室內(nèi)不同通風方式對流場的影響

李祥倩，孫萬雪，戚素素

（山東華宇工學院，山東 德州 253034）

0 引 言

隨著社會的發(fā)展和人們生活水平的提高，人們的工作環(huán)境在不斷地改變，室內(nèi)辦公已是常態(tài)，人們對室內(nèi)環(huán)境的熱舒適性和空氣品質(zhì)的要求也隨之增加。據(jù)統(tǒng)計，一個人一生中大約有80%～90%的時間是在室內(nèi)環(huán)境中度過的，因此室內(nèi)辦公環(huán)境的優(yōu)劣與工作人員的健康和工作效率密不可分。近些年來，隨著大型場所能耗的增大，空調(diào)病和由空氣傳播的疾病大量增加，不但加劇了能源消耗，而且也對人們的身體健康產(chǎn)生重大影響，因此建筑物室內(nèi)通風節(jié)能得到越來越多人的重視。如果還是選取早期的通風方式，勢必會導致成本的大幅增加和時間的大量消耗，而且可能會不符合室內(nèi)環(huán)境要求，因此選擇合理的通風方式是非常有必要的，這關(guān)系到室內(nèi)空氣質(zhì)量的好壞。室內(nèi)自然置換通風的可視化裝置通過直觀地觀察室內(nèi)空氣的置換，分析流場情況，判斷影響因素，明確能滿足人們舒適度要求的通風方式。

本文主要是利用Workbench分析軟件中的Fluent軟件進行模擬，通過軟件構(gòu)建模型，對大型會議室內(nèi)采用的同側(cè)側(cè)送側(cè)回、對側(cè)上送下回和下送上回三種送風方式進行研究。

1 送風方式

在通過Fluent軟件進行數(shù)值模擬計算時，對大型會議室內(nèi)三種送風方式（分別是側(cè)送側(cè)回式氣流組織、上送下回式氣流組織和下送上回式氣流組織）對流場的影響進行了分析，這三種通風方式的主要區(qū)別是風口位置設(shè)計不一樣。下面對三種通風方式進行簡單的介紹：

（1）側(cè)送側(cè)回方式。是大型建筑中應用最為廣泛的送風方式，方法是在側(cè)墻上設(shè)置送風口，氣流水平射入，對墻折轉(zhuǎn)，經(jīng)過工作區(qū)時可以減緩速度，由位于送風口底部的排風口送出。依據(jù)房間跨度的不同，可以分為同側(cè)送風和對側(cè)送風。在選擇送風方式時，噴口送風最為常見。側(cè)送風方式有百葉側(cè)送和噴口送風，百葉側(cè)送因其噪音較大而會產(chǎn)生“頭后風”，因此通常作為輔助送風方式。

（2）上送下回方式。是空調(diào)房間以往最常用的送風方式，出風口設(shè)置在建筑空間的上部或側(cè)墻上部，回風口設(shè)置在下側(cè)墻壁上。送風氣流經(jīng)過工作區(qū)上部，帶動氣體流動，從下部的回風口排出。送風方式主要有孔板送風和散流器送風。就通風效果而言，通過上部新鮮空氣與室內(nèi)空氣的完全混合，可以更好地滿足工作區(qū)域的溫度精度和氣流速度要求。然而，上部送風也有其缺點：在建筑物上部有未使用的空間，這就增大了通風區(qū)域，提高了冷（熱）負荷量，導致能耗增高，而且這種送風方式比側(cè)送風方式多消耗25%～30%的送風量。

（3）下送上回方式。是一種節(jié)能氣流組織形式，氣流通過地板或下側(cè)壁組織送風，由房間上部回風管道排出，送風過程中避開了上部無用空間的負荷和燈光熱負荷，可以減少送風冷量（熱量）要求，降低投資成本，送風速度較小，噪音也低，是一種較為理想的送風方式。然而，下出口形式復雜，數(shù)量大，操作管理難度大。目前，許多空調(diào)設(shè)計單位在技術(shù)上存在一定困難，大型建筑中所裝空調(diào)使用該種送風方式的例子較少。

