不同的通風(fēng)方式對(duì)打印室空氣環(huán)境影響的模擬研究

楊恩澤　劉　鵬

(中國(guó)核電工程有限公司河北分公司，河北石家莊　050000)

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不同的通風(fēng)方式對(duì)打印室空氣環(huán)境影響的模擬研究

楊恩澤劉鵬

(中國(guó)核電工程有限公司河北分公司，河北石家莊050000)

摘要:以打印室為例，通過(guò)模擬置換通風(fēng)、頂棚送風(fēng)以及傳統(tǒng)的中央空調(diào)送風(fēng)形式，得到不同送風(fēng)方式下的溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)和污染物濃度場(chǎng)，分析結(jié)果表明，置換通風(fēng)方式并不適宜用在此類(lèi)房間中(污染物密度比空氣大的房間);在相同的能量消耗情況下，傳統(tǒng)的中央空調(diào)送風(fēng)形式不能提供良好的熱環(huán)境，頂棚送風(fēng)可以獲得相對(duì)較好的室內(nèi)空氣環(huán)境。

關(guān)鍵詞:打印室，通風(fēng)方式，熱舒適，空氣環(huán)境

0　引言

如今，打印機(jī)、復(fù)印機(jī)一方面為我們的生活、學(xué)習(xí)帶來(lái)了便捷，另一方面，它們排放了一些污染物，如臭氧、懸浮顆粒物等，危害著我們的身體健康［1］。經(jīng)常暴露于這類(lèi)污染物中可對(duì)眼睛、鼻子、喉嚨等部位造成刺激，以及引起精神疲勞、頭疼和皮膚過(guò)敏等癥狀［2］。同時(shí)，普通打印室還有空間體積小，人員密度大的特點(diǎn)，這就更加惡化了打印室內(nèi)的空氣環(huán)境。由于我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和工作人員素質(zhì)的制約，我們對(duì)打印室空氣環(huán)境還不是太重視。

目前的通風(fēng)方式按照室內(nèi)氣流形式不同可分為:傳統(tǒng)中央空調(diào)混合通風(fēng)、置換通風(fēng)和工位送風(fēng)。本文將利用Fluent軟件模擬，來(lái)研究這三種通風(fēng)方式對(duì)打印室空氣環(huán)境的影響。其中，傳統(tǒng)中央空調(diào)混合通風(fēng)采用對(duì)側(cè)上送下回方式，工位送風(fēng)采用頂棚送風(fēng)下回風(fēng)方式。

1　數(shù)學(xué)和物理模型建立

1．1數(shù)學(xué)模型建立

當(dāng)前，對(duì)空調(diào)房間通風(fēng)方式的模擬，采用最多的就是經(jīng)過(guò)Lanuder和Spalding修正后的標(biāo)準(zhǔn)K—ε模型，該模型是針對(duì)湍流發(fā)展非常充分的湍流模型建立的［3］。本文中的傳統(tǒng)中央空調(diào)送風(fēng)方式，Re數(shù)大，采用標(biāo)準(zhǔn)的K—ε模型。然而在置換通風(fēng)和頂棚送風(fēng)條件下，送風(fēng)速度很低，紊流Re數(shù)較低，室內(nèi)氣流以自然對(duì)流為主，此時(shí)必須要考慮浮升力的影響。

鑒于以上原因，對(duì)于這兩種送風(fēng)方式，本文采用低Re數(shù)值K—ε模型進(jìn)行模擬分析。

打印室通風(fēng)的數(shù)學(xué)模型控制方程包括連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程［4］，見(jiàn)式(1)～式(3)。

連續(xù)性方程:

動(dòng)量方程:能量方程:

本文中模擬了打印機(jī)表面臭氧散發(fā)過(guò)程，應(yīng)用到了組分傳輸模型，控制方程還應(yīng)該有組分質(zhì)量守恒方程。

組分質(zhì)量守恒方程:

差分格式采用一階迎風(fēng)格式，壓力速度耦合問(wèn)題采用SIMPLE算法。

1．2物理模型

模擬的打印室?guī)缀文Ｐ腿鐖D1所示。其空間結(jié)構(gòu)為:長(zhǎng)3 m、寬3 m、高2．7 m。房間內(nèi)有人員(中間長(zhǎng)方體示意)、電腦(左側(cè)平板示意)和兩臺(tái)打印復(fù)印一體機(jī)(兩個(gè)長(zhǎng)方體示意)。

對(duì)該房間使用置換通風(fēng)、工位送風(fēng)方式中的頂棚送風(fēng)以及傳統(tǒng)的中央空調(diào)對(duì)側(cè)上送下回通風(fēng)形式分別進(jìn)行模擬。模擬工況中送回風(fēng)口的布置形式、尺寸和送風(fēng)速度如表1所示。

