（制冷及低温工程专业论文）置换通风系统室内流场的实验研究和数值模拟.pdf

摘要 室内环境不仅严重影响着人们的健康和生活质量，还影响着人们的生产力和工作效 率。诸多室内环境问题多与室内空气的流场形式有关。置换通风作为一种新型的通风方式， 与传统通风方式相比，在许多场合具有明显优势。但在我国，置换通风的研究和应用还刚 冈起步，如何深入了解置换通风室内的流场形式和室内热环境的影响因素将有助于我们更 好的了解置换通风系统。 本文研究了置换通风系统送风参数和环境参数对室内流场、温度场及热舒适性等参数 的影响。利用a i r p a k 数值模拟软件对常见的办公室环境下的置换通风系统室内流场进行 了c f d 计算，分析了室内温度场、气流组织、污染物和热舒适性的分布特性。建立了置换 通风实验台，测量了不同送风量、送风温度和环境温度下的室内各点的垂直温度分布和人 体不同部位的温度。模拟值与实验值的比较表明，两者基本吻合，证明了本文所建数值模 型的可行性。最后，在模拟和实验结果的基础上分析了这三种因素对室内温度分布的影响。 得出以下结论： ( 1 ) 送风量越大，室内垂直温度梯度越小，人体头脚温差减小。 ( 2 ) 送风温度的变化，只对室内整体温度有影响，而几乎不影响室内温度梯度。 ( 3 ) 环境温度对下部区域垂直温度梯度影响较大，但对下部区域温度值的影响小于上 部区域。 关键词：置换通风，数值模拟，垂直温度梯度，热舒适性 t h ei n d o o rc l i m a t en o to n l ys t r o n g i ya f f e c t sh u m a nh e a l t ha n dl i f eq u a l i t y , b u ta l s ot h e i r p r o d u c t i v i t ya n dw o r ke f f i c i e n t l y n u m e r o u sp r o b l e m so fi n d o o rc l i m a t ea l ea s s o c i a t e dw i t h i n d o o ra i rd i s t r i b u t i o n d i s p l a c e m e n tv e n t i l a t i o n ( d v ) a san e wv e n t i l a t i o ns t y l e ，c o m p a r e dw i t h t r a d i t i o n a lv e n t i l a t i o n ，h a ss h o w e ds e v e r a lr e m a r k a b l ea d v a n t a g e so nm a n yo c c a s i o n s h o w e v e r , t h er e s e a r c ho fd i s p l a c e m e n tv e n t i l a t i o nh a sj u s tb e e nc a r r i e do u ti nc h i n a t op r o f o u n d u n d e r s t a n dt h ee f f e c t so fi n f l u c n c i n gf a c t o r so nt h e r m a li n d o o rd i m a t ec a l lh e l pu sk n o w d i s p l a c e m e n tv e n t i l a t i o ns y s t e m w e l l t h em a i na i mo ft h i sp a p e ri st or e s e a r c ht h ee f f e c to fs u p p l ya i rp a r a m e t e r sa n da m b i e n t p a r a m e t e r so nt h ef l o wf i e l d 。t e m p e r a t u r ef i e l da n dt h e r m a lc o m f o r ti nd vr o o m c o m p u t a t i o n a l f l u i dd y n a m i c s ( c f d ) h a sb e e nu s e dt op r e d i c tt h ef l o wf i e l do fg i v e nd vs y s t e m ，t h e d i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft e m p e r a t u r e ，v e l o c i t y , c o n t a m i n a t i o n sa n dt h e r m a lc o m f o r th a s b e e nd i s c a s s e d t h e n , e x p e r i m e n t sh a v eb e e nc a r r i e do u tf o rt h