張春陽(yáng),林 豹

(沈陽(yáng)建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院,沈陽(yáng)110168)

1 研究概況

中學(xué)教室作為人員相對(duì)比較集中的場(chǎng)所,室內(nèi)空氣質(zhì)量的好壞對(duì)人員的工作和學(xué)習(xí)效率都著有很大的影響。例如在人員密集場(chǎng)所,人員呼出大量二氧化碳,當(dāng)室內(nèi)存有高水平的二氧化碳時(shí),如果沒有合理的氣流組織以及新鮮空氣補(bǔ)給,就會(huì)使人產(chǎn)生瞌睡、頭暈等不適癥狀。因此對(duì)教室等人員集中區(qū)域進(jìn)行合理的氣流組織具有積極重要的意義。

本文模擬了真實(shí)尺度下教室空間的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)以及室內(nèi)空氣齡變化,為中學(xué)教室通風(fēng)空調(diào)模式的選擇提供參考。

2 模型介紹

本文研究了2種氣流組織下的物理模型,物理模型如圖1所示。坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)在房間地板的右后角,房間的幾何尺寸為8m×5m×3m。在不改變房間送、回風(fēng)口的尺寸、形式、數(shù)量和送風(fēng)口的送風(fēng)參數(shù)的情況下,僅通過改變送、回風(fēng)口的位置來(lái)改變氣流組織形式,分別計(jì)算出房間的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)、PMV、PPD,從而對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析、選擇。

模型采用2個(gè)送風(fēng)口1個(gè)回風(fēng)口,送、回風(fēng)口尺寸相同。送、回風(fēng)口及窗戶的尺寸分別為0.32m×0.2m和3.5m×1.5m;送風(fēng)口和窗戶的溫度分別為20℃和36.3℃;送風(fēng)口風(fēng)速為3m/s。熱源的尺寸及散熱量分別為:人體:1.73m×0.3m×0.2m,58.2W/m2;燈具:0.2m×1.2 m×0.15 m,34W。

2種送、回風(fēng)口的布置方式分別為:送回風(fēng)口居一側(cè),回風(fēng)口居一側(cè),以下簡(jiǎn)稱模型A;送風(fēng)口居兩側(cè),回風(fēng)口居中,以下簡(jiǎn)稱模型B。

物理模型見圖1。

圖1 物理模型 (Figure 1 Physical modal)

3 方案數(shù)值模擬

3.1 邊界條件

依據(jù)當(dāng)?shù)氐臍庀筚Y料,夏季空調(diào)室外計(jì)算溫度為36.3℃。由手冊(cè)查得教室空調(diào)室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為26℃,相對(duì)濕度50%。模型設(shè)一面外墻,其他三面均為內(nèi)墻。地板和屋面為絕熱邊界。送風(fēng)口位于房間右側(cè)墻壁,設(shè)計(jì)空調(diào)送風(fēng)溫度為20℃,風(fēng)速為3m/s,回風(fēng)口壓力為環(huán)境壓力。

3.2 模型假設(shè)

(1)空調(diào)室內(nèi)氣體為不可壓縮且符合Boussinesq假設(shè),即認(rèn)為流體密度僅對(duì)浮生力產(chǎn)生影響。

(2)流動(dòng)為穩(wěn)態(tài)湍流。

(3)氣流為低速不可壓縮流。

(4)考慮了漏風(fēng)的影響,由于室內(nèi)人員出入比較頻繁,假設(shè)門開啟一定角度。

根據(jù)以上假設(shè)其控制方程為:

3.3 網(wǎng)格劃分

采用六面體網(wǎng)格,對(duì)送風(fēng)口等溫度梯度,速度梯度較大的地方,進(jìn)行網(wǎng)格加密。

3.4 控制方程及計(jì)算方法

在工程應(yīng)用的模擬中,可能用到的模型主要有標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型、低雷諾數(shù)k-ε模型、整合后的k-ε模型 (RNG)、零方程模型等。本文采用室內(nèi)零方程模型。零方程模型在模擬空調(diào)房間的空氣自然對(duì)流和混合對(duì)流收到很好的模擬效果,所以,本文采用1998年Chen提出的新的零方程模型。

所謂零方程模型,是指不需要微分方程而是用代數(shù)方程式把湍流黏性系數(shù)與時(shí)均值聯(lián)系起來(lái)的模型,該模型應(yīng)用方便,且計(jì)算量比k-ε模型小得多。利用有限容積法來(lái)解決三維穩(wěn)態(tài)不可壓縮粘性流體的湍流流動(dòng)。采用SIMPLE(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations,求解壓力耦合方程組的半隱式法)算法聯(lián)立求解各離散方程,除壓力采用二階迎風(fēng)格式進(jìn)行離散外,其它如動(dòng)量、紊流脈動(dòng)動(dòng)能和紊流脈動(dòng)動(dòng)能耗散率均采用一階迎風(fēng)格式進(jìn)行離散。

4 模擬結(jié)果及討論

由圖2、3可以看出,送、回風(fēng)口的布置形式對(duì)教室內(nèi)的流場(chǎng)影響較大。送風(fēng)口布置在教室側(cè)墻,采用側(cè)送風(fēng)口,送風(fēng)氣流從頂棚貼附射流,不斷卷吸周圍空氣,速度逐漸衰減,冷氣流下降,在教室下部的座位處形成流動(dòng)漩渦,人員處于氣流漩渦中,有利于人員對(duì)空氣流動(dòng)的需求。與模型B比較,模型A由于回風(fēng)口距一側(cè)送風(fēng)口距離較遠(yuǎn),造成空氣回流不暢,其空氣擾動(dòng)性比模型B的空氣擾動(dòng)性差,進(jìn)而容易形成空氣死角。

