辦公建筑室內環境數值模擬*

周 勃， 宋勝波， 董立國

(1. 沈陽工業大學 建筑與土木工程學院， 沈陽 110870； 2. 特靈空調系統(中國)有限公司， 沈陽 110013)

隨著我國經濟的不斷發展，人們對室內空氣品質的要求不斷提高.大量分析表明，人的一生中有超過80%的時間是在室內度過的[1]，室內空氣品質的優劣與人類健康密切相關，因此，選擇合適的送風方式對辦公類建筑室內熱舒適性和空氣品質的控制特別重要.

近些年來，計算流體力學(CFD)技術在室內環境模擬方面得到了重大發展[2-6].利用計算流體力學技術進行數值模擬具有投資費用少和所用時間短等特點.關于甲醛污染物分布情況前人做了許多工作[7-9].本文以沈陽市某辦公類建筑中一會議室為研究對象，利用計算流體力學技術對會議室內環境進行數值模擬，在不同送風方式下對室內溫度場、污染物(甲醛)濃度場和速度場分布情況進行了數值分析.

1 物理模型和數學模型

1.1 物理模型

會議室在不同送風方式下物理模型如圖1、2所示，其空間結構為：長度為X=7.5 m，寬度為Y=6.8 m，高度為Z=2.7 m，北墻為外墻，東、南、西墻為內墻.窗戶在北墻上，窗戶尺寸為高×寬=1.7 m×0.9 m.本文著重分析同側上送風下回風和頂送風下回風兩種不同送風方式對室內環境的影響情況.模擬工況中，人員、桌子、送風口和回風口尺寸等相關參數如表1所示.

圖1 側送風房間的幾何模型Fig.1 Geometrical model for side air supply room

圖2 頂送風房間的幾何模型Fig.2 Geometric model for top air supply room

1.2 數學模型

本文使用CFD軟件進行數值模擬，計算過程中不考慮空氣與室內各面摩擦情況，會議室內空氣為穩態湍流，不可壓縮且符合Boussinesq假設，采用標準的k-ε模型.會議室內通風的數學模型控制方程包括連續性方程、動量方程和能量方程[10]，其表達式如下所示.

表1 室內人員、桌子、送風口、回風口的相關參數Tab.1 Relevant parameters for indoor personnel，desk， air supply outlet and return air inlet m

連續性方程：

(1)

動量方程：

(2)

能量方程：

(3)

由于本文模擬了污染物(甲醛)從桌子表面向會議室內擴散的過程，應用到組分傳輸模型，因此，控制方程還應包括組分質量守恒方程，其表達式為

(4)

2 模擬結果及分析

影響室內空氣品質的因素有很多，包括送回風口的位置、數量、形式以及送風口的風速和送風溫度等.本文主要研究影響會議室內熱舒適性和空氣品質的主要因素，即送風口位置的變化對會議室內溫度場、污染物(甲醛)濃度場和速度場的影響.本文截取Z=1.2 m(距離地面1.2 m為會議室內人員正坐時呼吸區域的高度)和X=3.75 m截面來分別顯示會議室水平面和立面上溫度、污染物(甲醛)濃度和風速的分布情況，通過對比分析選擇出相對較好的空調系統送風方式.

2.1 不同送風方式對室內溫度場的影響

圖3～6分別為側送風方式和頂送風方式下Z=1.2 m、X=3.75 m截面處的溫度場分布情況.由圖3可知，側送風情況下Z=1.2 m截面上溫度場分布相較頂送風方式下差異性較大，局部區域溫度低于23 ℃，會議室內人員會有明顯冷感；靠近北墻一側由于受室外溫度影響，溫度分布趨于均勻.由圖4可知，頂送風情況下室內溫度較均勻，會議室內活動區域溫度保持在23.7～25 ℃的范圍內，室內舒適性較好.雖然存在局部區域溫度低于23 ℃，但范圍較小，對整體的影響不會太大.由圖5、6可知，采用側送風方式，在X=3.75 m截面上會議室內西墻附近溫度較低，會議室后排就坐的人員會有明顯的冷感，不滿足ISO7730中規定的當人在固定位置從事輕工作時，有效溫度為23～26 ℃的要求.而頂送風方式下，由于送風口直接將空氣送至教室中間，因此，送風口下方部分區域溫度會稍低一些.由于頂送風情況下會議室內溫度大部分處于23.9～25.5 ℃范圍之內，因此滿足室內舒適性要求.

圖3 Z=1.2 m側送風溫度分布Fig.3 Temperature distribution under sideair supply mode with Z=1.2 m

圖4 Z=1.2 m頂送風溫度分布Fig.4 Temperature distribution under topair supply mode with Z=1.2 m