eg i v e np r o b l e m t h ev e r t i c a lt e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o na n dt e m p e r a t u r ea r o u n dt h ep e r s o nu n d e rd i f f e r e n ts u p p l ya i rp a r a m e t e r sa n da m b i e n t p a r a m e t e r sa r eo b t a i n e d t h ec o m p a r i s o nb e t w e e nn u m e r i c a lr e s u l t sa n de x p e r i m e n t a lr e s u l t s s h o wag o o da g r e e m e n t ，w h i c hm e a n 8t h ec f dm e t h o du s e di n t h i sp r o b l e ms e e m sf e a s i b l e t h ee f f e c to ft h e s ei n f l u e n c i n gf a c t o r so ni n d o o ra i rt e m p e r a t u r eh a sb e e na n a l y z e db a s eo nt h e n u m e r i c a la n de x p e r i m e n t a ld a t e s w ef o u n dt h a t ： i a st h es u p p l ya i rf l o wv o l u m ei n c r e a s e s ，t h ev e r t i c a lt e m p e r a t u r eg r a d i e n tb e c o m el o w e r , a n d a l s ow a s t e m p e r a t u r ed i f f e r e n c eb e t w e e nh e a da n d a n k l e s i i t h es u p p l ya i rt e m p e r a t u r ei n f l u e n c e st h er o o mt e m p e r a t u r e , b u tn o tt h ev e r t i c a lt e m p e r a t u r e g r a d i e n t i i i t h ea m b i e n tt e m p e r a t u r ei n f l u e n c e st h ev e r t i c a lt e m p e r a t u r eg r a d i e n t b u tt h ee f f e c to fi to n u p p e r z o n es e e m s l a r g e rt h a no nl o w e r z o n e k c y w o r d s ：d i s p l a c e m e n tv e n t i l a t i o n , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n , v e r t i c a lt e m p e r a t u r eg r a d i e n t , t h e r n l a lc o m f o r t 主要符号表 主要符号表 基本符号 p 压强( p a ) 印 动压，p a p 密度( 坛i m 3 ) r热力学温度( k ) ，空气龄( s ) t 摄氏温度( ) u速度矢量 h u 在石方向的分量 ， u 在y 方向的分量，流速( m s ) w u 在z 方向的分量 z 高度( m ) g 热流密度( w m 2 ) d管径( m ) 准则数 p r 普朗特数 g r格拉晓夫数 希腊字母 r e r a 运动粘度( m 2 厶) _ r 动力粘度 r 湍动粘度 s 热扩散系数，热羽卷吸系数参 温度梯度( 。c m ) a 热膨胀系数 送风 p 回风。t 源项 a 壁面( w a l l ) 常数参数( 操作温度、操作压力、操作密度) 对流换热系数( 叫( m 2 k ) ) 辐射换热系数( 叫( m 2 k ) ) 浓度( p p m ) 定压比热容( j ( k g k 1 ) 重力加速度( 9 8 1 m l , 2 ) 物理距离( m ) 风量，( m l h ) ，发热量( w ) 热源出热羽流量( m l h ) 地面面积( m 2 ) 管道截面积( 肼2 ) 对流换热量( w ) 雷诺数 瑞利数 切应力( i m ) 换气效率 通风效率 局部阻力系数 摩擦阻力系数 热羽 热分层 当地值 散度，d ( u ) 一罢+ 竺a y + 詈 肿d h 。丝+ 丝+ 丝 倒h 。i + 石+ i 5 5 矗一c o g l q q f s 只 y肛“口护芦体，。