混合通風與置換通風數(shù)值模擬的對比研究

楊忠國，郭勝杰，郭志龍

（黑龍江八一農墾大學工程學院，大慶 163319）

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

1 混合通風與置換通風簡介

混合通風與置換通風是兩種不同的氣流組織形式，混合通風利用送風射流的誘導作用，通過房間的熱濕負荷，把處理好的空氣從房間頂部的送風口送入，射流而出的新鮮空氣帶動周邊的污濁空氣不斷地形成旋轉的渦流，在旋轉的渦流中進行熱濕交換[1]。由于混合通風送風口處于房間頂部，所以需要很大的送風速度才能送達工作區(qū)，造成能源的浪費，人們呼入的空氣品質也是送入的新風和室內原有污濁空氣混合而成的，對人的健康也會造成一定的影響。而置換通風則是把處理好的新鮮空氣從地面或者靠近地面的送風口送入到呼吸區(qū)，使得工作區(qū)的空氣品質最優(yōu)良，人們呼入的空氣最新鮮。由于置換通風是下送風方式的一種，送風口末端裝置一般分布在地面或靠近地面，送風速度極低，房間頂部設置排風口，新風被加熱后上升逐漸變成污濁空氣從房間頂部排出，于是置換通風就在室內形成了低速、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定

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

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

2.2 數(shù)學模型

理想流體流動遵循能量守恒、動量守恒和質量守恒三大定律。相應的方程在直角坐標系中可表示如下[3-6]：

能量方程：

動量方程：

質量守恒方程：

3 模擬對比

為體現(xiàn)出置換通風與混合通風的區(qū)別，采用相同送風溫度T=294K 和送風速度v=0.15 m·s-1對二者進行比較，污染物以CO2為代表。

3.1 送風溫度場的模擬

圖2 混合通風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 送風污染物CO2 濃度場的模擬

圖4 混合通風x=1.65 m CO2 質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x=1.65m CO2 質量百分濃度等值線圖Fig.5 CO2 concentration contour map of displacement ventilation x=1.65m

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

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

4 結果分析

通過對兩種不同通風方式的模擬比較，可以看出：

（1）混合通風頂部送風口位置溫度最低，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氣流到達不了的地方，這些死角區(qū)域溫度最高。置換通風底部送風口處溫度最低，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，溫度分布比較合理。

（2）從溫度梯度角度分析，置換通風的溫度梯度在水平方向比較小，相對而言比較合理，而混合通風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，置換通風在工作區(qū)梯度較大，下冷上熱，比較合理。混合通風工作區(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，混合通風污染物濃度逐漸減小，這是因為混合通風新風口在屋頂，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較差；從地面到房頂，置換通風污染物濃度逐漸增大，這是因為置換通風新風口處于地面附近，工作區(qū)的空氣品質優(yōu)良，比較合理。

（4）置換通風比混合通風具有更好的熱舒適性。若在相同參數(shù)下想達到置換通風的效果，就需要減小混合通風的送風溫度或增大其送風速度，這樣能耗勢必要增加，經濟性必然會受到影響，同時又可能會產生人員不舒適的“吹風感”。

［1］楊忠國.置換通風空調室內空氣品質的數(shù)值模擬研究［D］.鞍山：遼寧科技大學，2009.

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

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

［4］王福軍.計算流體動力學分析—CFD 軟件原理與應用［M］.北京：清華大學出版社，2004.

［5］韓占忠，王敬，蘭小平.FLUENT 流體工程仿真計算實例與應用［M］.北京：北京理工大學出版社，2004.

［6］楊忠國，鄭鑫，解恒燕.計算流體力學湍流模型在噴管流場數(shù)值模擬中的比較［J］.黑龍江八一農墾大學學報，2010，22（5）：36-38.