表1　送風(fēng)方案

這三種送風(fēng)方案，送風(fēng)量都是相等的，送風(fēng)溫度也是相等的，所以，各個(gè)工況下，空調(diào)的能耗也是相同的。這樣，更有利于比較溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)以及污染物濃度場(chǎng)的分布，在能耗相同的前提下，選擇相對(duì)較好的通風(fēng)方式［5］。對(duì)房間網(wǎng)格的劃分采用了非結(jié)構(gòu)混合網(wǎng)格，為提高精度，在人體熱源、電腦和打印機(jī)附近做了網(wǎng)格加密處理。

假設(shè)有三臺(tái)電腦，額定功率為3×150=450 W，單臺(tái)打印復(fù)印一體機(jī)功率為1 000 W，考慮到打印機(jī)的間歇使用(本文模擬采用穩(wěn)態(tài)模擬)，兩臺(tái)打印機(jī)當(dāng)量功率為2×1 000÷4=500 W，人員負(fù)荷為80 W。假設(shè)室內(nèi)散發(fā)污染物為O3，由打印機(jī)表面散發(fā)，散發(fā)速率為7．2×10-11kg/s。邊界條件確定如下:送風(fēng)口設(shè)為速度進(jìn)口。排風(fēng)口設(shè)為回流出口。房間的六面墻假設(shè)為熱絕緣。因?yàn)镺3的密度比空氣密度大，所以在工作條件設(shè)定時(shí)候我們考慮了重力影響。

2　模擬結(jié)果分析

為了描述方便，選擇垂直于X軸，并通過(guò)人員中心的x=1．5 m作為代表性截面，分別研究三種方案下房間的溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)和污染物濃度場(chǎng)。由于O3散發(fā)速率為假設(shè)值，下文分析中對(duì)O3濃度模擬結(jié)果進(jìn)行了相對(duì)化處理，以方便對(duì)O3濃度進(jìn)行定性分析。

2．1置換通風(fēng)的模擬結(jié)果

從圖2可見(jiàn)，采用置換通風(fēng)方式，人員附近出現(xiàn)明顯的空氣分層現(xiàn)象，人員活動(dòng)區(qū)距離地面0．7 m高度以下的溫度分布在25℃～27℃，而0．7 m高度到頭頂?shù)膮^(qū)域溫度分布為27℃～29℃。人員身體附近風(fēng)速均能滿(mǎn)足0．25 m/s以下，不會(huì)引起吹冷風(fēng)感(見(jiàn)圖3)。因此，置換通風(fēng)能夠很好的控制人員活動(dòng)區(qū)人體周?chē)目諝饬魉?，滿(mǎn)足舒適性要求，但是，這種方式同時(shí)使溫度分層嚴(yán)重，垂直溫差過(guò)大，嚴(yán)重影響此區(qū)域人員的熱舒適［6］。

圖1　打印室的幾何模型

圖2　方案1的溫度場(chǎng)分布圖

圖3　方案1的速度場(chǎng)分布圖

圖4　方案1的O3濃度場(chǎng)分布圖

從圖4可見(jiàn)，在人員呼吸區(qū)污染物濃度低于0．16 mg/m3，可以滿(mǎn)足人員對(duì)新鮮空氣的需求。但是，由于O3密度比空氣密度大，排風(fēng)口位于房間上側(cè)，O3沉積于房間底層?？紤]到打印室人員活動(dòng)引起的空氣擾動(dòng)會(huì)將O3帶到上層空氣中，人員活動(dòng)區(qū)O3濃度很容易超標(biāo)［7］。

2．2中央空調(diào)對(duì)側(cè)上送風(fēng)，下回風(fēng)模擬結(jié)果

從圖5可見(jiàn)，采用中央空調(diào)對(duì)側(cè)上送下回通風(fēng)方式，在人員周?chē)怪睖夭畈怀^(guò)2℃，迎風(fēng)的前后溫差只有1℃，溫度分布均勻。但是，人員周?chē)諝鉁囟戎饕植荚?8℃～29℃之間，人員的熱舒適性很差。這主要因?yàn)橹醒肟照{(diào)送風(fēng)對(duì)應(yīng)整個(gè)打印室區(qū)域的冷負(fù)荷，比置換通風(fēng)對(duì)應(yīng)的冷負(fù)荷大。從圖6可見(jiàn)，室內(nèi)高風(fēng)速主要在高度大于1．8 m和壁面處;在人員活動(dòng)區(qū)內(nèi)，室內(nèi)風(fēng)速基本在0．25 m/s以下，不會(huì)對(duì)人產(chǎn)生吹冷風(fēng)感。因此，中央空調(diào)對(duì)側(cè)上送下回通風(fēng)方式，室內(nèi)空氣溫度、速度分布均勻，但是如果想要得到理想的室內(nèi)熱環(huán)境，需要增大空調(diào)能耗。