w。融 在读期间发表论文情况 1 闵凯，刘斌，温广导热系数测量方法与应用分析保鲜与加工2 0 0 5 6 2 k a im i n , x i a m i n gg u o ，b i nl i u n u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h e r m a lc o m f o r ti n o f f i c ew i t hd i s p l a c e m e n tv e n t i l a t i o n 2 n di n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c eo nc o o l i n ga n d h e a t i n gt e c h n o l i g i e s 2 0 0 6 关于论文使用授权的说明 本人同意授权天津商业大学将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 签名：l ：鱼型 导师签名：日期： 第一章前言 1 1 选题背景 第一章前言 随着社会的发展，人们在室内工作和学习的时间越来越长。有关调查表明，现代社会 中人们平均每天有近9 0 的时间是在室内度过的，所以室内环境质量直接影响人们的健 康、工作效率等。室内环境包括室内的工作环境、热环境、光( 照度) 、噪声、空气质量 等多方面的内容，这些在创造人们舒适的工作、生活环境中起着重要的作用。 1 9 0 2 年日本的绪方正规就在东京医学杂志上发表了关于日本房屋换气的论文，而它真 正引起全世界关注、成为研究的热点还是自7 0 年代石油危机之后。由于能源危机，国际 上普遍采取了建筑节能措施，导致不少现代高层建筑的封闭性越来越强，空调换气次数也 尽量减少，加上各种装修材料散发的挥发性有机物( v o c ) ，如甲醛、有机气体等，造成 室内空气品质( i a q - i n d o o ra i rq u a l i t y ) 显著恶化，严重影响人体健康，导致“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 ) ”的产掣1 i 。据美国环保署( e p a ) 调查表明：在美国 i a q 问题是有关全民健康的首要问题之一，受其影响的美国人口多达3 0 0 0 万，由此造成的 生产力下降和医疗费用超过了$ 4 0 0 亿年。在我国虽然没有相关权威机构的统计调查，但 从我国室内环境监测中心室内i a q 监测量越来越大的趋势可以看出此问题在我国也是越来 越严重。特别是近年来人们逐渐意识到工作环境与工作效率的正比性后，对室内环境的要 求也越来越高，传统的通风、空调系统越来越难以满足不断增高的对室内空气品质的要求。 这也进一步推动了对新型室内通风方式的研究。置换通风由于其更为合理有效的通风方式 和在热舒适性、室内空气品质、节能方面的优越性正受到广泛地研究和运用。 置换通风于2 0 世纪7 0 年代首次应用于高大空间的工业厂房，用来排除厂房中的污染 物，到8 0 年代末，置换通风系统开始用于其他类型的建筑中，应用最多的是在北欧的斯 堪的纳维亚地区( s c a n d i n a v i a ) 。我国于9 0 年代初引入北欧置换通风技术，同时开展了这 方面的研究与开发工作，并应用于上海大剧院等工程中，既获得较高的空气品质，也达到 了显著的节能效果，但目前仍然处于起步阶段，应用实例较少。究其原因，主要是设计人 员对置换通风空调系统缺乏了解和设计经验，而技术成熟的北欧地区其夏季气温低于我国 大部分城市。建筑维护结构的保温性也有所不同，再加上随着社会的发展，办公室内热源 形式复杂多变，很多设计经验和参数无法照搬。这就造成了置换通风技术在我国仍未得到 大范围应用的局面。因此深入了解置换通风空调室内的流场参数、热舒适性参数和空气品 第一章前言 质参数，将有利于我们更好的研究、设计和使用该系统。 1 2置换通风系统介绍 置换通风是利用下送上回的送风方式实现通风的一种气流组织形式。它与普通混合通 风的下送上回方式不同，其下送风必须满足低速、低温差和较好的散流性的条件。送风口 出风速度一般不高于o 5 m s 2 1 ，至人脚踝处一般不应超过0 2 m s 。送风通常要比环境温度 低2 4 c ，才能保证低温空气沉降在地面上，同时保证满足热舒适性要求。 1 2 1 置换通风系统的原理 置换通风是依靠密度所产生的压差为动力来实现室内空气置换的。在置换通风系统中 ( 如图1 - 1 ) ，送风口通常都靠近地板，以极低的速度送入室内，送风温度与室温接近，送 风温差仅为2 4 ，送入的低速、低温的新鲜空气因密度大在重力的作用下先是下沉，然 后慢慢扩散，在地面上方形成薄薄的空气层。遇到室内热源将被加热，从地板表面的位置 逐渐上升，产生“热羽”( t h e r m a lp l u m e s ) 形式的上升气流。由于压差作用，“热羽”不 断引入周围的空气，“热羽”内的空气体积逐渐增大，在“热羽”内的空气流量同进入 室内的新风流量相等的地方，一个明显的热力分层产生了。从而将室内空气分为两个区域， 即上部紊流混合区和下部单向流区，这就是所谓的两区理论。