（工程力学专业论文）室内空气环境的数值研究及均匀性分析.pdf

室内空气环境的数值研究及均匀性分析 专业：工程力学 姓名：唐振朝 导师：詹杰民教授 中文摘要 本文的研究工作立足于应用性研究，采用数值研究手段从不同的角度( 包括 气流组织、污染物控制、室内热环境等) 对室内空气环境进行了研究分析。 本文从计算模型、分析思想以及数据接口等方面对c f d 平台进行了二次开 发，引入空气年龄方程拓展了平台的计算模型，耦合了体积分数分析方法，并实 现了平台数据与热环境评估指标p m v 计算程序的无缝结合，加强了平台在室内 空气环境研究领域的计算分析能力。 传统评估指标对物理量的平均化处理可能会掩盖室内物理特性不均匀分布 的实际情况。鉴于这一局限性，本文将体积分数法引入到室内空气环境的评估体 系中，通过判断物理量在整个空间内的体积分数分布与空间占有率，来评估环境 特性在空间内分布的均匀程度以及分析热环境的动态变化。体积分数法的引入不 仅完善了室内空气环境的评估体系，两且为本文研究中合理地评价室内空气环境 的优劣与否奠定了良好的基础。 基于c f d 平台的二次开发与体积分数分析方法，本文研究中对混合通风与 置换通风两种模式的气流组织与热环境调节进行了分析比较，并探讨了自然通风 条件下室内空气环境中的气流组织与污染物控制，以及机械通风条件下通风参数 对气流组织与热环境的影响，得到了多个具有工程指导意义的结论。 在入1 ：3 密度高的空问内，人体热效应和人体呼出物的排放对周边的影响是不 可忽略的。在研究人体微环境与外环境的耦合关系时，本文从人体模型的构建与 人体热模型的简化两方面展开探讨性的工作，构建了具有一定适用性的人体模 型，并对大尺度建筑物中入体热模型的简化提出了研究思路。该工作在现实中大 尺度建筑物的室内空气环境中有良好的应用前景。 关键词：室内空气环境，均匀性分析，体积分数分析法，自然通风，机械通风， 热环境 n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n du n i f o r n ld i s t r i b u t i o na n 【a l y s i s o fi n d o o ra i re n v i r o n m e n t m a j o r ：e n g i n e e r i n gm e c h a n i c s s t u d e n t ：t a n gz h e n z h a o s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rz l 墙nj i e m i n a b s t r a c t t h ei n v e s t i g a t i o n si nt h et h e s i sa r eb a s e do nn u m e r i c a ls i m u l a t i o n a i rf l o w , c o n t a m i n a n ta n dt h e r m a le n v k o n m e n ta t er e s e a r c h e df o re n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n d u r i n gt h er e s c a i c 钆c f ds o f t w a r ei s 一d e v e l o p e df r o mc o m p u t a t i o nm o d e l a n a l y s i sm e t h o da n dd a t ah a n d l e a i ra g ee x l u a t i o na n dv o l u m e 丘a c t i o na n a l y s i s m e t h o da r ec o u p l e dw i t ht h es o r w a r e f u r t h e r m o r e ，t h ec o m p u t a t i o nd a t a 西c o m b i n e d w i t ht h e r m a le n v i r o n m e n ti n d e xp m vp r o g r a m c o m p u t a t i o na n da n a l y s i sa b f l r yo f t h es o f t w a r ei nr e s e a r c ho fi n d o o ra i re n v i r o n m e n ta r ec x t e n d e d r a t i o n a la n de x a c te v a l u a t i o nf o ri n d o o ra i re n v i r o n m e n ti s n e c e s s a r yf o rt h e w h o l er e s e a r c h t om a k eu pt h ed e f i c i e n c yo ft r a d i t i o n a le v a l u