建材超市空氣場的預(yù)測

汪秀清，張慶豐

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建材超市空氣場的預(yù)測

汪秀清1，張慶豐2

（1 武漢紡織大學(xué) 環(huán)境與城建學(xué)院，湖北 武漢 430073；2 中國煤炭科工集團(tuán) 武漢設(shè)計(jì)研究院，湖北 武漢 430070）

采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)CFD 技術(shù)對(duì)某建材超市室內(nèi)空氣場形式進(jìn)行數(shù)值模擬,預(yù)測了室內(nèi)溫度場、速度場以及濃度場, 發(fā)現(xiàn)用散流器上送風(fēng)，送風(fēng)高度在5米左右時(shí)，送風(fēng)溫差在15K以上為宜，散流器垂直方向速度為3m/s時(shí)，人員的活動(dòng)范圍內(nèi)的速度基本符合0.3m/s的要求，有污染物揮發(fā)時(shí)，通風(fēng)安全系數(shù)應(yīng)不小于9。驗(yàn)證了空調(diào)室內(nèi)氣流的動(dòng)量傳遞、熱量傳遞和質(zhì)量傳遞的高度類似性。

建材；超市；空氣場；預(yù)測

1　引言

隨著人們工作和生活水平的提高,對(duì)空調(diào)室內(nèi)氣流分布和室內(nèi)空氣品質(zhì)( Indoor Air Quality ,簡稱IAQ)提出了更高的要求，對(duì)公共建筑室內(nèi)的室內(nèi)空氣品質(zhì)尤為關(guān)注。當(dāng)代空調(diào)技術(shù)的發(fā)展實(shí)際上就是為促進(jìn)人類生活、生產(chǎn)的舒適性、健康性,以及為保護(hù)地球環(huán)境、有效利用能源等各種可持續(xù)發(fā)展的需要而服務(wù)的[1]。

在空調(diào)房間內(nèi),氣流組織的好壞決定著室內(nèi)空氣的溫濕度、氣流速度和潔凈度,因此,空調(diào)房間內(nèi)的氣流組織是空調(diào)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。有效地通風(fēng)和合理的氣流組織對(duì)于改善室內(nèi)空氣品質(zhì),控制室內(nèi)空氣污染物水平,保證實(shí)現(xiàn)健康建筑、健康舒適性空調(diào)有著重要的意義[2]。

因此設(shè)計(jì)者都希望在規(guī)劃設(shè)計(jì)階段就能預(yù)測室內(nèi)空氣的分布情況,然后根據(jù)一定的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)制定出最佳的通風(fēng)空調(diào)方案，進(jìn)而對(duì)室內(nèi)空氣品質(zhì)及能耗等做出合理的預(yù)測。本文借助CFD（Computational Fluid Dynamics）模擬工具——Fluent軟件對(duì)一建材超市的氣流組織進(jìn)行預(yù)測。

2　氣流組織的預(yù)測方法

目前在暖通空調(diào)工程中預(yù)測室內(nèi)空氣分布的方法主要有四種[3-4]：

（1）射流公式。傳統(tǒng)的射流理論分析方法采用的是，基于某些標(biāo)準(zhǔn)或理想條件理論分析或試驗(yàn)，得到的射流公式對(duì)空調(diào)送風(fēng)口射流的軸心速度和溫度、射流軌跡等進(jìn)行預(yù)測，但是，由于建筑空間越來越復(fù)雜化、多樣化和大型化，實(shí)際空調(diào)通風(fēng)房間的氣流組織形式變化多樣，勢必會(huì)帶來較大的誤差。并且，射流分析方法只能給出室內(nèi)的一些集總參數(shù)的信息，不能給出設(shè)計(jì)人員所需的詳細(xì)資料，無法滿足設(shè)計(jì)者詳細(xì)了解室內(nèi)空氣分布情況的要求。

（2）Zonal model是將房間劃分為一些有限的宏觀區(qū)域，認(rèn)為區(qū)域內(nèi)的相關(guān)參數(shù)如溫度、濃度相等，而區(qū)域間存在熱質(zhì)交換，通過建立質(zhì)量和能量守恒方程并充分考慮了區(qū)域間壓差和流動(dòng)的關(guān)系來研究房間內(nèi)的溫度分布以及流動(dòng)情況，因此模擬得到的實(shí)際上還只是一種相對(duì) "精確"的集總結(jié)果，且在機(jī)械通風(fēng)中的應(yīng)用還存在較多問題。