置换通风热力分层情况如( 图 卜l - a ) 。空气温度场和污染物浓度场在这两个区域表现出明显的不同特性，单向流动区 存在一个明显垂直温度梯度和浓度梯度，而紊流混合区温度场和浓度场则比较均匀，接近 排风的温度和污染物浓度。 a 温度分布 b 图1 - 1 置换通风原理图 污染物浓度分 布 c 第一章前言 在两区之问有一个过渡层【3 l ，其厚度虽然很小，但是温度梯度和污染物浓度梯度却很 大，空气的主要温升过程在此区内实现，故也被称为温跃层( 见图卜卜c ) 。根据这种分层 的特点，只要保证温跃层在工作区以上，就可以为工作区提供较好的空气品质。空气在上 升的过程中品质越来越差，最后从设置在天花板上或房间的顶部的排风口排出。 1 2 2 置换通风系统的特点 置换通风造成的室内空气环境有如下特点： ( 1 ) 置换通风系统的气流运动是以空气密度差形成的浮力为动力，气流组织类似活 塞流，紊流度低，风速低。 ( 2 ) 过渡层将室内空间分为两个区域( 见图卜卜a ) ，下部区域为低温单向流区，即人 员停留区，没有回流，污染物浓度最低。上部区域为紊流混合区，余热和污染物只要集中 在此区域内，温度高，污染物浓度也高，其空气品质接近于排气。运行中只需控制工作区 的空气状态即可，同时由于送风速度较小，相对于混合通风能节省约2 0 的能耗1 4 】。 ( 3 ) 室内温度和污染物浓度呈层状分布。在上部区域和下部区域中，室内温度和污 染物浓度梯度较小，而在过渡层内温度梯度和浓度梯度均较大，过渡层对应于壁面温度等 于室内平均温度的高度处【5 l ( 如图1 - 1 - b 所示) 。由于室内无大的空气流动，污染物不会横 向扩散，而被上升气流直接卷吸到上部的非人活动区。相对于传统空调，这种特殊的室内 流场方式大大提高了呼吸区的空气品质。 ( 4 ) 室内空气含湿量也存在于空气温度分布类似的层状梯度分布。在下部工作区随 着高度增加而增加，在上部区域则变化较小，甚至在靠近屋顶处有减小趋势。下部区域的 含湿量小于上部区域，于传统混合通风相比，在满足热舒适性指标的前提下，置换通风可 以使用含湿量更高的空气作为送风，因而节约制冷消耗的能量。该特点使其更适合于散湿 量大且热湿同源的场合【6 】。 置换通风与传统混合通风相比最大的优势就在于能为房问提供更好的工作区空气品 质。置换通风内部流场平稳，不像混合通风流场那样存在大的回流流动，因此污染物不会 在全室内混合、扩散，而在垂直方向上形成类似温度那样的分层特点。同时，由于其特殊 的送风方式和温度分层特性，如设计不当，也很可能导致吹风感和热舒适性问题。 第一章前言 1 2 3 置换通风技术参数介绍 ( 1 ) 换气效率 换气效率定义为室内气体的实际换气率】和活塞流的名义换气率1 l ( 即最大可能 的换气率) 的比值。它是衡量室内某点或全室气体更换效果优劣的指标，简称a e e ( a i r e x c h a n g ee f f i c i e n c y ) 1 7 8 】。换气效率通过空气龄来计算，空气龄定义为自气流进入室内 到消失的时间阴，由实验获得。实际测量空气年龄时可以用示踪气体来标识空气。室内空 气的平均年龄由下式给出： r 。f t c , ( t ) d x( 1 1 ) f c 出 式中：e 回风的污染物浓度5 得出空气龄以后，换气效率可由下式得出： ) - = ( 1 2 ) 式中：z 室内空气的平均驻留时问，h ，z 一2 t ； t 为名义换气时间，h ；l - v q ； v 房间体积，m 3 ， q 通风气流流量。 换气效率等于1 只有在理想的活塞流时才有可能，对于传统的混合式通风其换气效率 一般都低于0 5 ，置换通风的换气效率通常介于0 5 0 6 7 之间，换气效率高则空气品质 也将相对提高。 ( 2 ) 通风效率 通风效率是评价通风系统中余热和污染物去除能力的指标，它由室内污染物的排出浓 度决定： 。c = _ 百- c , ( 1 - 3 ) c t c i 式中：c 呼吸区的平均污染物浓度； c 送风的污染物浓度。 通风效率会随着通风量的增加或冷负荷的降低而升高。传统的混合式通风，其通风效 率最大为1 ，实际应用中常为0 5 o 7 ，而置换通风系统由于其上部区域的污染物浓度高 第一章前言 于下部单向流区域，因而其通风效率要大于1 ，通常介于1 2 2 之间f 9 j ，从其值来看置换 通风空气品质优于混合通风。 ( 3 ) 热分层高度 冷空气在遇到热源时受热产生向上的羽状气流，上升的羽流不断卷吸周围空气，当热 羽与周围空气的温度和密度差均为零时，其上升浮力也为零，热羽就开始扩散，形成一个 分界面，也就是说在此高度上，总上升净气流量是与送风量是相等的1 1 0 l 。热分层的高度直 接关系到室内的空气品质和节能效果，是置换通风空调设计的重要参数。热分层的的高度 取决于新风量、热源的特性及分布，很大程度上也受到墙体和顶板的辐射影响。 r k c a l a y 等根据b a i n e s 和t u r n e r 的理论导出了在上升气流量等于送风量处的分界 面高度【1 1 1 ： _ ( 警) 垆 4 ， 式中：q 0 热源处的上升流量，m 3 s ； g 有效重力加速度，g 一g a p p ，m s 2 ； a 热羽卷吸系数，即热扩散率，m 2 s ，可由实验获得。 