a t i o ni n d i c e s a n a p p r o a c hn a m e dv o l u m ef r a c t i o na n a l y s i si si n t r o d u c e dt ot h ee v a l u a t i o ns y s t e m t h e m e t h o dh e l p st oi m p r o v et h ea n a l y s i so fd i s t n l d u t i o nu n i f o r m i t yo fe n v i r o n m e n t c h a r a c t e r sa n dd y n a m i c st r a n s f o r m a t i o no f t h e r m a le n v i r o n m e n t b a s e do nt h er e - d e v e l o p m e n to fs o f t w a r ea n dv o l u m e 盘a c t i o na n a l y s i sm e t h o d a i rf l o wa n dt h e r m a le n v i r o n m e n tu n d e rm i x i n gv e n t i l a t i o na n dd i s p l a e e m e n t v e n t i i n t i n na r ec o m p a r e d a i rf l o wa n dc o n t a m i n a n td i f f u s i o ni n1 1 0 u s e su n d e rn a t u r a l v e n t i l a t i o na r es i m u l a t e d h n l l e n o fv e n t i l a t i o np a m m e t e mc h a n g i n go na i rf l o w a n dd y n a m i ct r a n s f o r m a t i o no ft h e r m a le n v i r o n m e n ti nar o o mu n d e rm e c h a n i c a l v e n t i l a t i o na l ei n v e s t i g a t e d s o m ee n g i n e e r i n ga p p l i c a b l ec o n c l u s i o n sa r eo b t a i n e d i ns p a e e sw i t hh 迳hp o p u l a t i o nd e n s i t y , h u m a nt h e r m a le f f e c ta n de x p o s u r e 渤 n o th ei g n o r e d r e s e a r c h e so i lm a n i k i nm o d e lb u i l d i n ga n ds i m p l i f i e dt h e r m a l m a n i k i na r ec a r r i e dt h r o u g hw h e nh u m a nm i c r o e n v i r o n m e n ti sc o u p l e dw i t hi n d o o r e n v i r o n m e n t as i m p l i f i e dm a n i k i ni sb u i l ta n dp r o v e dt ob ea p p l i c a b l eu n d e rc e r t a i n i c o n d i t i o n t h et h e r m a lm a n i k i ns i m p l i f i c a t i o ni d e ai sp u tf o r w a r d ，w h i c hm i g h tb e u s e di ni n d o o ra i re n v i r o n m e n ti n v e s t i g a t i o ni nl a r g e s c a l eb u i l d i n g sw i t hh i g h p o p u l a t i o nd e n s i t y k e y w o r d s ：i n d o o ra i re n v i r o n m e n t ，u n i f o r ma n a l y s i s ，v o l u m ef r a c t i o na n a l y s i s m e t h o d ，n a t u r a lv e n t i l a t i o n ，m e c h a n i c a lv e n t i l a t i o n ，t h e r m a le n v i r o n m e n t i v 第一章绪论 1 1 引言 全球工业化的程度日益发达，在国民经济提高的同时，也给环境带来了巨大 的压力。