2.2 不同送風方式對室內污染物(甲醛)濃度場的影響

室內甲醛污染帶來的危害已經越來越被人們所熟知[11].圖7、8分別為側送風和頂送風方式下在Z=1.2 m截面處的甲醛污染物濃度分布情況.由圖7可知，人員在會議室開會時的呼吸區域和其他局部區域內甲醛污染物濃度均未超過0.1 mg/m3，室內甲醛污染物濃度滿足《室內空氣質量標準》(GB/T18883)規定的室內空氣中甲醛含量不得超過0.1 mg/m3限值的情況.由于側送風方式空氣在送達西墻后出現下沉，室內空氣循環擾動從而帶動局部甲醛污染物運動，因此，可以明顯看出會議室內西墻附近區域內甲醛污染物濃度值低于東墻側污染物濃度值.由圖8可知，頂送風方式下Z=1.2 m截面上甲醛污染物濃度分布情況相對優于側送風方式，室內污染物濃度最高1.055×10-7mg/m3，且相對高濃度區域較側送風要小.兩種送風方式下靠近北墻一側甲醛污染物濃度明顯高于靠近南墻一側，這是因為北墻一側與室外空氣接觸，有熱量透過北墻傳入室內，從而加速了室內靠近北墻一側桌子內污染物(甲醛)的散發.圖9、10分別為側送風和頂送風方式下在X=3.75 m截面處的甲醛污染物濃度分布情況.從圖中可以看出，兩種送風方式基本上均能夠滿足室內空氣中對甲醛污染物含量的要求.由于甲醛污染物是從桌子表面散發出來，因此從圖中可知桌子表面甲醛濃度較大，隨著與桌面距離的不斷增大，甲醛濃度逐漸減少.

圖5 X=3.75 m側送風溫度分布Fig.5 Temperature distribution under sideair supply mode with X=3.75 m

圖6 X=3.75 m頂送風溫度分布Fig.6 Temperature distribution under topair supply mode with X=3.75 m

圖7 Z=1.2 m側送風甲醛濃度場Fig.7 Formaldehyde concentration under sideair supply mode with Z=1.2 m

圖8 Z=1.2 m頂送風甲醛濃度場Fig.8 Formaldehyde concentration under topair supply mode with Z=1.2 m

圖9 X=3.75 m側送風甲醛濃度場Fig.9 Formaldehyde concentration under sideair supply mode with X=3.75 m

本文對室內甲醛污染物濃度的模擬結果與前人對室內空氣中甲醛污染物濃度的監測和調查結果進行了比較[12-13]，結果基本吻合.

2.3 不同送風方式對室內速度場的影響

會議室工作區域內送風速度分布情況的好壞是衡量熱舒適性的一個重要指標.如果工作區域內氣流運動速度過快，不僅會影響工作區域內溫度的分布，而且會使人有明顯吹風感，但是會提高甲醛的稀釋速度.圖11～14分別為兩種送風方式下Z=1.2 m、X=3.75 m截面處的風速分布情況.

圖10 X=3.75 m頂送風甲醛濃度場Fig.10 Formaldehyde concentration under topair supply mode with X=3.75 m

圖11 Z=1.2 m側送風速度場Fig.11 Velocity field under side air supplymode with Z=1.2 m

圖12 Z=1.2 m頂送風速度場Fig.12 Velocity field under top air supplymode with Z=1.2 m

在側送風方式下，氣流從側送風口射出沿射流方向送至人員工作區域，由圖11可知，由于氣流速度隨輸送距離的增加逐漸減小，再加上受重力影響，在氣流到達西側墻體時送風速度普遍小于0.089 84 m/s，Z=1.2 m截面上最大風速為0.251 5 m/s，工作區域內風速均小于0.3 m/s，符合空調室內有關速度的設計要求.為了與側送風方式下室內的速度分布情況進行對比，本文截取了頂送風方式下Z=1.2 m截面模擬圖.頂送風情況下氣流從送風口直接送至會議室內人員工作區，工作區域內氣流的速度處于0.026 74～0.147 1 m/s之間，遠遠低于0.25 m/s，符合ASHRAE國際標準.由圖13、14對比分析可以得出，X=3.75 m截面上頂送風方式下送風速度更為均勻且均小于0.3 m/s.

圖13 X=3.75 m側送風速度場Fig.13 Velocity field under side air supplymode with X=3.75 m

圖14 X=3.75 m頂送風速度場Fig.14 Velocity field under top air supplymode with X=3.75 m

兩種不同送風方式下室內溫度場、污染物(甲醛)濃度場及速度場的數值對比如表2所示.

表2 不同送風方式下不同參數值的對比Tab.2 Comparison in different parameter values under different air supply modes

3 結 論

本文利用計算流體力學技術模擬沈陽市某辦公類建筑中一會議室內不同送風方式下的溫度場、污染物(甲醛)濃度場和速度場，并對模擬結果進行比較分析，得出以下結論：

1) 頂送風情況下所得室內溫度場分布絕大部分處于23.7～25 ℃之間，滿足夏季室內人員舒適度要求.但側送風方式會造成會議室內西墻附近溫度偏低，局部區域內溫度低于23 ℃，不利于會議室內工作人員的思考和注意力的集中.

2) 會議室采取頂送風和側送風兩種送風方式都未出現會議室內局部區域甲醛污染物濃度超出限值0.1 mg/m3的情況，在頂送風方式下Z=1.2 m截面上甲醛污染物濃度最高為1.055×10-7mg/m3，相比較而言頂送風方式下室內甲醛濃度分布較為均勻，頂送風更有利于維持室內良好的空氣品質.

3) 側送風與頂送風兩種送風方式下室內風速均小于0.3 m/s，但頂送風方式下會議室內空氣流速更趨于均勻，室內風速基本處于0.013～0.093 m/s之間，會議室內人員感覺更舒適.

綜上所述，會議室內采用頂送風方式可更好地為室內人員創造舒適良好的環境.

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