（3）模型實(shí)驗(yàn)雖然能夠得到設(shè)計(jì)人員所需要的各種數(shù)據(jù)，但需要較長的實(shí)驗(yàn)周期和昂貴的實(shí)驗(yàn)費(fèi)用，難于在工程設(shè)計(jì)中廣泛采用。

（4）CFD模擬。CFD具有成本低、速度快、資料完備且可模擬各種不同的工況等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，并且當(dāng)前計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使CFD方法的計(jì)算周期和成本完全可以為工程應(yīng)用所接受。因此，CFD方法越來越多地應(yīng)用于暖通空調(diào)中對(duì)室內(nèi)空氣分布情況的模擬和預(yù)測，從而得到房間內(nèi)速度、溫度及有害物濃度等物理量的詳細(xì)分布情況。

3　建材超市空氣場的CFD模擬預(yù)測

3.1數(shù)值方法

CFD數(shù)值求解時(shí)[5]，采用Reynolds-averaged -Navier-Stokes（RANS）方程，這是目前工程紊流計(jì)算中廣泛采用的基本方法。紊流模型選用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型，近壁處采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法。另外針對(duì)建材超市的特點(diǎn)，設(shè)室內(nèi)氣流為空氣和甲醛兩種氣體的混合流動(dòng)，選用了SPECIES輸運(yùn)模型。采用有限體積法，將控制方程轉(zhuǎn)化為離散代數(shù)方程，其中的項(xiàng)均采用的一階迎風(fēng)差分格式。這些方程采用分離隱式法求解，通過SIMPLE算法來耦合壓力與速度。

3.2流域模型

該模型是一裝飾建材超市，主要目的是研究有甲醛釋放的一層建材區(qū)域的空氣分布情況，計(jì)算域總占地面積為5820m2，計(jì)算域總體積為31827.85m3。預(yù)測超市中氣流的流動(dòng)、傳熱以及污染濃度的分布情況。考慮的范圍包括送風(fēng)口、排風(fēng)口、回風(fēng)口、貨架在內(nèi)的建材堆放區(qū)。其中送風(fēng)口有87個(gè)，開在建材區(qū)域的上部距離地面5.5米的地方，尺寸為560×560mm；排風(fēng)口有30個(gè)，開在建材區(qū)域的上部距離地面6.2米的地方，尺寸為1000×600mm；回風(fēng)口為4個(gè)，開在后墻面上距離地面4-5米處，尺寸為15000×1000mm；貨架有兩列，上列擺放有18個(gè)18m×2m×5m的貨架，下列擺放有19個(gè)24m×2m×5m的貨架，共37個(gè)，每個(gè)貨架分上下兩層，貨架上堆放1m高的建材，暴露面積是：上列2736m2，下列3800m2，合計(jì)6536m2。

3.3網(wǎng)格的劃分

因?yàn)橛胸浖軐⒄麄€(gè)區(qū)域隔成很多小區(qū)域，每個(gè)小區(qū)域內(nèi)又有堆放的建材將其分成上下兩個(gè)更小的區(qū)域，于是采用了結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格并用的策略。將計(jì)算域分成四層[6]：從排風(fēng)口到上層貨架的建材表面之間區(qū)域?yàn)轫攲?，這個(gè)區(qū)域里有排風(fēng)口和送風(fēng)口；上層貨架上堆放的建材整體為上貨架層，這是甲醛的釋放源；上層貨架底部到下層貨架堆放的材料表面之間的區(qū)域?yàn)樨浖苤虚g層；下層貨架上堆放的建材整體為下貨架層，這里也是甲醛的釋放源。下面三層貨架區(qū)域結(jié)構(gòu)相對(duì)規(guī)整，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，可以節(jié)省計(jì)算資源，提高計(jì)算效果；在開口眾多的頂部附近區(qū)域采用相對(duì)復(fù)雜的邊界適應(yīng)性很強(qiáng)的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。這樣該模型布置的網(wǎng)格數(shù)目總共有88萬多，上層大概有68萬多。

