典型住宅內(nèi)部氣流組織特性與空氣環(huán)境模擬研究

朱林軍 鄒惠芬

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

0 引言

根據(jù)調(diào)查，人一天之中僅有20%的時(shí)間在室外，其余時(shí)間都在室內(nèi)活動(dòng)；室內(nèi)環(huán)境的好壞，時(shí)刻影響著室內(nèi)熱舒適性的好壞，進(jìn)而影響著人們的身心健康[1]。

圖1 室內(nèi)環(huán)境構(gòu)成及影響

如圖1 所示，室內(nèi)環(huán)境受聲環(huán)境、光環(huán)境、空氣環(huán)境和電磁環(huán)境的綜合影響。其中，光、聲環(huán)境主要影響人們的最直接的心理感受；電磁環(huán)境屬于動(dòng)態(tài)電磁輻射場(chǎng)，通常對(duì)人的影響不大；空氣環(huán)境是影響室內(nèi)熱環(huán)境最直接的因素，它反映著室內(nèi)空氣環(huán)境的熱物理參數(shù)，諸如人們對(duì)溫度、風(fēng)速等的直觀感受[2]。室內(nèi)空氣品質(zhì)及空氣的熱物性直接影響著人們的身體健康[3]。當(dāng)前，人們對(duì)室內(nèi)空氣環(huán)境的要求也日益提高，不同的氣流組織形式對(duì)室內(nèi)空氣環(huán)境的影響也不同，因此文章采用CFD 模擬軟件對(duì)常見的氣流組織形式進(jìn)行模擬，以探究其在室內(nèi)空氣環(huán)境中的作用及影響。

1 常見氣流組織形式的特點(diǎn)

氣流組織形式的選擇取決于送風(fēng)口和回風(fēng)口位置、送風(fēng)口形式等因素。其中送風(fēng)口的位置和形式等是氣流組織的主要影響因素[4]。典型住宅的氣流組織形式主要有四種：①上側(cè)送、同側(cè)下回，如圖2 所示；②上側(cè)送、對(duì)側(cè)下回，如圖3 所示；③下側(cè)送、同側(cè)上回，如圖4 所示；④下側(cè)送、對(duì)側(cè)上回，如圖5 所示。

圖2 上側(cè)送、同側(cè)下回

圖3 上側(cè)送、對(duì)側(cè)下回

一側(cè)送、同側(cè)回的氣流組織形式（圖2 和圖4），會(huì)使得室內(nèi)大部分的空間處在回流區(qū)。自一側(cè)送風(fēng)口送入的新風(fēng)可以與室內(nèi)的空氣充分混合，并且室內(nèi)的污染物濃度和溫度分布比較均勻，回風(fēng)可以很好地帶走室內(nèi)的污染物； 但在送回風(fēng)口對(duì)側(cè)的上下部可能會(huì)形成兩個(gè)送風(fēng)死角。通風(fēng)效率EV和溫度ET效率約等于1；但換氣效率ηa約等于0.5，比較低。

圖4 下側(cè)送、對(duì)側(cè)上回

圖5 下側(cè)送、同側(cè)上回

一側(cè)送、對(duì)側(cè)回的氣流組織形式（圖3 和圖5），會(huì)使得室內(nèi)大部分的空間處在渦流區(qū)；相較于一側(cè)送、同側(cè)回的氣流組織形式，在同等條件下，室內(nèi)大部分區(qū)域的污染物排除能力較低，通風(fēng)效率EV＜1。這一類氣流組織形式的射流速度不宜過大，應(yīng)避免送風(fēng)射流達(dá)到對(duì)側(cè)墻。

2 典型住宅內(nèi)氣流組織形式的數(shù)值模擬

2.1 典型住宅的數(shù)學(xué)模型

圖6 典型住宅模型

為了探究住宅內(nèi)部氣流分布規(guī)律，建立典型住宅內(nèi)部的流體傳輸過程的物理模型，進(jìn)行CFD 數(shù)值模擬。其中典型住宅模型的具體規(guī)格如圖6 所示，模型尺寸為：開間x=5 m，進(jìn)深y=4 m，層高z=3 m，總?cè)莘e為150 m3； 其中四個(gè)風(fēng)口置于進(jìn)深中線上，尺寸均為900 mm×150 mm。上側(cè)回、同側(cè)下回時(shí)選擇風(fēng)口1、2；上側(cè)回、對(duì)側(cè)下回時(shí)選擇風(fēng)口1、4；下側(cè)回、同側(cè)上回時(shí)選擇風(fēng)口2、1；下側(cè)回、對(duì)側(cè)上回時(shí)選擇風(fēng)口2、3。模擬時(shí)關(guān)閉門窗。