水环境的污染、大气环境的恶化，这些现实的环境问题都给可持续发展 带来了巨大的压力，也给人们的起居环境带来诸多问题。室内环境，是与人们日 常工作、生活息息相关的重要场所。据统计，人们一生中将有约百分之八十的时 间在室内度过，室内空气环境的好坏与人们的身体健康有着直接与极为密切的关 系，空气环境的质量不仅影响着人们的心理与行为，更影响着人们的生理与健康， 由于室内空气环境质量问题引起的人体不适甚至疾病已经屡见不鲜，长期生活和 工作在不良室内环境中的人们表现出越来越严重的病态反应，这一问题引起了专 家学者们的广泛重视，并很快提出了病态建筑( s i c kb u i l d i n g ) ，病态建筑综合症 ( s b s ，s i c kb u i l d i n gs y n d r o m e ) 和b r i ( b u i l d i n gr e l a t e di l l n e s s ) 等概念【1 1 根据 世界卫生组织( w h 0 ) 1 9 8 3 年的定义，病态建筑综合症是因建筑物使用而产生 的症状，包括眼睛发红、流鼻涕、嗓子疼、头痛、头晕、恶心和皮肤搔痒等。专 家分析，这些症状大部分都是由于室内空气品质不佳引起的，要实现建筑生态化 首先需要为人们提供安全、健康、舒适的富有效率的室内环境。基于这个原因， 如何在有限的空间创造一种健康、舒适、安全、高效的室内通风环境已经成为现 代通风空调研究中的重大课题【2 i 。 1 2 室内空气环境的研究领域与方法 室内空气环境的研究领域涵盖了流体力学、传热学、微生物学与化学等多门 学科理论；同时它是一个复杂耦合的系统，室内存在着热与质的交换和扩散，与 室外也有热和质的交换。因此需要从不同的角度进行研究分析，包括气流组织、 污染物控制、人体微环境与能源控制等。对于不同的物理问题，根据问题本身的 物理特性，对应的研究方法也有所区别。本文尝试从气流组织、污染物控制以及 熟环境三个方面对室内空气环境的研究领域与研究方法分别进行介绍，需要注意 的是由于室内空气环境中的各个影响因素是互相耦合作用的，本文的分类并不是 割裂各因素之间的关系，而是希望从三个角度分别做一个较为清晰的介绍，在实 际的研究工作中，往往需要同时考虑气流组织、污染物控制甚至更多方面的耦合 关系。 1 2 1 室内气流组织的研究 室内气流组织是室内空气环境最基本、最重要的物理特性，房间内的空气洁 净度与舒适度和室内气流组织的合理性有直接关系，良好的室内气流组织是建筑 物保持洁净度与保证空气质量最基本的前提条件，因此通风空调工程的主要目的 是通过人工的或者是直接利用自然通风的方法，在有限的空间比如室内，创造一 种舒适的、安全而效率高的空气环境【2 l 。 自然通风与机械通风是室内通风的两种基本形式。自然通风是一种经济实用 的通风方式，不消耗任何机械能，既能满足室内舒适条件，改善室内空气品质， 又能实现有效的被动式制冷，达到节约能源的目的1 3 ，4 1 。机械通风则通过通风设 备组织室内的气流，以达到保持室内空气洁净度和提高舒适度。随着科学技术的 发展及通风效率的提高，机械通风成为建筑物主要的通风手段，但同时也带来了 较大的能源压力。 近年来，为了缓解机械通风带来的能源压力，各国科学家重新开始重视自然 通风的研究。自然通风是在压差推动下的空气流动，根据压差形成的机理，自然 通风可以分为风压作用下的通风和热压作用下的自然j 1 肛1 1 4 , 卯。当风从左边吹向 建筑时，建筑的迎风面受到空气的推动形成正压区，推动空气从该方向进入建筑； 建筑的背风面由于受到空气绕流影响形成负压区，吸引建筑内的空气从该侧的出 口流出，从雨形成了持续空气流，即为风压作用下的自然通风。当室内存在热源 时，室内空气被加热而向上浮动，造成建筑内上部空气与室外形成压差，室内空 气向外流动，同时不断有空气流入建筑物下部，形成的持续空气流就是热压作用 下的自然通风，也被称为“烟囱效应”( s t a c ke f f e c t ) 。建筑中的自然通风往往是风 压与熟压共同作用的结果，只是各自作用的强度不同，对建筑整体自然通风的贡 献不同。在实际应用的时候，设计人员往往利用室内外的自然条件组织和诱导自 然通风，强化热压及风压，从而提高自然通风的冷却效果。根据进出口位置，自 然通风可以分为单侧的自然通风和双侧的自然通风，如图1 - 1 所示。 2 图1 - 1 双侧自然通风和单侧自然通风州 与自然通风比较，机械通风是通过机械设备的送风与抽风过程对室内气流进 行人工组织，对送风量与室内换气次数的调节能有效的改善室内的空气环境根 据通风模式的不同，一般可将机械通风分为置换通风与混合通风，两者的送风原 理分别如下图所示。 图1 - 2 置换通风与混合通风示意图 传统的顶板送风属于混合通风，处理后的低温空气通过顶板送风散流器与室 内空气混合，消除室内余热余湿，室内温湿度在空间上分布均匀。但顶板送风的 室内空气品质较差，能耗较高，使用上也受到限制。地板送风是混合通风的另一 种形式，处理后的空气经过地板下的静压箱，由送风散流器送入室内，与室内空 气混合，其特点是洁净空气由下向上经过人员活动区，消除余热余湿，从房间顶 部的排风口排出，室内温度均匀一致。