该公式未考虑室内温度梯度对热羽形成的影响，而且热羽卷吸系数需要通过实验获 得，使用并不是很方便。 据此，m u n d t 教授提出了在考虑周围环境温度分层和不同热源情况下计算热羽流量的 数学模型【1 2 1 ： 对于点热源：观9 a f t 4 ( 警) 邮，观7 缈( 警) c 劫 对于线热源：z 。o s 掣3 ( 警) 叫2 ，一o 3 掣3 ( 警厂 c ，勘 式中：z 一热羽最大上升高度，m 5 z 。热羽与周围空气温差为零处的高度，m 5 d r 如温度梯度； p 熟源对流换热量。 第一章前言 ( 4 ) 垂直温度梯度及送风量 室内的垂直温度梯度直接关系到通风系统的热舒适性，在人员活动区如果垂直温度 梯度过大，会使人感觉头暖脚冷，从热舒适性的角度出发，这一温度梯度应尽可能小。瑞 典e l i s a b e t h m u n d t 教授基于如下假设：( 1 ) 地面于近地面空气的对流换热使空气温度由 t o 升至o ；( 2 ) 屋顶对地面的辐射换热使得地面维持能量平衡。理论推导出无量纲温度分布 【1 2 】： 0 。衄 j t e t 1 p c ，p q i i 1 甘t n 。7 室内的垂直温度梯度由送风量、热负荷类型和大小，壁面温度，送风口扩散性能等因 素有关。由于影响因素多，要精确描述较难。而在实际设计计算中，从舒适性角度考虑， 只需控制人员活动区的温度梯度即可，文献1 1 2 l 在大量的实验基础上提出了计算头脚温差 的经验公式。表达式如下： a 十铲器一坐等监 8 ， 式中：头脚温差( 离地面0 1 米到h 米之间的温差) ，k ； 高度为h 处的温度，人为坐姿时h 取1 i m ，人为站姿时h 取1 8 m ； q 一一综合冷负荷，q - a q , + 尬+ c q 3 其中a = 0 2 9 5 ，b = o 1 3 2 ，c 2 0 1 8 5 ： q l 地面人员和设备的负荷，w ； q 2 室内照明的负荷，w ； q 围护结构及辐射热负荷，w 。 在取定头脚温差后，就可以根据( 卜8 ) 式直接求出所需的送风量，这是根据热舒适性 条件给出的送风量。同时，由( 卜8 ) 式可以看出，增大送风量可以减小温度梯度，但是这 往往会导致地板附近风速过高而引起吹风感，为了在减小温度梯度的同时保证系统的制冷 量，可以考虑采用冷却顶板与置换通风系统结合使用。 计算送风量的另一种方法是根据羽流理论，由于在热分层处热羽的流量是等于送风量 的，所以可由热分层高度处的热羽流量莱确定送风量。b a i n e s 和t u r n e r 1 1 】给出了由热羽 卷吸系数确定的热羽流量： 第一章前言 可q z c s - 护( 玎 其中矗。q g7 ，经整理可得： q - 3 9 c t 4 3 ( q , g t rz 5 p ( 1 9 ) ( 1 1 0 ) ( 5 ) 热舒适性指标 目前使用最广最容易被人理解的热舒适性指标是p m v - - p p d 值，温度分布、p m v 值和 p p d 值被广泛用于热舒适性评价中。本文依据i s 0 7 7 3 0 1 ”】标准来计算适中环境中的p m v 和 p p d 值，该标准中关于热舒适性的评价是基于f a n g e r 1 4 墩授的实验研究得出的。根据其理 论，对于同一房间、相同的活动等级、服装系数。热舒适性与气流速度和温度、温度分层、 相对湿度和湍流强度有关。 p m v 指标代表了对同一环境绝大多数人的冷热感觉，表卜1 给出了p m v 值与人体冷热 感觉的关系。 表1 - 1p h n 值与人体冷热感觉的关系 热感觉冷凉微凉适中微暖暖热 p m v- 3210123 由于人与人之间生理上的差别，每个人对冷热程度的感知是不一样的，故在评价热舒 适性时还应引入预期不满意百分率p p d 指标来表示对环境不满意的百分数。紊流状态下p p d 的平均气流速度和空气温度的关系由下式给出： p p d 川8 0 f 三二旦坐+ 0 0 2 9 3 1 0 0 0 0 8 5 7 o - 1 1 ) it o 一1 3 7j 。 p p o 与p m v 的关系式如下： p p d - 1 0 0 9 5 e x p ( - - o 0 3 3 5 3 p m v 4 0 2 1 7 9 p m v 2 ) ( 1 1 2 ) i s 0 7 7 3 0 对p m v - - p p d 指标的推荐值为p p d i o $ ，相当于在人群中允许有1 0 的人感觉 不满意，p m v 应在一0 5 - 0 5 之问【1 3 】。研究表明，p p d 与头脚温差有很大关系，两者呈指数 关系，当头脚温差2 c 时不满意率为2 ，而当头脚温差为8 c 时不满意率达6 0 【1 5 l 肛6 1 。 i s 0 7 7 3 0 建议，为保证人体热舒适性，地面0 1 m 到1 1 m 处温差不应超过3 c 。 第一章前言 1 3 置换通风系统的研究现状 关于置换通风系统的研究，国内外的学者已经做了大量的工作。