由圖4～7溫度分布可以看出,在人員活動(dòng)高度區(qū)域溫度分布比較均勻,基本達(dá)到設(shè)計(jì)溫度要求。位于回風(fēng)口位置前端溫度偏離設(shè)計(jì)值較高,主要是受回風(fēng)口位置的影響。送風(fēng)射流到達(dá)墻壁后受到阻擋,在回風(fēng)口前端形成渦流區(qū)。設(shè)備、人體散熱及外墻傳熱對(duì)教室內(nèi)溫度場(chǎng)的影響較大。在靠近外墻區(qū)域溫度比中心區(qū)域溫度略高,主要是考慮了夏季外墻傳熱的結(jié)果。由于風(fēng)口布置位置的原因,模型A距送風(fēng)氣流中心位置較遠(yuǎn)區(qū)域的上部溫度偏高,垂直溫度分布差別較大。但在人員活動(dòng)的下部區(qū)域,隨著送風(fēng)氣流的卷吸下沉以及渦旋擾動(dòng)的作用,兩種模型在人員活動(dòng)的大部分區(qū)域溫度基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求,滿足人員舒適性的要求。

空氣齡是指空氣進(jìn)入房間的時(shí)間,作為衡量空氣新鮮程度與換氣能力的重要指標(biāo)。房間中某一點(diǎn)的空氣齡是指該點(diǎn)所有微團(tuán)空氣齡的平均值?？諝饽挲g越小,空氣質(zhì)量越好,反之,空氣品質(zhì)越差。由圖8、9截面Z=2.5m處的空氣齡分布圖可以看出,位于送風(fēng)口正前方送風(fēng)區(qū)域的空氣齡較小,空氣相對(duì)比較新鮮?；仫L(fēng)口前方下部區(qū)域空氣齡值較大,特別是模型A,受回風(fēng)口位置的影響,在教室后部區(qū)域產(chǎn)生很大的回旋氣流,因回旋氣流內(nèi)的污濁空氣較難快速排出,空氣品質(zhì)相對(duì)較差,容易形成空氣流動(dòng)死角。相比之下,模型B的空氣平均年齡較小,空氣相對(duì)比較新鮮,沒有出現(xiàn)空氣死角,氣流組織較為合理。

圖9 z=2.5m截面模型B的空氣齡分布 (Figure 9 z=2.5m mean age of air chart of model B)

圖10 Y=1m處模型A的PPD圖(Figure10 y=1 m PPD chart of Model A)

預(yù)測(cè)不滿意百分比PPD(Predicted percent dissatisfied)指標(biāo)表示人群對(duì)熱環(huán)境不滿意的百分?jǐn)?shù)。該指標(biāo)是通過概率分析確定某環(huán)境條件下人群不滿意的百分?jǐn)?shù)。由圖10、11的PPD分布可以看出,模型A在教室前端區(qū)域PPD值在10%以下,但在人員較為集中的中后部區(qū)域PPD值在20%以上。模型B的大部分區(qū)域的PPD值在10%左右,在回風(fēng)口前端靠近外墻處PPD值較高,究其原因,主要是因?yàn)橄募就獠繜峥諝馔ㄟ^外墻傳熱以及該處的空氣紊動(dòng)性較差的結(jié)果。

圖11 Y=1m處模型B的PPD圖(Figure11 y=1 m PPD chart of Model B)

5 結(jié)論

(1)教室空調(diào)系統(tǒng)采用側(cè)送風(fēng)口、上送上回的送風(fēng)方式,基本滿足送風(fēng)射程要求,使人員處于氣流漩渦和回流區(qū)中,有利于人員對(duì)空氣流動(dòng)性的需求。

(2)在相同的設(shè)計(jì)條件下,采用不同的送風(fēng)方式,可營(yíng)造出不同的空調(diào)效果。對(duì)于溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)來(lái)說,采用兩側(cè)送風(fēng)中間回風(fēng)的模型B的空氣擾動(dòng)性以及溫度分布的均勻性要明顯優(yōu)于模型A;對(duì)于人員舒適性來(lái)說,模型B整個(gè)空間的空氣擾動(dòng)性要強(qiáng)于模型A,對(duì)于人員相對(duì)比較集中的教室空調(diào)系統(tǒng),滿足了人員對(duì)空氣流動(dòng)性需求,更容易滿足人員的舒適要求;就室內(nèi)空氣品質(zhì)而言,模型A在教室的后部區(qū)域出現(xiàn)了空氣死角,模型B空氣品質(zhì)明顯高于模型A。

[1]趙彬,李先庭,彥啟森.置換通風(fēng)的數(shù)值模擬.應(yīng)用力學(xué)學(xué)報(bào),2002,19(4):75-79

[2]AirPak軟件資料.http://www.fluent.com/

[3]陶文銓.數(shù)值傳熱學(xué)(2版)[M].西安:西安交通大學(xué)出版社,2001:78-85

[4]陸耀慶.實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1993

[5]趙榮義.空氣調(diào)節(jié) [M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1994

[6]王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析 [M].北京:清華大學(xué)出版社,2004