地板送风广泛用于机房、控制中心、办公 室和实验室等散热设备多、人员密集的建筑。 置换通风属于下送风的一种，气流从位于侧墙下部的散流器水平低速送入室 内，在浮升力的作用下上升至工作区，吸收人员和设备负荷形成热羽流。在上升 过程中，热羽流不断卷吸周围空气，流量逐渐增加。热力分层高度将整个空间分 为上下两区，下区空气由下向上呈单向“活塞流”，沿竖直方向形成明显的温度梯 3 度和污染物浓度梯度：上区空气循环流动，污染物浓度较大，温度趋于均匀一致。 目前置换式通风较多用于层高大于2 4 m ，室内冷负荷小于4 0 w m 2 的空调系统， 如办公室、会议室、计算机机房和剧院等。需要注意的是虽然地板送风和置换通 风两种通风模式都是下送上出，但送风速度与温差都存在不同，其区别见表1 - 1 。 表1 - 1 地板送风与置换通风的对比 地板送风 置换送风 送风速度 送风温度及温差 新风量及气流组织 速度较高，1 5 2 0 m s速度较低，0 2 m s 送风温度1 5 5 1 8 c ，送风温差送风温度1 8 2 0 c 送风温差 6 8 2 4 利用室内回风 新风量 在实际的工程应用中，自然通风与机械通风往往不会单独使用，两者适当的 结合能获得更好的通风效果，这种结合的通风方式我们称之为h y b r i dv e n t i l a t i o n ， 是一种新的节能型通风方式，它充分利用自然气候因素如太阳、风、土壤、室外 空气、植被、水蒸气等为室内创造一个舒适的环境，同时达到改善室内空气品质 和节能的目的。 混合通风的优点包括三点：节能，调查表明，混合通风系统比传统通风系统 节能2 5 5 0 ；缓解全球的污染问题，由于通风能耗的大大节省，从而减少污 染物的排放及制冷齐j 的使用，大大缓解温室效应问题及臭氧层破坏问题：改善室 内空气品质和热舒适条件，使居住者更加满意。 混合通风系统中自然通风的使用，最大限度的利用了室外新风，一方面可改 善传统空调系统中新风量不足或新风遭到污染的问题，客观改善室内空气品质： 另一方面允许人们可以通过调节自己的行为来控制环境和适应环境，增强了人的 控制环境的自主能动性。 气流组织的研究方法可分为三类：理论分析；实验方法；数值模拟嘲 理论分析方法是基于流体力学的射流理论，根据经验公式对气流组织的具体 形态进行预测。自二十世纪四十年代起。众多研究者就对机械通风房间送风口的 射流特性进行了实验和理论研究，并于五十年代初建立了一系列射流公式用于室 内空气分布的预测，成为经济简单的室内空气分布预测方法。 实验方法可分为模型实验、示踪气体测量和热浮力模型实验等方法。在对自 然通风进行模型实验研究时，可根据相似性原理，通过风洞研究自然通风条件下 模型建筑物表面及周围的压力分布与速度分布，从而确定风压系数。k a t o 、 4 m u r a k a m i 等利用风洞模型测定了建筑物出口处的风压分布与贯穿通风，进而根 据测定的风压系数作为边界条件对室内的空气流动进行了c f d 数值模拟【6 l ：或 者在等比例或缩小比例的模型建筑物内中通过测量手段来对室内空气分布做出 预测与经验理论分析方法相比较，模型实验方法更为可靠，但耗费的时间与金 钱更多：在对一个问题进行系列研究的时候，可能还需要反复调整模型条件，对 参数敏感性的研究分析在模型实验中受到了一定限制。 示踪气体测量方法是在目标建筑物内进行的。因此相对模型实验法有它的优 势，即反映出来的是实际工况的情况。在通风领域的研究中，可通过向房间内释 放示踪气体，记录测量点示踪气体的浓度变化，对房间内的流动情况进行研究分 析。示踪气体测量法可以分为上升法、下降法、脉冲法和定浓度法，上升法是在 送风口持续释放固定大小的示踪气体：下降法是当向室内释放示踪气体达到平衡 状态后停止释放；脉冲法是指在送风口释放少量的示踪气体：定浓度法则是通过 改变示踪气体注射量来保证各房间内气体浓度的不变。示踪气体多数使用无色无 味的惰性气体，铡试方法比较简单，结果也较为准确，但f 司样存在实验周期长和 费用较高的问题。 热浮力实验模型是自然通风研究的另外一种实验技术，其基本思路是以液体 或者空气为流动介质。通过加热装置产生热浮力，在满足相似条件的前提下，能 精确的预测建筑通风。加热过程的控制是这种实验中存在的难点。 在对室内空气分布通过实验方法进行研究的过程中，共同面临的问题就是实 验周款长、费用高、实验设计要求商。并且难以对控制参数进行敏感性分析 数值模拟方法包括区域模型法( z o n a lm o d e l ) 、多区域空气流动网络模拟法 与计算流体力学方法( a ) 。 1 9 7 0 年z o n a lm o d e l 方法被提出，并应用于自然通风的通风量、温度分布 等方面的预测计算。区域模型法的基本思想是将房间分为有限个宏观区域，将各 个区域的温度与浓度均一化处理，在区域之间均存在热质的交换，在整个计算区 域上应用质量与能量守恒方程，结合区域间流动与压力的耦合关系。从而对房闻 内的温度分布和流动状况进行研究。近年来有学者将该方法经改进后用于机械通 风的模拟中n 引，赵彬等通过z o n a lm o d e l 的方法结合c f d 方法对单室及多室的 空气流动、颗粒沉积进行了研究吼 5 多区域空气流动网络模拟法和区域模型法的思路有相似的地方，将建筑物作 为一个系统，各个房间均为一个网络节点，并且假设每个房间的空气已获得充分 混合，节点之间通过连通面作为链接。