2. 北京工业大学 建筑工程学院,北京 100124
2. College of Architecture and Civil Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, P.R.China
人的一生中80%~90%的时间是在室内度过的[1],因此,室内空气品质的好坏直接关系到人体身心健康和工作效率。随着经济的发展,人们对室内空气品质的要求不断提高,关于室内通风模式与空气品质的研究也因此取得了大量的研究成果[2-5]。而室内污染物的分布与迁移特性受多重因素影响,其中,室外气象参数以气固耦合的方式时刻影响着室内热环境的变化,进而影响室内污染物的分布。目前,关于室内环境参数对室外气象参数瞬时变化的动态响应研究还未见报道。笔者借助CFD软件,采用湍流标准k-ε模型,以兰州某办公室为例,在两种通风模式下对室内温度场、速度场和污染物CO2浓度场进行了数值分析。
1 物理模型和数学模型 1.1 物理模型所研究空调房间的物理模型如图 1所示。其进深X=6.5 m,宽Y=4.0 m,高Z=3.2 m,西、北墙为外墙,东、南墙为内墙。窗户在西墙上,其尺寸为高×宽=1.8 m×1.5 m。采用散流器(顶送风)和百叶窗(侧送风)两种送风口形式。室内人员、送回风口位置及尺寸、设备等的相关参数如表 1所示。
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图 1 计算房间模型 Figure 1 Physical model of the calculating room 1-送风口; 2-回风口; 3-灯; 4-柜子 |
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表 1 室内人员、设备相关参数 Table 1 Parameters of persons and equipments in the room |
计算中,忽略固体壁面间热辐射,室内空气为透明介质,不参与辐射换热[6],室内空气流动为稳态湍流,不可压缩,密度的变化采用Boussinesq假设。室内人体呼出的CO2作跟随运动,不影响空气的运动。采用标准k-ε模型进行模拟。室内空气湍流流动与组分输运方程具有相同的形式[7],对于稳态传热问题,通用控制方程形式均可表示为:
∂∂x(ρuΦ)+∂∂y(ρuΦ)+∂∂z(ρwΦ)=∂∂x(Γ∂Φ∂x)+∂∂y(Γ∂Φ∂y)+∂∂z(Γ∂Φ∂z)+SΦ, | (1) |
式中:Φ为通用变量,分别表示u,v,w,T,k,ε,τp。方程中各系数列于表 2。
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表 2 控制方程中各系数的确定 Table 2 The coefficients definition of the governing equations |
湍流动能剪切项:
Gk=μtρ{2[(∂u∂x)2+(∂v∂y)2+(∂w∂z)2]+(∂u∂z+∂w∂x)2+(∂w∂y+∂v∂z)2+(∂u∂y+∂v∂x)2}。 |
湍流动能浮升力产生项:
影响室内空气品质的主要污染物包括CO2、尘粒及挥发性有机物等。CO2的浓度指标通常是空调新风量和保证空气品质的重要依据[9],这里以CO2作为室内主要污染物。
1) 入口边界:以矩形送风口出口为计算区域的流动入口边界。
a.温度:采用温差送风,温差为8.0 ℃,室内温度为26.0 ℃,则送风温度为18.0 ℃。
b.速度:依据文献[10]中关于舒适性空调房间送风口选型、送风速度校核等过程进行了计算,最后确定送风速度为3.9 m/s。因此,顶送风时:u=v=0,w=-3.9 m/s;侧送风时:v=w=0,u=-3.9 m/s。
c.k和ε设置:k=0.002,ε=0.000 8。
d.CO2的体积分数:送风口CO2的体积分数设为0.04%。
2) 出口边界:以回风口为计算区域的出口边界,
3) 壁面边界:
a.室内所有气固交界面的空气流动取速度无滑移条件,即u=υ=w=0。