圖5　方案2的溫度場(chǎng)分布圖

圖6　方案2的速度場(chǎng)分布圖

從圖7可見(jiàn)，采用中央空調(diào)對(duì)側(cè)上送下回通風(fēng)方式，在距離地面0．5 m以上，O3濃度基本低于0．16 mg/m3，滿(mǎn)足衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn);只有在送風(fēng)口附近，O3濃度高于0．16 mg/m3。中央空調(diào)對(duì)側(cè)上送下回通風(fēng)方式對(duì)于處理密度大于空氣的污染物效果比較明顯。

2．3頂棚送風(fēng)，下回風(fēng)模擬結(jié)果

由圖8可見(jiàn)，當(dāng)采用頂棚送風(fēng)，下回風(fēng)通風(fēng)方式時(shí)，人員頭部溫度為25℃～26℃，腳踝溫度為27℃～28℃，這是由于風(fēng)口位于人員上方的影響。垂直溫差為1℃～2℃，整個(gè)人員活動(dòng)區(qū)溫度分布比置換通風(fēng)均勻，基本能夠滿(mǎn)足人員熱舒適要求。

由圖9可見(jiàn)，人員頭頂風(fēng)速為0．15 m/s左右，吹風(fēng)感不明顯。除了排風(fēng)口風(fēng)速較高外，人員活動(dòng)區(qū)風(fēng)速基本滿(mǎn)足要求。

由圖10可見(jiàn)，當(dāng)采用頂棚送風(fēng)，下回風(fēng)通風(fēng)方式時(shí)，O3主要沉積于房間底層，最大濃度只有0．15 mg/m3。當(dāng)打印室人員活動(dòng)引起的空氣擾動(dòng)帶動(dòng)O3流動(dòng)時(shí)，可以迅速就近通過(guò)下部排風(fēng)口排出，而不必如置換通風(fēng)方式那樣，需經(jīng)過(guò)人員活動(dòng)區(qū)再排到室外。

圖7　方案2的O3濃度場(chǎng)分布圖

圖8　方案3的溫度場(chǎng)分布圖

圖9　方案3的速度場(chǎng)分布圖

圖10　方案3的O3濃度場(chǎng)分布圖

3　結(jié)語(yǔ)

1)置換通風(fēng)方式可以創(chuàng)造良好的熱環(huán)境。但是，對(duì)于散發(fā)的污染物密度大于空氣的房間，污染物沉積于房間底層，不易通過(guò)上部排風(fēng)送到室外。置換通風(fēng)方式不適宜應(yīng)用于此類(lèi)房間。

2)在與置換通風(fēng)相同能耗的情況下，中央空調(diào)對(duì)側(cè)上送下回通風(fēng)方式排除污染物的效果比置換通風(fēng)要好，但是，由于其自身機(jī)理原因，工作區(qū)溫度明顯高于置換通風(fēng)方式工作區(qū)溫度。此種方式如果想得到良好的室內(nèi)熱環(huán)境，勢(shì)必要增大空調(diào)能耗。

3)頂棚送風(fēng)、下回風(fēng)的送風(fēng)方式，室內(nèi)溫度場(chǎng)較置換通風(fēng)方式的溫度場(chǎng)均勻，人員附近垂直溫差小;污染物沉積于房間底層，但是經(jīng)擾動(dòng)后可順利通過(guò)下部排風(fēng)口迅速排出，對(duì)人員活動(dòng)區(qū)空氣品質(zhì)影響較小。此種通風(fēng)方式可以提供良好的室內(nèi)空氣品質(zhì)。

4)綜上所述，對(duì)于散發(fā)污染物密度大于空氣密度的房間，頂棚送風(fēng)、下回風(fēng)的送風(fēng)方式能源利用率較高，人員附近的空氣環(huán)境也比較舒適，可以推廣使用。

參考文獻(xiàn):

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［7］室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)［Z］．2002．

Simulation research on the impact of different
ventilation modes upon spatial environment of printing room

Yang EnzeLiu Peng
(China Nuclear Power Engineering Co．，Ltd Hebei Branch，Shijiazhuang 050000，China)

Abstract:Three kinds of ventilation modes，including displacement ventilation;on-ceiling air-conditioning and traditional central air-conditioning ventilation are simulated on the printing room，and we have obtained the temperature field，the velocity field and the concentration of pollutants field．Through the results，we can conclude that displacement ventilation cannot used in this kind of room，for the pollutants weigh heavier than the air;under the same amount of energy consumption，the traditional central air-conditioning ventilation cannot make a relative cool environment，on-ceiling air-conditioning can supply a better indoor air environment．

Key words:printing room，ventilation modes，thermal comfortable，air environment

作者簡(jiǎn)介:楊恩澤(1983-)，男，工程師;劉鵬(1982-)，男，工程師

收稿日期:2015-10-29

文章編號(hào):1009-6825(2016)01-0133-03

中圖分類(lèi)號(hào):TU333．17

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A