该方法可用于模拟建筑物内的质量输运与 扩散，以及与外界的空气交换。缺陷在于使用者需要首先确定各个房间即网络节 点的气流速度、温度、浓度等，处理房间内脉动流量、温度以及浓度的能力非常 有限。 1 9 7 4 年丹麦的p v 2 叮e i l s e n 首次使用计算流体力学c f d ( c o m p u t a t i o n a lf l u i d d y n a m i c s ) 方法对室内空气流动进行了数值模拟 g l 。计算流体力学法从微观入手， 将房间划分为大量的网格，引入流体力学的控制方程，并将方程离散到每个网格 上，通过有限差分法或有限体积法，结合适当的边界条件进行求解，即可得到每 个网格的相关物理量，如速度、压力和污染物浓度等。c f d 方法具有计算精度 较高，适用性强的特点，可广泛应用于室内空气环境的研究当中。 由于室内空气环境研究内容的多样性和复杂性，在建筑物通风空调的研究、 规划与设计的过程中，仅仅凭借模型实验方法和理论分析( 经验和半经验) 的方 法来满足和达到建筑物对室内空气环境的控制要求是难以实现的。计算流体动力 学( c f d ) 方法凭借其具有的条件设置任意性及结果的良好再现性，逐渐取代了 耗时耗钱的模型设计与传统的射流分析方法，在通风空调设计与研究中显示出越 来越重要的作用，研究人员也已在室内空气环境的研究和工程应用中越来越多的 使用了c f d 方法，该方法已成为室内空气环境预测分析和检验室内空气品质的 重要研究手段【2 1 1 2 2 室内环境中的污染物控制 室内环境中的污染物控制是该领域研究的另一个重点。随着家用燃料消耗量 的不断增加与各种挥发出有害物质的建筑材料、装饰材料、人造板家具等民用化 工产品也大量进入室内，人们在室内接触的有害物质种类和数量有着明显的增 多。另一方面，城市建筑物密闭程度的增加，导致室内污染物不易扩散，也增加 了室内人群与污染物的接触机会。据统计，至今已发现的室内空气污染物约3 0 0 多种。室内常见的污染物包括： 1 微生物污染。该类污染是细菌、病毒以空气作为介质，在室内进行传播。 病毒主要是依附在空气中的细微颗粒上，随着房间内气流的运动而运动。有些病 毒在相对湿度较高或较低的情况下都能存活，在中等湿度下容易失去活性。高湿 6 度和缺少通风的环境容易为细菌等微生物的滋生和病毒的传播提供条件。2 0 0 3 年s a r s 的爆发一定程度上也是由于公共场所的通风设施不够完善引起的。 2 化学反应物污染。室内的燃烧，吸烟以及人体的新陈代谢都会产生某些化 学反应物，如一氧化碳。二氧化碳和氮化物等。这些有害气体对人的鼻、咽和眼 睛都会产生刺激，长期处于这样的环境还会导致呼吸道和肺部的病变。 3 其他污染物。除了上述描述的两种污染源，室内常见的污染源还有挥发性 有机物污染和电磁场污染，如室内装修后产生的甲醛挥发就是常见的有机物挥发 i l o j 。 空气中悬浮颗粒物包括所有分散和悬浮在空气中的液体或固体颗粒污染物， 其粒径范围从几纳米到几百微米。根据粒径的大小，可以做出如下分类：粗颗粒 物，粒径范围d 1 0 m ( 以p m 3 0 为代表) ；细颗粒物，粒径范围( 以p m 为代 表) ；微细颗粒，粒径范围d ( 1 2 m 与1 0 m x o 6 m 此三 者的中心坐标分别为( o m ，7 5 m ，1 1 m ) ，( 2 m ，o m ，2 m ) 与( 1 5 m ，1 2 m ，1 9 m ) 。 围6 - 2 计算房间外观 整个套间中除了卫生间之外，各房间均相通，因此整个区域为一个连通区域， # l f - j 窗的开关组合对整个区域内的通风状况显然会产生直接的影响。因此研究中 对门、窗开闭的不同组合工况进行了模拟，设计如表6 - 1 所示 表6 1 各工况参数 6 1 1 门窗开闭对通风效果的影响 计算中发现，当流动时问足够长的时候，五个工况下整个房间的空气年龄数 值分布状况并不会产生大的变化，因此选择通风6 0 0 s 的时刻对各工况中的空气 年龄分布进行对比分析。 各工况下套间内的空气年龄分布如图6 3 至图6 1 2 所示，分析中选择x = 2 s m 与z = 1 2 m 的两个剖面。空气年龄的分布显示，门窗的关闭与自然通风的风向对 整个房间内的空气新鲜度有直接联系。 图岳3 工况1s r = z s m 空气年龄分布 图“工况1z - - 1 2 m 空气年龄分布 工况1 中，来流区域的空气年龄值明显小于其他区域；由于厨房窗与外界的 相通，加强了厨房区域的空气流动；卧室方向的流动则由于卧室窗的关闭，流动 较弱，空气年龄值明显大于其它的区域。 图6 - 5 工况2x = 2 5 m 空气年龄分布 图6 6 工况2 z = 1 2 m 空气年龄分布 工况2 中由于两侧窗均与外界相通，房间内的整体通风效果强于工况1 ，卧 室内的空气新鲜度有了明显改善，但由于结构问题，在卧室与厨房中仍然存在面 积较大的流动较弱的区域。 