李祥倩，孫萬雪，戚素素

（山東華宇工學(xué)院，山東 德州 253034）

0 引 言

隨著社會(huì)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(duì)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(jì)，一個(gè)人一生中大約有80%～90%的時(shí)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(duì)人們的身體健康產(chǎn)生重大影響，因此建筑物室內(nèi)通風(fēng)節(jié)能得到越來越多人的重視。如果還是選取早期的通風(fēng)方式，勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致成本的大幅增加和時(shí)間的大量消耗，而且可能會(huì)不符合室內(nèi)環(huán)境要求，因此選擇合理的通風(fēng)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(fēng)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(fēng)方式。

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

1 送風(fēng)方式

在通過Fluent軟件進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算時(shí)，對(duì)大型會(huì)議室內(nèi)三種送風(fēng)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(duì)流場的影響進(jìn)行了分析，這三種通風(fēng)方式的主要區(qū)別是風(fēng)口位置設(shè)計(jì)不一樣。下面對(duì)三種通風(fēng)方式進(jìn)行簡單的介紹：

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

（2）上送下回方式。是空調(diào)房間以往最常用的送風(fēng)方式，出風(fēng)口設(shè)置在建筑空間的上部或側(cè)墻上部，回風(fēng)口設(shè)置在下側(cè)墻壁上。送風(fēng)氣流經(jīng)過工作區(qū)上部，帶動(dòng)氣體流動(dòng)，從下部的回風(fēng)口排出。送風(fēng)方式主要有孔板送風(fēng)和散流器送風(fēng)。就通風(fēng)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(fēng)也有其缺點(diǎn)：在建筑物上部有未使用的空間，這就增大了通風(fēng)區(qū)域，提高了冷（熱）負(fù)荷量，導(dǎo)致能耗增高，而且這種送風(fēng)方式比側(cè)送風(fēng)方式多消耗25%～30%的送風(fēng)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(fēng)，由房間上部回風(fēng)管道排出，送風(fēng)過程中避開了上部無用空間的負(fù)荷和燈光熱負(fù)荷，可以減少送風(fēng)冷量（熱量）要求，降低投資成本，送風(fēng)速度較小，噪音也低，是一種較為理想的送風(fēng)方式。然而，下出口形式復(fù)雜，數(shù)量大，操作管理難度大。目前，許多空調(diào)設(shè)計(jì)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(fēng)方式的例子較少。

2 模型介紹

本文使用假設(shè)模型進(jìn)行探究，該課題模型參照用途是學(xué)術(shù)報(bào)告廳式的大型會(huì)議室房間，該房間可供150人的會(huì)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(huì)議室的假設(shè)尺寸，在Geometry中建立對(duì)應(yīng)的簡化物理模型，除了送回風(fēng)口位置不同外，三個(gè)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(fēng)方案參數(shù)表

在這三種方案中，將送風(fēng)量和送風(fēng)溫度設(shè)為定值，以風(fēng)口位置和風(fēng)速為自變量進(jìn)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(duì)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(rèn)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(fēng)溫度設(shè)置為299.15 K，送風(fēng)速度依照表1設(shè)置。可以認(rèn)為在這三種工況下送風(fēng)能耗是相同的。其中側(cè)送側(cè)回式送風(fēng)使用圓形噴口模型，上送下回式送風(fēng)采用條形風(fēng)口模型，而下送上回式由于對(duì)風(fēng)速要求較高，選用旋流送風(fēng)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(rèn)值，材料保持默認(rèn)的aluminum。

