人人发热量量约为1000W。打印机是室内的污染源，有三个小面积散发挥发性有机化合物苯，散发速率为0.833m/s。因为本文着重对写字楼、住宅等民用建筑的室内空气环境的模拟，所以可以认为，所选取的模型能
15、体现此类建筑的特征，并有一定的代表性。建立的模型如图1所示。本论文的模模拟计算算采用传传统的CCFD方方法对风风口进行行描述，即即将送回风口当当作一个个简单的的开口。送、回回风口的的位置、尺尺寸及送送、回风风速度、温温度及浓浓度参数数由不同同送回风风方式按按空调设设计规范范决定。根根据这种种要求，设设计的送送回风方方案见表表2。表2送回风风方案送风口及尺尺寸回风口及尺尺寸送风温度KK送风速度(x,yy,z)m/ss置换通风风口1(00.8mm0.55m)风口4(00.8mm0.55m)293(0,0,-2)顶送下回风口3(00.4m0.4m)风口1(00.4m0.4m)291(2,-11,-22)对给定房间间内上述述两种送回回风方案案进行模模拟，并并绘出有有代表性性截面的的速度场场、温度度场、浓浓度场等等截面图图，如图图2至图图9所示。其其中，代代表性截截面X=1.77m是房房间的垂垂直对称称面并且且通过站站立与坐坐着的工工作人员员。图2 置换换通风速速度矢量量图 图图3 顶顶送下回回速度矢矢量图图4 置换换通风温温度分布布图 图5 顶送送下回温温度分布布图图6 置换换通风污污染物浓浓度分布布图 图图7 顶送送下回污污染物浓浓度分布布图6.结论 置换通风能能为人员员活动区区域创造造较理想想的速度度场、温温度场。即即使室内内有集中中的热源源，置换换通风空空调方式式也能在空空调