图6 - 7 工况3x = 2 5 m 空气年龄分布 围6 _ 8 工况3 芦1 2 m 空气年龄分布 工况3 与工况1 的情况类似，当一铡的窗开翅，另一铡的窗与外界楣避的， 房间内部分区域的流动加强，而存在部分区域的流动极弱的现象。 上述三个工况的计算结果表明，当户型结构类似研究中的户型结构，室外存 在从外门进入的风压自然通风时，应同时开启与外界相通的外窗，以加强整个室 内的空气流动，达到换气的目的。 图6 - 9 工况4x = 2 5 m 空气年龄分布 圈6 - 1 0 工况4z - - 1 2 m 空气年龄分布 工况4 中，风压通风从卧室外窗进入房间，在卧室及走道的大部分区域，空 气的新鲜度都较为理想，但由于卧室外窗的面积、位置以及走道的宽度，气流进 入房间的右侧区域之后直接从厨房外窗吹出，未能在外门区域及厨房的区域形成 较强的流动。 图6 - 1 1 工况5x = 2 5 m 空气年龄分布 图6 - 1 2 工况5z = 1 2 m 空气年龄分布 工况5 中，外门为打开状态，房间右侧区域的流动方向有所变化。同时减弱 了厨房内的空气流动。 相同风压自然通风条件下各工况的空气年龄等值线图显示，门窗的关闭情况 对空气新鲜度有直接的影响。实际上自然通风情况下洗手间通过门缝与其它区域 的空气交换量也是相当小的，因此计算中没有引入洗手间与其它区域的空气交 换，主要取其他几个区域的空气年龄平均值作为整体的考虑。表6 - 2 列出了各工 况流动达至稳定状态时各子区域的空气年龄均值。 表6 - 2 各工况子区域空气年龄值 “为外门进入房问后的区域 b 卧室与活动区的过道 为进一步说明各种工况空气年龄的分布情况，对空气年龄的空间占有率进行 分析。 里6 - 1 3 工况1 空气年龄空闻占有率 任 ” m m m 4 m m m o o o o o o o a 鼍杠船量龇蠢廿r斟 瞢 笔 宦 錾 】 卜 磊 a o o z 0 0 3 0 04 0 05 0 00 0 0 空气年龄s 图6 - 1 4 工况2 空气年龄空间占有率 口tqoz 口口4 口口口o口口 空气年赞s 囝6 - 1 5 工况3 空气年龄空间占有率 以上3 个工况的空气年龄空间占有率显示，当自然风由外门进入房间时，工 况2 中房间整体的空气年龄分布较为均匀，集中在1 0 砸5 5 0 s 之间，工况1 空气 年龄值偏大区域的体积分数超过了工况2 中，但在中间段的分布相对均匀，工况 3 中出现了较为极端的分布，少数区域空气年龄值极小，而有较大部分区域的空 气年龄值极大。这与前面的分析是一致的。 5 口 5 o 5 o 5 o m 一 啦 眦 咖 辟忙衄定诎台廿r甜 鼍 驾 是 裂 廿 蕃： 量o - o 缸 j o o o 宣 显o , o o e 】i 卜 蔷”o 圈6 - 1 6 工况4 空气年龄空间占有率 01 0 02 0 0a o o 4 0 0 8 0 0 o 空气年龄s 图6 - 1 7 工况5 空气年龄空间占有率 工况4 中空气年龄值小于1 0 ( 0 的区域体积分数较工况5 更大，但工况5 中 除去少数区域，其他区域的年龄值分布集中在2 0 啮5 0 0 s 之间。 研究结果与分析显示，当房间利用自然通风时，应该合理的开 j 了外门窗，以 达到加强贯穿整个房间的气流的目的。 6 1 2 室内的c 0 扩散 居住生活用途的房间由于人们的生活活动，容易产生有害污染物，如煮食时 煤气的燃烧产物，煤气泄漏也容易给人们的健康带来危险，且往往发生在机械排 风设备没有开启的时候。因此对自然通风下的室内污染物扩散展开研究有一定的 工程意义，能为户型设计的安全性与周边的自然风环境的结合提出指导意见。 a s h r a e 空气质量标准列出，室内8 小时内的c o 的平均浓度不宜超过 9 p p m ，而短时间如3 0 分钟内的浓度不宣超过5 0 p p m u 2 | 。依照以上标准，对该套 间的自然通风设计将c o 的浓度降低至可接受范围所需要的时间展开计算，结果 如下图所示。 c o1 0 0 亚 曩 嚣。” 图6 - 1 8 工况l 室内c o 的排除效率 2 0 0 0 澶动”爵皇| 。” 图6 - 1 9 工况4 ，5 室内c o 的排除效率 通常认为，当室内出现煤气泄漏的时候，应该将所有的门窗都打开，以加快 煤气的排除。而图6 ，1 9 的计算结果显示，当房间的大门开启的时候，厨房内的 c o 排除效率受到较大的影响，两个工况在排除c o 所需的时间上差异较大，这 说明在研究的户型中，通风门窗的合理开关对排除室内污染物有较大的影响。由 于大门的关闭，加强了房问内部由卧室向厨房方向的直流流动，从而能更加迅速 6 9 神 种 神 o 平均聋度啪 的将c o 排除到室外。显示，由于自然风向的关系，两个工况中c o 的扩散仍然 主要集中在厨房内，这从另一侧面说明研究的户型结构的通风设计基本合理；当 气流为穿堂的直流风时，气流能有效的避免污染物向生活区扩散。 进一步使用体积分数法对该套间中厨房的c o 浓度分布均匀性进行分析，选 择了其中的两个工况，即工况4 和工况5 。 上图显示两个工况中厨房内的c o 平均浓度经过不同的时间都降到了 a s h r a e 中提到的5 0 p p m 甚至9 p p m 的水平之下，但基于对空气质量的全面分 析，我们需要对厨房内c o 浓度分布的均匀性进行进一步分析。