该系统最早于1 9 7 8 年在德国的一个焊接车间中使用，2 0 世纪8 0 年代又被用于办公室等商业建筑。而将它上 升到学术高度则是在1 9 8 7 年p v n i e l s e n ，m u n d te l i s a b e t h 等人的研究之后，目前国内 外对置换通风的研究主要归纳为如下几类。 1 3 1置换通风系统中热羽及热分层高度的研究 置换通风主要通过热源上方形成的热羽流的卷吸作用来带走工作区的余热和污染 物，并通过热羽扩散形成的热分层来控制上部区域的余热和污染物不扩散至下部工作区。 因此热羽流和热分层高度是置换通风理论研究的基础。 e l i s a b e t hm u n d t 1 7 1 推导出了求解置换通风房间平均温度梯度的公式，并给出了利用 虚拟点源法计算温度梯度环境下热羽流流量的模型，为置换通风的计算提供了理论基础。 h e e j i np a r k ，d a l eh o l l a n d 1 8 】采用c f d 模拟的方法考察了置换通风不同高度的对流 热源对系统的影响。得出热源高度越高，则它对下部工作区的影响越小，同时在指定送风 速度下，热源高度对热分层高度也有影响。 0 a u b a n ，f l e m o i n e 等【1 9 】用实验方法全面模拟了置换通风室内分层环境中热与的形 成，确定了设计热力分层高度和厚度的标准。并将这些标准用在热源上充分发展的热羽中， 从而建立了计算热力分层高度的经验公式。 a b d e l h a k i mb o u z i n a o u i 4 0 1 等用实验方法对单热源的置换通风室内热分层高度进行了 研究，文中热分层的确定由室内空气温度波动的最大标准差来指示。通过实验和理论结合 给出了由送风量、热源发热量和热源直径计算的热分层高度公式。 t o mw e b s t e r m l 噜对置换通风环境下的热分层效应进行了实验研究，考察了送风温度、 送风量对热分层效应的影响。指出在给定的热负荷下，送风量越小热分层越明显，而送风 温度对热分层效果影响不大，只对影响整个室内温度有影响。 1 3 2 置换通风系统中热舒适性及空气品质的研究 置换通风最大的优势在于其特殊的流场形式能提供更高的空气品质，而正是这种特殊 的送风方式，可能带来人体的热不舒适问题。这两者都是置换通风在实际应用中首要考虑 的问题，国外不少学者在此方面做过研究。 第一章前言 x i a o x i o n gy u a n ，q i n g y a nc h e n 等l 刎人对置换通风空调系统进行了系统的实验研究。 实验对不同类型( 包括中、小型办公室，教室等) 的房间内的置换通风空调系统的各项性 能进行研究，包括室内空气的温度、速度分布，室内污染物的分布，空气龄、通风效率以 及人体的热舒适性等，指出置换通风系统相对于传统混合通风系统能提供更高的空气品 质。 g u o h u ig a n l 2 1 】用e f d 方法研究了置换通风房间的热舒适性，用标准k 一湍流模型来预 测室内气流组织形式、温度和湿度分布。他指出热不舒适性可以通过优化送风速度和温度 来避免，同时还指出送风特性的优化取决于人与散流器的距离。 h x i n g ，a h a t t o n 掣2 2 1 用实验和c f d 模拟的方法，对多热源的置换通风房间进行了研 究，得出了不同热负荷下d v 系统的换气效率、通风效率、空气龄和温度、速度场。实验 中他们还使用了一个带热源的人体模特来评价室内空气品质。最后指出散流器的类型和位 置对呼吸区的空气品质影响很大，而房间上部的混合区对呼吸区空气品质没有太大影响。 d l l o v e d a y ，k c p a r s o n s 等【2 3 l 用一个人体模特的感应来评估置换通风与冷却顶板 结合的办公室内的热舒适性，在该模型中他们考虑了人体衣服热阻的影响，并指出基于 f a n g e r 模型建立的针对置换通风房间的b se ni s 0 7 7 3 0 标准，在此类型的系统中仍适用。 为冷却顶板与置换通风结合系统下空气品质的评估提供了指导。 e l i s a b e t hm u n d t | 2 4 1 对存在无浮力污染源的置换通风房间中颗粒的运动和通风效率进 行了评价，研究了置换通风房间中，由于人员走动和送风而引起沉积颗粒再次从地面区域 卷吸到热羽中的情况下，室内颗粒浓度的分布，指出污染物去除效率很大程度取决于热源 的位置。 1 3 3 置换通风系统中温度、速度、湿度及污染物分布的研究 置换通风室内流场的研究，主要为空气各项参数的分布，这是评价室内流场合理性的 主要手段。此方面的研究相对广泛，国内外很多学者在这方面做了定性定量的分析，但大 多只集中于某一两项参数的研究，较为全面的基于实验的研究成果并不是太多。 e l i s a b e t hm u n d t 1 7 l 推导出了求解置换通风房间平均温度梯度的公式，并给出了利用 虚拟点源法计算温度梯度环境下热羽流流量的模型，为置换通风的计算提供了理论基础。 赵彬，李先庭，彦启森1 2 5 l 建立了n 点风口模型新零点方程湍流模型，并用该模型对一 办公室置换通风的室内温度场和速度场进行了模拟。结果证明该模型与实测值吻合较好。 