b.考虑室外太阳辐射,采用谐波法得到室外空气综合温度,进而得到不同时刻西墙及北墙内壁面温度[11],作为求解该时刻室内湍流自然对流换热控制方程的壁面温度给定值。南墙和东墙内壁面、桌子及柜子等障碍物表面均视为绝热边界。
4) 热源边界:人体热源强度取69.33 W/m2,计算机和灯的散热强度按表 1中参数值计算。
5) 人体呼吸边界:人体呼出的CO2含量按0.017 3 m3/h·人计算[12],人体呼出的CO2体积分数为4%。
2 数值求解方法 2.1 网格划分在直角坐标系下将计算区域进行划分,网格数目为130×80×64,共665 600个网格,网格最小体积为1.25×10-4 m3,最小正交网格质量为1,网格最大纵横比为1.732,可判定网格质量优良。
2.2 数值方法采用有限体积法对控制方程进行离散;应用SIMPLE算法求解速度/压力耦合问题[13];梯度项方程采用Green-Gauss Cell Based格式离散;动量方程、能量方程、湍流动能方程、湍流动能耗散率方程、组分输运方程及DO辐射模型方程(描述太阳辐射对围护结构的热作用)均采用二阶迎风格式离散。
3 计算结果及分析 3.1 外气参数对室内污染物浓度场的影响这里考虑的外气参数主要指室外温度。室外逐时温度和综合温度的逐时变化通过围护结构的热传递过程来影响室内热环境,不断改变作为数值模拟热边界条件的两外墙内壁面温度。而空调室内的空气流动是一个空调送风的强迫对流和由温差引起的自然对流共存的流动形态,因此,流场、温度场和污染物浓度场之间存在强烈的耦合关系。限于篇幅,笔者只给出8:00和16:00的浓度场模拟结果,速度场和温度场的变化另文讨论。经计算可得8:00时,北外墙和西外墙外侧室外综合温度分别为26.15 ℃和26.54 ℃,北外墙和西外墙内壁面温度分别为26.04 ℃和26.86 ℃;16:00时,北外墙和西外墙外侧室外综合温度分别为29.62 ℃和50.0 ℃,北外墙和西外墙内壁面温度分别为25.9 ℃和26.47 ℃。可以看出,16:00时两外墙内壁面温度稍低于8:00时的值,这是墙体对温度波的延迟效应所致。
图 2为顶送风时不同时刻室内工作区(X=1.4 m)横断面上的CO2浓度分布。可以看出,8:00时室内污染物浓度关于房间纵轴线呈对称分布,靠近南、北墙附近区域浓度梯度结构相近。这是因为此时的太阳辐射对北墙内壁面温度的影响非常微弱,自然对流驱动力还不足以改变室内强迫对流形成的流场结构和温度场结构,从而使得与之相关联的浓度场也就表现为图中显现的层状分布。到了16:00时,室外温度波经过墙体的衰减、延迟效应后使得北墙内壁面温度有所升高,激励了北墙内壁面附近的自然对流换热强度,该区域的CO2在浮升力作用下快速扩散,浓度降低,更趋均匀;相反,对于作为内墙的南墙内壁面由于温度较低,CO2因此在其附近区域集聚。但两个时刻下室内污染物浓度均小于0.1%,符合室内空气质量标准要求[14]。
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图 2 横断面CO2浓度分布(X=1.4 m,顶送风) Figure 2 CO2concentration profile in transversal sections (X=1.4 m, ceiling air supply) |
从室外温度逐时值和室内污染物浓度变化过程来看,室内空气质量在室外较高温度时要比室外较低温度时好一些。这实质上是室内热环境参数通过围护结构对室外热环境参数变化动态响应的结果,室内热环境变化相对于室外换热环境状况存在时间上的滞后性,由于室内流场、温度场、污染物浓度场之间的耦合关系,这一滞后也体现在了室内污染物浓度的时空分布上:即下午室内局部区域污染物浓度比早上低,整体上更趋均匀。
图 3为顶送风时不同时刻室内工作人员呼吸区(Y=1.1 m)水平面上的CO2浓度分布。新风自房间顶部流出,与室内原有空气进行热交换和动量交换,稀释了室内CO2浓度。但这一过程与室内的流场和温度场结构有关。8:00时室内温度受太阳辐射影响微弱,靠近南、北墙附近的浮升力不足以带动呼吸区的CO2随边界层而运动,所以,靠近南、北墙附近区域的CO2浓度集聚呈层状分布,梯度较大;到了16:00时,室内热环境受太阳辐射影响显著,自然对流换热强度增强,室内分子动量交换加剧,污染物CO2迁移速率增大,其浓度更趋均匀,而且,总体水平低于8:00时的情况。