依照图中的曲线 趋势，选取两个工况的平均浓度刚达到5 0 p p m 以下的时刻对c o 浓度的g 铆和， 进行分析。工况4 选择的时刻为1 2 0 0 s ：工况5 选择的时刻为1 2 0 1 前文已经指出，进行分析的两个工况均已满足了厨房内c o 平均浓度低于 5 0 p p m 的条件。此处我们将引入已经过验证的体积分数法对厨房内的c o 浓度的 空间占有率。依照图6 2 0 与图6 2 1 进行分析。图6 2 0 的曲线对比显示，尽管工 况4 与工况5 的通风条件不同，它们的，o ) 曲线在整个定义域上都表现出单调递 减的趋势，这说明在这一时刻，整个厨房内的c 0 浓度分布呈现出来的是相对良 好的一个状况，也说明c o 已经处于被有效的排除过程当中。但分析两个工况中 c o 浓度空间占有变化率的分布，结果显示，在平均浓度已经满足安全标准的情 况下，仍然会有一部分空气微元的c o 浓度值超过5 0 p p m 。比较图6 2 0 中两个 曲线横坐标大于s o p p m 的曲线面积，可以发现这一现象在工况4 中表现得更为 显著，这一点进一步证明完全依靠基于平均浓度推导的传统参数进行分析评估是 存在不足的，体积分数分析法能够在一定程度上弥补这些不足。 c 0 旅度t p p m l 圈6 - 2 0 工况4 ，5 c o 的体积分数 o5 01 0 0 5 0 2 0 02 5 0 3 0 0 3 5 04 0 04 5 05 0 0 c o 鞭度( p p m 圈6 - 2 1 工况4 ，5 的c o 的空间占有率 上述的分析结果表明，研究选用的户型结构在自然通风排除有害气体的设计 方面基本能达到要求；另一方面，要较好的保持空气质量，为人们提供一个舒适、 健康的生活工作环境，需要对房间的布局与通风设置的安装进行全面的研究分 析。使用c f d 方法对室内空气环境进行研究的时候，复杂的结构给环境分析带 来了一定的困难。区别于传统参数，分析中引入了体积分数分析法，用以分析室 内空气质量包括空气年龄以及污染气体浓度分布的均匀性。结合传统参数的使 用，该方法能较好的反映出空气环境中不同物理量分布的均匀程度，从而对室内 的空气环境做出更全面的评估。验证了体积分数法的可靠性与实用性之后，文中 对自然通风条件下，某住宅内发生煤气泄漏的情况进行了模拟，研究了不同自然 通风条件下c o 从室内排除的效率，并使用了体积分数法对室内的空气年龄分布 赫求嚣茸o o 恤 川 懈 *晕散社虹犀烈茸锚100 进行了分析。以上的研究得到如下结论： 自然通风情况下，房屋通风设施的开关状态与保持室内空气的洁净存在相关 性，风压作用下的自然通风如为穿堂风，则其通风效果是较优的； 从通风排污的角度分析，文中研究的小户型住宅的结构设计基本能满足健 康、安全的要求； 体积分数分析法能够反映出室内空气质量的均匀程度，结合传统参数能够更 全面的对室内空气质量进行评估。 6 2 机械通风下室内空气环境的数值模拟 机械通风与自然通风不同的是机械通风系统能对送风量、送风角度以及温度 进行调节。在居住工作的空间内，室内空气流动容易受到家具、办公设备及生活 设施的影响，从而导致室内空气环境参数分布的不均匀。在机械通风设备安装固 定的前提下，合理的调整送风量、送风角度以及温度能获得更好的室内空气环境， 因此应用体积分数分析法对机械通风下的室内空气质量进行分析具有一定工程 意义。在实际安装中，办公室内选择侧墙安装送风终端设备的情况具有定普遍 性，因此本部分引入某采取侧墙机械送风的研究室，送风量中的新风量比例为 1 0 0 。对机械送风条件下该房间内的空气新鲜度进行数值模拟与分析，比较了 不同角度送风下整个室内空间空气年龄分布的均匀程度；并进一步引入墙面受热 条件，比较动态送风与稳态送风下热环境的变化情况。研究室外观如下图所示， 房间内摆放了5 张办公桌以及一个文件柜，引入办公桌及文件柜能更真实的反应 出实际的环境特点。 圈6 - 2 2 研究室外观 表6 - 3 门窗开闭情况及送风速度 家具 壁面条件 空调速度入口l m s 大门关闭 窗l关闭 窗2关闭 窗3 出口 6 2 1 送风角度对通风效果的影响 本部分首先将体积分数分析应用到空气年龄上，并与传统参数相结合，对室 内空气质量进行研究。计算中，三个工况送风口的送风角度分别为0 。，3 0 4 及 4 5 。，研究送风角度的变化对室内空气年龄的分布是否有影响和怎样影响，窗1 为出风口考虑到房间的尺寸及边界条件，室内空气流动处理为湍流流动。文中 采用的是标准k f 湍流流动模型。送风速度为l m s ，计算结果如图6 2 3 至图6 2 8 所示。 固6 - 2 3o 口l ，l m , z = l 6 m 平面空气年龄分布 圈6 - 2 43 0 。z = 1 1 啦z = 1 6 m 平面空气年龄分布 图6 2 54 5 。z = 1 1 m , z = 1 6 m 平面空气年龄分布 田6 - 2 6o 。y _ - o 5 m , y = 2 9 m 平面空气年龄分布 圈6 - 2 73 0 口y ：0 5 m y - - 2 5 m 平面空气年龄分布 阔觚弋 一， 围6 - 2 84 5 。