3.4預(yù)測的結(jié)果分析

圖1 k=9,2米內(nèi)平均溫度分布變化曲線圖

從速度云圖3上可看出速度場分布是不均勻的。在送風(fēng)口或回風(fēng)口及排風(fēng)口附近較大，送風(fēng)口布置越密集處速度越大，送風(fēng)口和排風(fēng)口緊靠處或送風(fēng)口與回風(fēng)口緊靠處速度也較大，而僅有送風(fēng)口送風(fēng)作用的以及貨架壁面處速度較小?？梢娛覂?nèi)氣流的分布是送風(fēng)、回風(fēng)、排風(fēng)相互作用的結(jié)果，只有合理的布置送風(fēng)口，回風(fēng)口及排風(fēng)口才能實(shí)現(xiàn)全場的均勻送風(fēng)。如果有障礙物時(shí)（比如這里的貨架），各風(fēng)口的布置還得考慮障礙物對(duì)氣流流動(dòng)的阻力。另從高度z=2米的速度云圖可見，當(dāng)選取散流器垂直方向速度為3m/s的上送風(fēng)方式時(shí)，雖然全場速度分布不勻，但人員的活動(dòng)范圍內(nèi)的速度都不高，在0.3m/s左右，基本符合熱舒適型空調(diào)在夏季室內(nèi)工作區(qū)風(fēng)速0.3m/s的要求。說明在層高為6米左右的公共場所，送風(fēng)高度在5米左右時(shí)，可以選用散流器送風(fēng)，只要合理布置各風(fēng)口還是能實(shí)現(xiàn)全流場速度均勻的。

圖3　k=9,Z=2米 速度云圖

圖4 k=9,Z=2米 溫度分布圖

從溫度分布圖4看出超市入口處到后墻的這個(gè)中間過道上的溫度分布高，收銀口處溫度最高。沒有布置送風(fēng)口造成這些地方溫度高，收銀處還有計(jì)算機(jī)的工作散熱，所以最高，與實(shí)際情況一致。風(fēng)口下和上下兩層建材的空檔部分，氣流通暢，熱交換能充分進(jìn)行，溫度低。因此從溫度分布的均勻性要求出發(fā)，也希望合理的布置送風(fēng)口、回風(fēng)口及排風(fēng)口。

從圖5和圖6可見，在風(fēng)口位置圖示顏色最淡，說明風(fēng)口附近甲醛濃度最低；中間的通道及圖右側(cè)圖示顏色最深，說明無風(fēng)口布置處甲醛濃度最高，風(fēng)口布置的均勻性嚴(yán)重影響著氣流組織分布的均勻性。當(dāng)考慮有害物源的分布及其散發(fā)的不均勻性、氣流組織及通風(fēng)的有效性時(shí)，圖5顯示當(dāng)取K=9時(shí)，超市內(nèi)大部分區(qū)域滿足甲醛濃度低于0.12mg/m3的標(biāo)準(zhǔn)，但最高值仍較高。根據(jù)超市布置現(xiàn)場知，較高值出現(xiàn)在中間通道以及超市出入口，這與送風(fēng)口的布置有關(guān)，由于建筑結(jié)構(gòu)的緣故，此處風(fēng)口布置較稀少；圖6顯示當(dāng)取K=12時(shí)，超市內(nèi)甲醛濃度基本都在0.12mg/m3以下，能完全達(dá)到現(xiàn)有國家標(biāo)準(zhǔn)。從由此可見，增加通風(fēng)量和合理的確定排風(fēng)量或新風(fēng)比對(duì)于改善室內(nèi)空品質(zhì)是至關(guān)重要的。

圖5 k=9,z=2米處室內(nèi)濃度分布圖

圖6 k=12,z=2米處室內(nèi)濃度分布

4　室內(nèi)氣流組織的CFD模擬預(yù)測的成果與展望

從數(shù)值模擬的結(jié)果來看，計(jì)算流體力學(xué)CFD在暖通空調(diào)領(lǐng)域中的應(yīng)用是可行的，用數(shù)值計(jì)算的方法來模擬室內(nèi)的空氣場，對(duì)分析室內(nèi)流場的溫度、速度和濃度分布是一條方便而有效的途徑，預(yù)示這些物理量的詳細(xì)分布情況，對(duì)于保證良好的房間空調(diào)系統(tǒng)氣流組織設(shè)計(jì)方案、提高室內(nèi)空氣品質(zhì)以及減少建筑物的能耗都有重要意義。