q t h e n 等瞄l 建立了置换通风下温差和通风效率的计算模型，为系统的合理设计提供了 第一章前言 依据；在前期研究的基础上，他们还为美国建筑中的置换通风设计提供了指导。 e l i s a b e t hm u n d t l 2 4 对存在无浮力污染源的置换通风房间中颗粒的运动和通风效率进 行了评价，研究了置换通风房间中，由于人员走动和送风而引起沉积颗粒再次从地面区域 卷吸到热羽中的情况下，室内颗粒浓度的分布，指出污染物去除效率很大程度取决于热源 的位置。 x i a o x i o n gy u a n l 韧对5 6 种置换通风系的温度场、污染物浓度分布进行了c f d 数值模 拟，并提出了计算温度梯度和通风效率的简化数学模型。 李晓山，倪波【6 】用f l u e n t 软件对一个置换通风办公室的湿环境进行了数值模拟，发现 室内的湿度也呈分层梯度分布，且所得结果与试验结果规律一致。 1 3 4 置换通风系统与冷却顶板的研究 由于置换通风的下送风方式，在满足热舒适性的前提下制冷量较小，于是近几年提出 了置换通风与冷却顶板结合使用的方法。这样，置换通风系统在提高制冷量的同时可以保 证较好的热舒适性。 朱能、刘珊【冽从理论上对置换通风与冷却顶板结合的空调系统中，各种参数对人体舒 适性的影响，并提出了合适的设计值。 那艳玲、涂光掣冽等采用有限容积法分别对带有冷却顶板和不带冷却顶板的置换通风 系统进行了温度场、气流分布及人体的热舒适性的模拟分析，指出加冷却项板的置换通风 系统可以减小室内温度梯度，提高人体的热舒适性。 s j r e e s ，p h a v e s l 3 8 】建立了计算办公室置换通风与冷却顶板系统中换热过程的节点 模型，用数值计算和实验的手段分析了在给定风量下，冷顶板负荷比率与室内空气温度分 布的关系。 k l a u sf i t z n e r 3 9 l 等采用实验手段研究了置换通风与冷却顶板结合使用系统中不同室 内热负荷下，冷却顶板负荷比率与室内空气温度分布和壁面温度之间的关系。指出冷却顶 板负荷比率在0 6 时，置换通风的热分层将消失，室内流场过渡为混合通风流场。 1 4 本文主要工作 布。 本文主要研究不同送风温度、速度下，置换通风室内速度场、温度场和污染物浓度分 ( 1 ) 提出置换通风室内环境的物理模型和数值计算方法； 1 0 第一章前言 ( 2 ) 采用c f d 计算商业软件a i r p a k 对系统不同状态工况进行模拟，得出室内速度场， 温度场和污染物浓度分布数据； ( 3 ) 利用所得数据评价置换通风系统的热舒适性和室内空气品质。 ( 4 ) 搭建置换通风实验台，模拟办公室置换通风系统的运行，测量不同工况下室内 各点的温度、速度数据； ( 5 ) 将模拟值与实验值进行比较，进行误差分析，校核模型的正确性。分析送风温 度、送风速度对系统的影响。 本文创新点在于：搭建了办公室环境下的置换通风实验台，实验台可实现不同的室外 环境温度；通过实验的方法验证了本数值模拟方法的准确性；实验台采用发热人体模特作 为人体热源，发热量可控，更好的实现了实际应用时的情况。 第二章置换通风系统的数值模拟研究 第二章置换通风系统的数值模拟研究 2 1 数值模拟软件的选定 本文的数值模拟研究对象为典型室内流场的模拟，建筑围护结构、热体热源和其它热 源的换热对置换通风房间的空气流动有很大影响，同时送风散流器的散流特性也对其影响 很大。室内的热交换包括导热、对流和辐射换热。需要求解的参数可能包括：空气流速、 温度、二氧化碳浓度、空气龄和热舒适性指标等。 目前可供选择的数值模拟软件主要有a n s y s 、f l u e n t 、a i r p a k 。a n s y s 主要由p o r e 作 图软件来对模型前处理，前处理( 建模) 能力强大，可构建较为复杂的模型。但a n s y s 主 要用于固体耦合换热方面的计算，对于室内流体流动换热的之类的闯题并不理想：f l u e n t 的流体计算能力较为强大，g a m b i t 前处理软件也能实现大部分模型的构建，但f l u e n t 无 法考察室内热舒适性、通风效率和i a o 问题。a i r p a k 为f l u e n t 公司的专业暖通系统数值 模拟软件，其计算内核仍采用f l u e n t 的求解器，计算结果稳定可靠。并可对空调通风系 统进行流场、i a q 、热舒适性和污染物控制的模拟研究。a i r p a k 的前处理简单易用，并且 提供了如人体热源模型、风口模型、风罩等成熟的模块供用户选用，很大程度上了节约建 模时间并较其它软件更能真实地反映室内通风中的实际情况。其计算结果的后处理强大， 可按i s o7 7 3 0 标准计算室内各点的p p d 、p m v 值，给出全面的直观的热舒适性指标。故本 文的c f d 软件采用了a i r p a k 软件来完成数值模拟工作。 2 2 数学模型的确立 2 2 1 控制方程 置换通风系统的送风速度较低，所以除风口附近区域外，室内大部分区域的空气流动 受送风动量的影响不大，室内流场基本呈层流或低雷诺数流动状态。室内空气的流动的动 力主要来自于热源遇冷引起的热浮升力( b u o y a n tf o r c e ) 。 