y = n l y = 2 5 m 平面空气年龄分布 7 4 首先选择z = l ，l m 和z = 1 6 m 两个平面研究空气年龄的分布特点。当送风口 角度为0 。时，图五中显示房间内左下角落处的空气年龄值较室内其他位置的空 气年龄值更大。考虑到研究室内送风口的位置和家具的摆放位置，该现象较为合 理。而在房间的右侧，由于距离送风口较近，空气的停留时间短，更新快，因此 年龄值很小。当送风角度做出调整变大的时候，类似的现象同样在图6 和图7 中 出现。表6 - 4 给出了三种工况中的通风效率及换气率。 表6 - 4 各送风角度下的通风率与换气率 表6 - 4 的数值显示，送风角度为0 6 时，通风性能和换气率比3 0 。和4 5 的 工况要更好。这个结果也和上文对空气年龄分布图的分析结论一致。 前文提到，使用体积分数法最重要的是确定一个相对合理的基准值。已经得 到的计算结果显示三个工况中的平均空气年龄是不同的。因此，我们对每个工况 选取其平均空气年龄作为基准值，分析不同送风角度下室内空气年龄的分布均匀 程度。水平面和竖直面上空气年龄的分布清楚显示研究室内的空气质量分布是不 均匀的，有必要进一步引入三个工况中的体积分数曲线与空间占有率曲线对室内 的整体空气年龄分布状况进行分析。 凝 求 鐾 幺 莘 诎 5 0o o1 5 02 0 0 空气年龄5 图6 2 9 空气年龄体积分数 oz口40口8 01 口qi z 01 4 口，o - 5 口z z z oz 4 0z oz o 空气年赞位s 闰6 3 0 空气年龄空间占有率 图6 - 2 9 清晰的显示：在整个空间内，对小于1 5 0 s 的任年龄。工况1 中的 微团体积分数要大于其他两个工况的微团体积分数，这是三工况中平均空气年龄 大小的另一方面的体现。同时，空气年龄分布的不均匀性在三个工况中均有体现。 工况1 中，v f d 曲线的两个峰值间的距离比其他两个工况的峰值距离要更近， 这表明，工况1 中的空气年龄分布更集中在平均值附近。而在所有三个工况的 v f d 曲线中，都存在一个共同的特点，即曲线位于平均值左侧的峰值要大于右 侧的峰值。这一点说明，在整个房间中年龄值低于均值的空气微团体积要大于高 于均值的空气微团体积。前面空气年龄的等值线图也清晰的表明通风口左侧区域 的空气年龄值要远远小于其他区域的空气年龄值。等值线与体积分数的分析分别 定性与定量的说明了该研究室内各送风条件下空气年龄分布的不均匀程度。 a s h r a e 的标准中引入了一些评估子区域的指标，如区域空气分布效率。这些 指标能够帮助评估每一个子区域的空气分布情况，但同时给数值带来了构造模型 的困难。体积分数分布的分析方法则避免了类似的情况。 由于在研究室内摆放了桌台等家具，为了研究桌台对空气流动的影响，下面 对z _ 1 1 m 的区域进行空气年龄体积分数分布的分析。 0 2 o e e 2 o 叭 引 伸 o o o o o o o o o o 井忙衄g悄萼辐廿r诎 o2 04 0b o8 0o o1 2 0 4 0 1 6 0 空气年龄s 围6 - 3 1 区域z t 1 m 的空气年龄体积分数 02 04 0oo o o 2 0 4 0 o 空 【年龄s 图6 - 3 2 区域驴1 1 m 的空气年龄空间占有率 图6 3 1 与图6 2 9 相比较，三个工况的体积分数曲线存在相交的现象，这说 明就该区域的空气年龄值而言，并没有哪种工况是最优的。将图6 - 3 2 的空气年 龄空间占有率与图6 3 0 相比，可以发现在三种送风角度下区域内所有空气微团 的空气年龄值均在1 5 0 s 以下，而图6 3 0 中有部分空气微团的年龄值超过了1 5 0 s ， 最大值达到了2 5 0 s 。这说明空气年龄值较大的空气微团集中在z 1 1 m 的区域， 房间内的布局与办公桌椅对室内气流组织及空气年龄的分布存在着较大影响。另 一方面从均匀性的角度进行分析：当送风角度为0 。时，各空气年龄的体积分数 值较为均匀的分布在平均值附近；当送风角度为3 0 。与4 5 。的时候，各空气年 龄的体积分数主要集中在低于平均值的区域。 盯 = ! 藏求氍擎箍廿r钳 o o o o o 苷忙蛆磨猫掘由_r斛 6 2 2 动态送风与稳态送风对室内热环境的影响 机械送风设备可以动态的调整送风角度、强度甚至模拟自然风的效果，一方 面能促使室内空气的混合程度更佳，整个区域的分布更为均匀，另一方面，让人 体获得更佳的舒适度。在已有的研究中，研究人员就送风特性的几个方面对p m v 值的影响做了大量工作。 在太阳能充足的地区，太阳热辐射对房间墙面有明显的加热作用，会导致墙 面与室内气流温度产生明显温差，即使在机械通风的房间内，这样的加热效应对 整个房闻热环境的影响也不可忽略。引入太阳热辐射对墙面的加热作用，对机械 通风下室内热环境进行分析是有必要的，计算中没有引入太阳能辐射的动态变 化，认为房间内南向的墙面受到了较强的太阳辐射，墙面与房间内的温差为7 ， 本部分将u d f 与p m v 体积分数动态分析程序结合，对以下两种工况下研 究室内的热环境动态变化过程进行研究，通过p m v 体积分数的时程曲线反映各 工况的工作效能。 表6 - 5 工况送风参数 本部分的分析中将结合使用p m v