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图 3 水平面CO2浓度分布(Z=1.1 m,顶送风) Figure 3 CO2concentration profile in horizontal sections (Z=1.1 m, ceiling air supply) |
不同的送风模式必然对应不同的室内污染物空间分布和空气品质。笔者分别采用顶送风/下回风和侧送风/下回风两种通风模式进行了数值试验。这里只给出16:00时的模拟结果。
图 4和图 5分别为两种送风模式下工作区X=1.4 m横断面和Z=1.1 m水平面上的CO2浓度分布。可以看出,顶送风情况下房间纵轴线两侧污染物浓度场结构差异较大,靠近北墙一侧污染物浓度较低且比较均匀,靠近南墙一侧污染物浓度较高且集聚严重;侧送风情况下室内污染物浓度场结构关于房间纵轴线近似对称,呼吸区之外区域的CO2浓度水平低于顶送风时的情况,且分布较均匀。这是因为顶送风时的送风口并不在人体正上方(如果这样的话,可能会有吹风感),从风口向下运动的气流会与沿壁面上升气流相互作用,造成各自动量的衰减,从而抑制了工作区污染物浓度被稀释的速率。而侧送风是将新风直接送入呼吸区,部分用来稀释呼吸区的污染物浓度,部分会继续向下运动以吸收人体的预热和余湿。但侧送风时人员呼吸区的污染物浓度梯度要比相同送风参数下的顶送风时大,这是因为侧送风温度比室内温度低,到达呼吸区后继续向下运动,将该区域的污染物“压制”在呼吸区附近。这说明对于同样强度的污染源,顶送风/下回风时更有利于整个房间内污染物的排出,而侧送风/下回风只能达到“局部净化”的目的。
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图 4 横断面CO2浓度分布(X=1.4 m,16:00时) Figure 4 concentration profile in transversal sections (X=1.4 m, 16:00) |
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图 5 水平面CO2浓度分布(Z=1.1 m,16:00时) Figure 5 CO2 concentration profile in horizontal sections (Z=1.1 m, 16:00) |
以上计算结果表明,CFD技术能以快捷、经济的优势获得室内环境参数随室外气象参数变化的分布特征。建筑围护结构对室外条件的热反应取决于其各组成部分材料的热性能和它的自身结构,其热工性能是影响建筑能效的决定性因素。目前我国建筑节能工作的一个重点内容是,为实现节能65%的目标(部分地区已要求达到70%),要求针对不同气候热工分区的建筑围护结构具有不同的热工属性。本文研究对象所在兰州地区属于寒冷地区,夏季日较差小,给出的8:00时和16:00时的模拟结果能够从理论上反映室内环境参数对室外气象参数瞬时变化的动态响应物理机制,揭示流动、传热与污染物扩散的耦合关系。所以,这一方法同样适用于研究处于气象参数变化显著、具有特殊功能建筑内的气流组织设计、空气品质需改善等问题。
4 结论以兰州某办公室为研究对象,采用标准k-ε模型对室内污染物浓度场随室外气象参数的变化进行了数值分析,得到如下主要结论:
1) 太阳辐射以气固耦合的方式影响室内热环境,激励室内自然对流换热过程,从而导致了同一建筑物在不同时刻其室内污染物不同的空间分布及迁移特性。
2) 空调房间内气流是强迫对流和自然对流共存的流动形态,如何组织气流、布置热源及确定工作区范围等,对于污染物的排出关系重大。
3) 针对所研究模型,顶送风模式所得室内污染物浓度场更趋均匀,而侧送风模式则将污染物“压制”在了呼吸区,不利于污染物的排除。寻求合理的侧送(回)风口尺寸、位置及送风工况等以获得较高的室内空气品质是进一步需要研究的内容。
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