（1）對(duì)于用散流器上面送風(fēng)情況，當(dāng)送風(fēng)口高度較大時(shí)，送風(fēng)溫差應(yīng)大于10K，在15K以上為宜；

（2）本次模擬驗(yàn)證了空調(diào)室內(nèi)氣流的速度、溫度、濃度分布具有很強(qiáng)的類似性，速度高處溫度低，污染濃度小，說明加強(qiáng)動(dòng)量的傳遞可以加強(qiáng)換熱和污染物的擴(kuò)散；

（3）模擬結(jié)果顯示影響空調(diào)房間氣流組織效果的主要因素很多，主要有送（回）風(fēng)口的位置、送風(fēng)口的幾何特征、入口參數(shù)、房間幾何形狀、室內(nèi)熱源、污染源等，其中送風(fēng)口的位置和送風(fēng)參數(shù)是影響氣流組織的主要因素，相對(duì)而言，回（排）風(fēng)口的大小對(duì)室內(nèi)氣流效果的影響較??；

（4）對(duì)于上面送風(fēng)形式的空調(diào)系統(tǒng)，送風(fēng)高度在5米左右時(shí)，當(dāng)選取散流器垂直方向速度為3m/s的上送風(fēng)方式時(shí)，雖然全場速度分布不勻，但人員的活動(dòng)范圍內(nèi)的速度都不高，只要合理布置各風(fēng)口還是能實(shí)現(xiàn)全流場速度均勻的。

這次CFD模擬預(yù)測總的來講還算成功的，但還有些需要完善的地方：

（1）本次模擬了空氣中含有甲醛時(shí)的濃度分布，因?yàn)榧兹┖恐挥邪偃f分之幾，模擬時(shí)為尊重事實(shí)而取其實(shí)際濃度變化，就比百萬分之幾還小，于是圖示變化效果不太明顯；

（2）建議考慮自然對(duì)流作用和太陽輻射影響對(duì)室內(nèi)溫度場的影響；

（3）室內(nèi)外氣流的相互干擾，活動(dòng)人員及出入建筑空調(diào)區(qū)域的設(shè)備材料等對(duì)氣流組織的干擾是復(fù)雜多變的，難以描述；如果能進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)測驗(yàn)證，對(duì)通風(fēng)空調(diào)的數(shù)值計(jì)算將有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

[1] 范存養(yǎng). 以人居健康舒適、環(huán)境保護(hù)和能源有效利用為中心的空調(diào)技術(shù)進(jìn)展[J]. 暖通空調(diào), 1999, 29 (2) : 26-35.

[2] 徐麗，翁培奮. 空調(diào)室內(nèi)氣流組織和空氣品質(zhì)的數(shù)值研究進(jìn)展[J]. 上海電力學(xué)院學(xué)報(bào), 2005,21(3): 286-290.

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[8] 汪秀清，何國庚.裝飾建材超市通風(fēng)量CFD計(jì)算[J].制冷與空調(diào), 2008,22(2):46-49.

Forecast of Air Field in Refurbishing Materials Supermarket

WANG Xiu-qing1, ZHANG Qing-feng2

(1 School of Environment & Urban Construction, Wuhan Textile University, Wuhan Hubei 430073, China; 2 Wuhan Design & Research Institute, China Coal Technology & Engineering Group, Wuhan Hubei 430070, China)

the paper adopts the technology of computational fluid dynamics, numerical simulation to the airflow distribution of a refurbishing materials supermarket, forecasts the indoor temperature, velocity and concentration field. We discovered when the air jet with a diffuser from 5 meters or so in height, the air temperature difference is 15K or more appropriate, when the vertical speed of diffuser is 3m / s , the indoor velocity in the scope of personnel activities comply with the required rate 0.3m / s, when contaminants diffuse, the ventilation safety factor should be not smaller than 9. Also we verified the momentum transfer, heat transfer and mass transfer of the Indoor air has similarity in high degree.

Refurbishing Materials; Supermarket; Air Field; Forecast

TU831

A

1009－5160(2011)03－0079－04

汪秀清（1970-），女，講師，研究方向：室內(nèi)空氣品質(zhì)和熱學(xué).

湖北省教育廳科研項(xiàng)目（D200717007）；企業(yè)公關(guān)“室內(nèi)微氣候的場研究”項(xiàng)目（082277）.