本问题中涉及到传质、传热过程，所有这些流动与传热过程都服从质量守恒定律、动 量守恒定律和能量守恒定律。在流体力学中的表述就是相应的连续性方程和n - s 方程，对 于三维、稳态、不可压的牛顿流体可写成如下形式【3 0 j ： 第二章置换通风系统的数值模拟研究 连续性方程：divu，0(2-1) n - s 方程 d i v ( m u ) 一1 。s 。p + v d i v ( g r a d h ) d i 、，( v u ) 一1 p 叫0 p + v d i v ( g r a d v ) d i v ( w u ) 一1 pa 。p + vd i v ( g r a dw ) ( 2 - 2 a ) ( 2 2 - b ) ( 2 2 - c ) 能量施挈m ( p u t ) i d i v ( 寺删r ) 沼2 彩 数值模拟方法主要有三种，直接模拟法、大涡模拟法和雷诺平均法。前两种方法都需 直接求解n - s 方程组，计算量庞大，普通计算机很难实现。雷诺平均法是采用时间平均的 方法，即把湍流运动看作由两个流动叠加而成，一是时间平均流动，二是瞬时脉动流动。 定义方程中任一变量的时间平均值为，而物理量的瞬时值妒、时均值妒、脉动值之间 的关系为：妒i 妒+ 。将该关系式代入连续性方程、n - s 方程，并对时间取平均即可的时 均式的控制方程组。 2 2 2 湍流模型的确定 对于湍流流动，必须引入湍流模型控制方程组才能封闭，目前常用的湍流模型主要有 两大类：雷诺应力模型、涡粘模型。雷诺应力模型直接构建表示雷诺应力的方程，然后与 其它方程联立求解。涡粘模型不直接处理雷诺应力项，而是引入湍动粘度或涡粘系数，然 后把湍流应力表示成湍流粘度的函数。b o u s s i n e s q l 3 1 1 提出的涡粘假定建立了雷诺应力相对 于平均速度梯度的关系。在其模型中，计算的关键就是确定湍动粘度，根据确定湍动粘度 的微分方程数目的多少，涡粘模型包括：零方程模型、一方程模型和两方程模型。 两方程模型中最典型的是标准七一模型，它是在一方程的基础上，新引入一个关于湍 流耗散率s 的方程后形成的，是目前应用最为广泛的湍流模型。较其它两种湍流模型有很 大改进，但更消耗计算资源，且用于强旋流、弯曲壁面流时有一定失真( 3 2 i 。 零方程模型是指不使用微分方程，而是用代数关系式，把湍动粘度和时均值联系起来 的模型。相比于七一湍流模型少求解2 个微分方程，而仅求解关于质量、动量和能量守恒 的5 个微分方程，大大程度的节省了计算时间i s 3 1 。最著名的是p r a n d t l 提出的混合长度模 型( m i x i n gl e n g t hm o d e l ) ，该模型将湍动粘度用以下公式表示阳： “i p l 2 s ( 2 3 ) 第二章置换通风系统的数值模拟研究 式中：“湍动粘度； 卜一混合长度，由经验公式确定； 卜应变张量的平均比率。 混合长度理论的优点是直观简单，对于射流、混合层、扰动和边界层流动比较有效， 但只在简单流动中才比较容易给定混合长度，对于复杂流动不适合。 q c h e n 在室内空气自然对流和混合对流的直接数值模拟( d n s ) 结果的基础上提出的 新的湍流模型，即室内零方程模型( i n d o o rz e r o - e q u a t i o nt u r b u l e n c em o d e l ) 。该模 型针对房问内非等温流动的r a 数范围( 2 6 3 o x l o “) ，认为涡粘系数正比于流体密度、当 地速度和距离壁面最近距离，得出了湍动粘度的数学表达式1 2 6 l ： “= 0 0 3 8 7 4 p v l ( 2 - 4 ) 式中：0 0 3 8 7 4 比例系数，由直接数值模拟的结果拟合而得； l 空间某点距最近壁面的距离。 该模型是专门针对室内气流模拟发展出来的，是较为节约计算资源且简单可靠的一种 湍流模型。q c h e nl z 6 】通过实验对比，认为该模型用于h v a c 工程中常见的自然对流、强 制对流和置换通风情况下时，与实验值和标准k e 模型计算值吻合得很好。同时，相比标 准i 一模型，室内零方程模型节约了很大部分的计算机资源，计算速度也提高了约l o 倍。 因此在同样的计算机资源下，可以通过减小网格步长、提高网格数来获得更为精确的结果。 在本文置换通风这样的场合，使用室内零方程模型显然比标准七一两方程模型更可取。 2 2 3 边界条件的处理 室内零方程模型的边界条件主要有三种，本文所用的边界条件为两种，即自由边界和 常规边界条件。 ( i ) 自由边界条件即无粘滞流的边界，如送风口、回风口。对于送风口，其边界条件 如下： m = t = z 二腑c ；c - 。 ( 2 - 5 ) 式中下标s u p p l y 表示送风口。 对于回风口，通常给定一个压力，并假设其它参数的梯度在其表面的法向梯度为零： p a 只。 ( 2 6 ) 喜0婴0 一a c 。0 ( 2 - 7 ) 缸缸缸 第二章置换通风系统的数值模拟研究 式中：p 一回风口处压强； x 距离回风口边界的法向距离。 ( 2 ) 一般边界条件包括墙壁、天花板、地板和