在solution下方進(jìn)行菜單設(shè)定時(shí)，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(jìn)行初始化，確定迭代步數(shù)，開始模擬計(jì)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(fēng)中，當(dāng)送風(fēng)溫度為294.15 K時(shí)，=7.5 m出風(fēng)口截面處可以看到，送風(fēng)口水平方向溫度場分布為295.4 K～296.4 K，而且隨著送風(fēng)距離的增加，氣流下落得很快。從這個(gè)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(fù)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(fēng)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(fēng)方法中，當(dāng)送風(fēng)溫度為294.15 K時(shí)，在=7.5 m出風(fēng)口截面處可以看到，送風(fēng)口水平方向溫度場分布為294.1 K～295.5 K，而且送風(fēng)距離較遠(yuǎn)，接近房間寬度。在這個(gè)截面中可以看到下部工作區(qū)溫度變化較小，氣流到達(dá)右側(cè)下落并從出風(fēng)口排出，導(dǎo)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(fēng)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(fēng)中，當(dāng)送風(fēng)溫度為294.15 K、出口送風(fēng)速度為0.3 m/s時(shí)，房間豎直方面溫度場如圖6所示，在=6 m出風(fēng)口截面處，氣流從送風(fēng)口垂直射入，在出風(fēng)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(kuò)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(fēng)中，當(dāng)出口送風(fēng)速度為6.8 m/s時(shí)，從y=7.5 m出風(fēng)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(fēng)在射入后，做拋物線流動(dòng)。在這個(gè)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(duì)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(duì)墻折轉(zhuǎn)，出現(xiàn)渦旋區(qū)，導(dǎo)致房間右側(cè)風(fēng)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(fēng)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(fēng)中，出口送風(fēng)速度為6.6 m/s時(shí)，從=7.5 m出風(fēng)口截面處可以看到，送風(fēng)口射入氣流后，在水平方向速度場分布比較均衡，而且送風(fēng)距離較遠(yuǎn)。在這個(gè)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(dá)對(duì)墻時(shí)下降，導(dǎo)致房間右側(cè)風(fēng)速較高，約為0.702 m/s，左側(cè)風(fēng)速穩(wěn)定，氣流擾動(dòng)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(fēng)口速度場分布

在下送上回式送風(fēng)中，當(dāng)送風(fēng)溫度為294.15 K、出口送風(fēng)速度為0.3 m/s時(shí)，房間豎直方面速度場如圖9所示，=6 m出風(fēng)口截面處，在出風(fēng)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(fēng)口處速度場截面

4 對(duì)室內(nèi)流場的影響分析

在側(cè)送側(cè)回式送風(fēng)中，房間內(nèi)溫度場左側(cè)進(jìn)風(fēng)區(qū)域的溫度高于右側(cè)出風(fēng)區(qū)域，存在溫度梯度驟變區(qū)域，整個(gè)房間中的送回風(fēng)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(fēng)中，房間內(nèi)溫度場左側(cè)進(jìn)風(fēng)區(qū)域的溫度高于右側(cè)出風(fēng)區(qū)域，整個(gè)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(fēng)中，溫度場除送風(fēng)口和墻壁近距離范圍內(nèi)，整個(gè)房間存在2.85 K的送回風(fēng)溫差。速度場除送風(fēng)口范圍內(nèi)，在整個(gè)房間波動(dòng)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(duì)大型會(huì)議室內(nèi)三種通風(fēng)方式在Fluent軟件模擬計(jì)算下得到的云圖進(jìn)行分析對(duì)比。通過每種送風(fēng)方式下不同截面溫度場和速度場的云圖對(duì)比，最終得出下送上回式通風(fēng)是比較理想的室內(nèi)氣流組織方式。

5 結(jié) 論

通過對(duì)使用Fluent計(jì)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(fēng)方式下會(huì)議室內(nèi)的氣流組織。模擬實(shí)驗(yàn)所得到的圖像，可以為采取何種簡單可靠的通風(fēng)方式提供理論依據(jù)，為室內(nèi)空調(diào)通風(fēng)設(shè)計(jì)提供簡明的方案。

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

對(duì)不同送回風(fēng)口位置的通風(fēng)方式進(jìn)行模擬后，可以得知不同通風(fēng)方式對(duì)室內(nèi)流場的影響。側(cè)送側(cè)回式送風(fēng)和上送下回式送風(fēng)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(fēng)中下工作區(qū)的溫度場和速度場都比較穩(wěn)定，實(shí)驗(yàn)證明在這三種通風(fēng)方式對(duì)大型會(huì)議室內(nèi)流場的影響中，下送上回式通風(fēng)比較穩(wěn)定。