典型住宅內部氣流組織特性與空氣環境模擬研究

朱林軍 鄒惠芬

沈陽建筑大學市政與環境工程學院（110168）

0 引言

根據調查，人一天之中僅有20%的時間在室外，其余時間都在室內活動；室內環境的好壞，時刻影響著室內熱舒適性的好壞，進而影響著人們的身心健康[1]。

圖1 室內環境構成及影響

如圖1 所示，室內環境受聲環境、光環境、空氣環境和電磁環境的綜合影響。其中，光、聲環境主要影響人們的最直接的心理感受；電磁環境屬于動態電磁輻射場，通常對人的影響不大；空氣環境是影響室內熱環境最直接的因素，它反映著室內空氣環境的熱物理參數，諸如人們對溫度、風速等的直觀感受[2]。室內空氣品質及空氣的熱物性直接影響著人們的身體健康[3]。當前，人們對室內空氣環境的要求也日益提高，不同的氣流組織形式對室內空氣環境的影響也不同，因此文章采用CFD 模擬軟件對常見的氣流組織形式進行模擬，以探究其在室內空氣環境中的作用及影響。

1 常見氣流組織形式的特點

氣流組織形式的選擇取決于送風口和回風口位置、送風口形式等因素。其中送風口的位置和形式等是氣流組織的主要影響因素[4]。典型住宅的氣流組織形式主要有四種：①上側送、同側下回，如圖2 所示；②上側送、對側下回，如圖3 所示；③下側送、同側上回，如圖4 所示；④下側送、對側上回，如圖5 所示。

圖2 上側送、同側下回

圖3 上側送、對側下回

一側送、同側回的氣流組織形式（圖2 和圖4），會使得室內大部分的空間處在回流區。自一側送風口送入的新風可以與室內的空氣充分混合，并且室內的污染物濃度和溫度分布比較均勻，回風可以很好地帶走室內的污染物； 但在送回風口對側的上下部可能會形成兩個送風死角。通風效率EV和溫度ET效率約等于1；但換氣效率ηa約等于0.5，比較低。

圖4 下側送、對側上回

圖5 下側送、同側上回

一側送、對側回的氣流組織形式（圖3 和圖5），會使得室內大部分的空間處在渦流區；相較于一側送、同側回的氣流組織形式，在同等條件下，室內大部分區域的污染物排除能力較低，通風效率EV＜1。這一類氣流組織形式的射流速度不宜過大，應避免送風射流達到對側墻。

2 典型住宅內氣流組織形式的數值模擬

2.1 典型住宅的數學模型

圖6 典型住宅模型

為了探究住宅內部氣流分布規律，建立典型住宅內部的流體傳輸過程的物理模型，進行CFD 數值模擬。其中典型住宅模型的具體規格如圖6 所示，模型尺寸為：開間x=5 m，進深y=4 m，層高z=3 m，總容積為150 m3； 其中四個風口置于進深中線上，尺寸均為900 mm×150 mm。上側回、同側下回時選擇風口1、2；上側回、對側下回時選擇風口1、4；下側回、同側上回時選擇風口2、1；下側回、對側上回時選擇風口2、3。模擬時關閉門窗。

2.2 典型住宅的數學模型

為方便建立模型及求解，做出以下合理假設：

①送風口送入的空氣及室內空氣均為不可壓縮理想氣體；②流體為穩態的湍流；③材料物性為常數，除濕溫度分布均勻；④模擬時門窗關閉；⑤不考慮氣體的滲透作用。

根據以上假設，得出描述典型住宅內部環境的數學模型。

連續性方程：

動量方程：

能量方程：

RNG k-ε 模型方程：

式中：ui為i 方向上的速度分量，m/s；ρ為 流體密度，kg/m3；t為流體溫度，℃；Gb為浮力和升力共同產生的湍流動能；C1ε、C2ε、C3ε為常數，C1ε=1.42，C2ε=1.68；當G與τ主流方向一致時，C3ε=1，否則C3ε=0。

2.3 不同氣流組織形式下的室內氣流分布特性模擬

不同的氣流組織形式會在室內形成不同的氣流分布特性，不同的氣流分布特性對室內空氣品質產生著影響，進而影響人們的舒適度甚至身心健康。利用CFD 軟件ANSYS Fluent15.0 模擬計算上述模型室內的氣流分布特性，以此來比較四種方式的特點。

圖7 為四種氣流組織形式模擬完成、條件穩定后的室內溫度分布圖，圖8 為四種氣流組織形式模擬完成、條件穩定后的室內速度分布圖，圖9 為四種氣流組織形式模擬完成、條件穩定后的室內流線圖；圖中對應的四種氣流組織形式依次為：①上側送、同側下回；②上側送、對側下回；③下側送、同側上回；④下側送、對側上回。

圖7 顯示：待條件穩定后，四種氣流組織形式的室內溫度分布情況大體相同。這是由于經過足夠長的時間后，自送風口送入的新風已經使得室內的溫度分布變得均勻，不再因為送風方式的不同而產生差異。

圖7 室內溫度分布

圖8 顯示：“上側送、對側下回”和“下側送、同側上回”的氣流組織形式在房間的中部會形成很大范圍的低流速區，說明送風口的風可能很少流經此區域；而“上側送、同側下回”和“下側送、對側上回”的氣流組織形式的低流速區要小于前兩者，說明這兩種氣流組織形式要好于前兩種。

圖8 室內速度分布

圖9 顯示：“上側送、同側回”的室內流線分布要比“上側送、對側回”的均勻，并且形成的渦流很小；“下側送、對側回”的室內流線分布要比“下側送、對側回”的均勻。

圖9 室內流線分布

3 結論

經過模擬分析，得出以下結論：

1）就氣流組織形式而言，“上側送、同側下回”好于“上側送、對側下回”，“下側送、對側上回”好于“下側送、同側上回”，可以使得送入的風與室內空氣混合充分，并且使得房間大部分區域處在低流速區，溫濕度適宜。

2）上側送風方式在送熱風（風的溫度高于室內環境溫度）時好于下側送風方式；下側送風方式在送冷風（風的溫度低于室內環境溫度）時好于上側送風方式。

3）對于室內環境較差的情況，不建議采用“一側送、對側回”的氣流組織形式。