2.2 典型住宅的數(shù)學(xué)模型

為方便建立模型及求解，做出以下合理假設(shè)：

①送風(fēng)口送入的空氣及室內(nèi)空氣均為不可壓縮理想氣體；②流體為穩(wěn)態(tài)的湍流；③材料物性為常數(shù)，除濕溫度分布均勻；④模擬時(shí)門窗關(guān)閉；⑤不考慮氣體的滲透作用。

根據(jù)以上假設(shè)，得出描述典型住宅內(nèi)部環(huán)境的數(shù)學(xué)模型。

連續(xù)性方程：

動(dòng)量方程：

能量方程：

RNG k-ε 模型方程：

式中：ui為i 方向上的速度分量，m/s；ρ為 流體密度，kg/m3；t為流體溫度，℃；Gb為浮力和升力共同產(chǎn)生的湍流動(dòng)能；C1ε、C2ε、C3ε為常數(shù)，C1ε=1.42，C2ε=1.68；當(dāng)G與τ主流方向一致時(shí)，C3ε=1，否則C3ε=0。

2.3 不同氣流組織形式下的室內(nèi)氣流分布特性模擬

不同的氣流組織形式會(huì)在室內(nèi)形成不同的氣流分布特性，不同的氣流分布特性對(duì)室內(nèi)空氣品質(zhì)產(chǎn)生著影響，進(jìn)而影響人們的舒適度甚至身心健康。利用CFD 軟件ANSYS Fluent15.0 模擬計(jì)算上述模型室內(nèi)的氣流分布特性，以此來比較四種方式的特點(diǎn)。

圖7 為四種氣流組織形式模擬完成、條件穩(wěn)定后的室內(nèi)溫度分布圖，圖8 為四種氣流組織形式模擬完成、條件穩(wěn)定后的室內(nèi)速度分布圖，圖9 為四種氣流組織形式模擬完成、條件穩(wěn)定后的室內(nèi)流線圖；圖中對(duì)應(yīng)的四種氣流組織形式依次為：①上側(cè)送、同側(cè)下回；②上側(cè)送、對(duì)側(cè)下回；③下側(cè)送、同側(cè)上回；④下側(cè)送、對(duì)側(cè)上回。

圖7 顯示：待條件穩(wěn)定后，四種氣流組織形式的室內(nèi)溫度分布情況大體相同。這是由于經(jīng)過足夠長的時(shí)間后，自送風(fēng)口送入的新風(fēng)已經(jīng)使得室內(nèi)的溫度分布變得均勻，不再因?yàn)樗惋L(fēng)方式的不同而產(chǎn)生差異。

圖7 室內(nèi)溫度分布

圖8 顯示：“上側(cè)送、對(duì)側(cè)下回”和“下側(cè)送、同側(cè)上回”的氣流組織形式在房間的中部會(huì)形成很大范圍的低流速區(qū)，說明送風(fēng)口的風(fēng)可能很少流經(jīng)此區(qū)域；而“上側(cè)送、同側(cè)下回”和“下側(cè)送、對(duì)側(cè)上回”的氣流組織形式的低流速區(qū)要小于前兩者，說明這兩種氣流組織形式要好于前兩種。

圖8 室內(nèi)速度分布

圖9 顯示：“上側(cè)送、同側(cè)回”的室內(nèi)流線分布要比“上側(cè)送、對(duì)側(cè)回”的均勻，并且形成的渦流很?。弧跋聜?cè)送、對(duì)側(cè)回”的室內(nèi)流線分布要比“下側(cè)送、對(duì)側(cè)回”的均勻。

圖9 室內(nèi)流線分布

3 結(jié)論

經(jīng)過模擬分析，得出以下結(jié)論：

1）就氣流組織形式而言，“上側(cè)送、同側(cè)下回”好于“上側(cè)送、對(duì)側(cè)下回”，“下側(cè)送、對(duì)側(cè)上回”好于“下側(cè)送、同側(cè)上回”，可以使得送入的風(fēng)與室內(nèi)空氣混合充分，并且使得房間大部分區(qū)域處在低流速區(qū)，溫濕度適宜。

2）上側(cè)送風(fēng)方式在送熱風(fēng)（風(fēng)的溫度高于室內(nèi)環(huán)境溫度）時(shí)好于下側(cè)送風(fēng)方式；下側(cè)送風(fēng)方式在送冷風(fēng)（風(fēng)的溫度低于室內(nèi)環(huán)境溫度）時(shí)好于上側(cè)送風(fēng)方式。

3）對(duì)于室內(nèi)環(huán)境較差的情況，不建議采用“一側(cè)送、對(duì)側(cè)回”的氣流組織形式。