2 模型介紹

本文使用假設(shè)模型進行探究，該課題模型參照用途是學術(shù)報告廳式的大型會議室房間，該房間可供150人的會議使用，長20 m，寬15 m，室內(nèi)高度為4 m，面積為300 ㎡。根據(jù)該會議室的假設(shè)尺寸，在Geometry中建立對應的簡化物理模型，除了送回風口位置不同外，三個模型采用相同的樣式，如表1所示。模型采取簡易條件構(gòu)建，設(shè)定房間幾何模型封閉沒有門窗，便于模擬研究。

表1 三種送風方案參數(shù)表

在這三種方案中，將送風量和送風溫度設(shè)為定值，以風口位置和風速為自變量進行研究，幾何模型和網(wǎng)格劃分后的物理模型如圖1、圖2、圖3所示。

圖1 同側(cè)側(cè)送側(cè)回方式和物理模型

圖2 對側(cè)上送下回方式和物理模型

圖3 下送上回方式和物理模型

3 溫度場、速度場模擬研究

邊界條件設(shè)定：首先選擇湍流模型中的RNG模型，室內(nèi)流體選擇空氣，空氣參數(shù)取默認值，室內(nèi)不存在其他熱源。

入口邊界（inlet）：選擇velocity–inlet（速度入口）作為邊界條件。送風溫度設(shè)置為299.15 K，送風速度依照表1設(shè)置?？梢哉J為在這三種工況下送風能耗是相同的。其中側(cè)送側(cè)回式送風使用圓形噴口模型，上送下回式送風采用條形風口模型，而下送上回式由于對風速要求較高，選用旋流送風口模型。

出口邊界（outlet）：出口邊界條件選擇outflow（自由出流）。

墻壁（wall）：墻壁與樓板厚度為三七墻，壁面溫度為默認值，材料保持默認的aluminum。

在solution下方進行菜單設(shè)定時，選擇SIMPLE算法保持不變，原有的松弛因子不變，設(shè)定殘差收斂值小于10。

進行初始化，確定迭代步數(shù)，開始模擬計算。

從房間豎直方向來看，如圖4所示，在側(cè)送側(cè)回式送風中，當送風溫度為294.15 K時，=7.5 m出風口截面處可以看到，送風口水平方向溫度場分布為295.4 K～296.4 K，而且隨著送風距離的增加，氣流下落得很快。從這個截面中可以看出，下部工作區(qū)從右側(cè)到左側(cè)的溫度場梯度逐漸增加，在中部形成了溫度梯度降低過快的谷，在左下部空間，由于氣體攜帶負荷即將送出，溫度較高，約為297.7 K。

圖4 側(cè)送側(cè)回式y(tǒng)=7.5 m截面處出風口溫度場

從房間豎直方向來看，如圖5所示，在上送下回式送風方法中，當送風溫度為294.15 K時，在=7.5 m出風口截面處可以看到，送風口水平方向溫度場分布為294.1 K～295.5 K，而且送風距離較遠，接近房間寬度。在這個截面中可以看到下部工作區(qū)溫度變化較小，氣流到達右側(cè)下落并從出風口排出，導致溫度較低，約為296.8 K，且該區(qū)域中部也形成了溫度梯度驟變的谷。在房間左下部，處于送風口的下部溫度較高，約為297.8 K。

圖5 上送下回式y(tǒng)=7.5 m處溫度場分布

在下送上回式送風中，當送風溫度為294.15 K、出口送風速度為0.3 m/s時，房間豎直方面溫度場如圖6所示，在=6 m出風口截面處，氣流從送風口垂直射入，在出風口豎直方向溫度較低，溫度由出口處的294.15 K上升到上部區(qū)間的296.8 K，變化比較大，氣流在上升過程中緩慢向周圍擴散，使得房間其余部分的溫度變化比較平穩(wěn)。

圖6 下送上回式y(tǒng)=6 m處溫度場分布

從房間豎直方向來看，如圖7所示，在側(cè)送側(cè)回式送風中，當出口送風速度為6.8 m/s時，從y=7.5 m出風口截面處可以看到，氣流從出口水平射入，在水平方向速度場分布比較不均衡，新風在射入后，做拋物線流動。在這個截面中可以看到下部工作區(qū)從右側(cè)到左側(cè)速度場分布差異較大，氣流對墻回轉(zhuǎn)下降過程中，由于部分氣流在重力作用下下落，氣流對墻折轉(zhuǎn)，出現(xiàn)渦旋區(qū)，導致房間右側(cè)風速較高，約為0.678 m/s。

圖7 側(cè)送側(cè)回式y(tǒng)=7.5 m處出風口速度場分布

從房間豎直方向來看，如圖8所示，在上送下回式送風中，出口送風速度為6.6 m/s時，從=7.5 m出風口截面處可以看到，送風口射入氣流后，在水平方向速度場分布比較均衡，而且送風距離較遠。在這個截面中可以看到下部工作區(qū)從右側(cè)到左側(cè)速度場分布差異較小，氣流在即將到達對墻時下降，導致房間右側(cè)風速較高，約為0.702 m/s，左側(cè)風速穩(wěn)定，氣流擾動性小，速度約為0.351 m/s。

圖8 上送下回式y(tǒng)=7.5 m處出風口速度場分布

在下送上回式送風中，當送風溫度為294.15 K、出口送風速度為0.3 m/s時，房間豎直方面速度場如圖9所示，=6 m出風口截面處，在出風封口豎直方向速度較高，速度由出口處的0.3 m/s上升到上部區(qū)間的6.35×10m/s，變化比較大，而房間其余部分的速度變化比較平穩(wěn)。

圖9 下送上回式y(tǒng)=6 m出風口處速度場截面

4 對室內(nèi)流場的影響分析

在側(cè)送側(cè)回式送風中，房間內(nèi)溫度場左側(cè)進風區(qū)域的溫度高于右側(cè)出風區(qū)域，存在溫度梯度驟變區(qū)域，整個房間中的送回風溫差為3.15 K。速度場存在氣流回旋現(xiàn)象，在工作區(qū)域氣流雜亂，存在0.53 m/s左右的速度變化。

在上送下回式送風中，房間內(nèi)溫度場左側(cè)進風區(qū)域的溫度高于右側(cè)出風區(qū)域，整個房間存在2.65 K的溫度差異。速度場存在氣流回旋現(xiàn)象，在工作區(qū)域氣流雜亂，存在0.3 m/s左右的速度變化。

在下送上回式送風中，溫度場除送風口和墻壁近距離范圍內(nèi)，整個房間存在2.85 K的送回風溫差。速度場除送風口范圍內(nèi)，在整個房間波動值較小，工作區(qū)域僅存在0.057 m/s的速度差。

本文主要是對大型會議室內(nèi)三種通風方式在Fluent軟件模擬計算下得到的云圖進行分析對比。通過每種送風方式下不同截面溫度場和速度場的云圖對比，最終得出下送上回式通風是比較理想的室內(nèi)氣流組織方式。

5 結(jié) 論

通過對使用Fluent計算出的溫度場和速度場云圖的分析，清晰地展現(xiàn)了不同通風方式下會議室內(nèi)的氣流組織。模擬實驗所得到的圖像，可以為采取何種簡單可靠的通風方式提供理論依據(jù)，為室內(nèi)空調(diào)通風設(shè)計提供簡明的方案。

通過對大型會議室內(nèi)三種通風方式下流場的研究分析，可以得知對室內(nèi)氣流組織的影響因素有很多，而送風口位置和類型、送風速度的大小則是主要的影響因素。

對不同送回風口位置的通風方式進行模擬后，可以得知不同通風方式對室內(nèi)流場的影響。側(cè)送側(cè)回式送風和上送下回式送風由于氣流下落的不同而產(chǎn)生渦流區(qū)，工作區(qū)域內(nèi)的溫度場和速度場局部變化較大，穩(wěn)定性較差，而在下送上回式通風中下工作區(qū)的溫度場和速度場都比較穩(wěn)定，實驗證明在這三種通風方式對大型會議室內(nèi)流場的影響中，下送上回式通風比較穩(wěn)定。