建材超市空气场的预测

汪秀清，张庆丰



建材超市空气场的预测

汪秀清1，张庆丰2

（1 武汉纺织大学 环境与城建学院，湖北 武汉 430073；2 中国煤炭科工集团 武汉设计研究院，湖北 武汉 430070）

采用计算流体动力学CFD 技术对某建材超市室内空气场形式进行数值模拟,预测了室内温度场、速度场以及浓度场, 发现用散流器上送风，送风高度在5米左右时，送风温差在15K以上为宜，散流器垂直方向速度为3m/s时，人员的活动范围内的速度基本符合0.3m/s的要求，有污染物挥发时，通风安全系数应不小于9。验证了空调室内气流的动量传递、热量传递和质量传递的高度类似性。

建材；超市；空气场；预测

1　引言

随着人们工作和生活水平的提高,对空调室内气流分布和室内空气品质( Indoor Air Quality ,简称IAQ)提出了更高的要求，对公共建筑室内的室内空气品质尤为关注。当代空调技术的发展实际上就是为促进人类生活、生产的舒适性、健康性,以及为保护地球环境、有效利用能源等各种可持续发展的需要而服务的[1]。

在空调房间内,气流组织的好坏决定着室内空气的温湿度、气流速度和洁净度,因此,空调房间内的气流组织是空调设计的重要内容。有效地通风和合理的气流组织对于改善室内空气品质,控制室内空气污染物水平,保证实现健康建筑、健康舒适性空调有着重要的意义[2]。

因此设计者都希望在规划设计阶段就能预测室内空气的分布情况,然后根据一定的评估标准制定出最佳的通风空调方案，进而对室内空气品质及能耗等做出合理的预测。本文借助CFD（Computational Fluid Dynamics）模拟工具——Fluent软件对一建材超市的气流组织进行预测。

2　气流组织的预测方法

目前在暖通空调工程中预测室内空气分布的方法主要有四种[3-4]：

（1）射流公式。传统的射流理论分析方法采用的是，基于某些标准或理想条件理论分析或试验，得到的射流公式对空调送风口射流的轴心速度和温度、射流轨迹等进行预测，但是，由于建筑空间越来越复杂化、多样化和大型化，实际空调通风房间的气流组织形式变化多样，势必会带来较大的误差。并且，射流分析方法只能给出室内的一些集总参数的信息，不能给出设计人员所需的详细资料，无法满足设计者详细了解室内空气分布情况的要求。

（2）Zonal model是将房间划分为一些有限的宏观区域，认为区域内的相关参数如温度、浓度相等，而区域间存在热质交换，通过建立质量和能量守恒方程并充分考虑了区域间压差和流动的关系来研究房间内的温度分布以及流动情况，因此模拟得到的实际上还只是一种相对 "精确"的集总结果，且在机械通风中的应用还存在较多问题。

（3）模型实验虽然能够得到设计人员所需要的各种数据，但需要较长的实验周期和昂贵的实验费用，难于在工程设计中广泛采用。

（4）CFD模拟。CFD具有成本低、速度快、资料完备且可模拟各种不同的工况等独特的优点，并且当前计算机技术的发展，使CFD方法的计算周期和成本完全可以为工程应用所接受。因此，CFD方法越来越多地应用于暖通空调中对室内空气分布情况的模拟和预测，从而得到房间内速度、温度及有害物浓度等物理量的详细分布情况。

3　建材超市空气场的CFD模拟预测

3.1数值方法

CFD数值求解时[5]，采用Reynolds-averaged -Navier-Stokes（RANS）方程，这是目前工程紊流计算中广泛采用的基本方法。紊流模型选用标准的k-ε模型，近壁处采用标准壁面函数法。另外针对建材超市的特点，设室内气流为空气和甲醛两种气体的混合流动，选用了SPECIES输运模型。采用有限体积法，将控制方程转化为离散代数方程，其中的项均采用的一阶迎风差分格式。这些方程采用分离隐式法求解，通过SIMPLE算法来耦合压力与速度。

3.2流域模型

该模型是一装饰建材超市，主要目的是研究有甲醛释放的一层建材区域的空气分布情况，计算域总占地面积为5820m2，计算域总体积为31827.85m3。预测超市中气流的流动、传热以及污染浓度的分布情况。考虑的范围包括送风口、排风口、回风口、货架在内的建材堆放区。其中送风口有87个，开在建材区域的上部距离地面5.5米的地方，尺寸为560×560mm；排风口有30个，开在建材区域的上部距离地面6.2米的地方，尺寸为1000×600mm；回风口为4个，开在后墙面上距离地面4-5米处，尺寸为15000×1000mm；货架有两列，上列摆放有18个18m×2m×5m的货架，下列摆放有19个24m×2m×5m的货架，共37个，每个货架分上下两层，货架上堆放1m高的建材，暴露面积是：上列2736m2，下列3800m2，合计6536m2。

3.3网格的划分

因为有货架将整个区域隔成很多小区域，每个小区域内又有堆放的建材将其分成上下两个更小的区域，于是采用了结构化和非结构化网格并用的策略。将计算域分成四层[6]：从排风口到上层货架的建材表面之间区域为顶层，这个区域里有排风口和送风口；上层货架上堆放的建材整体为上货架层，这是甲醛的释放源；上层货架底部到下层货架堆放的材料表面之间的区域为货架中间层；下层货架上堆放的建材整体为下货架层，这里也是甲醛的释放源。下面三层货架区域结构相对规整，采用结构化网格。采用结构化网格，可以节省计算资源，提高计算效果；在开口众多的顶部附近区域采用相对复杂的边界适应性很强的非结构化网格。这样该模型布置的网格数目总共有88万多，上层大概有68万多。

3.4预测的结果分析

图1 k=9,2米内平均温度分布变化曲线图

从速度云图3上可看出速度场分布是不均匀的。在送风口或回风口及排风口附近较大，送风口布置越密集处速度越大，送风口和排风口紧靠处或送风口与回风口紧靠处速度也较大，而仅有送风口送风作用的以及货架壁面处速度较小。可见室内气流的分布是送风、回风、排风相互作用的结果，只有合理的布置送风口，回风口及排风口才能实现全场的均匀送风。如果有障碍物时（比如这里的货架），各风口的布置还得考虑障碍物对气流流动的阻力。另从高度z=2米的速度云图可见，当选取散流器垂直方向速度为3m/s的上送风方式时，虽然全场速度分布不匀，但人员的活动范围内的速度都不高，在0.3m/s左右，基本符合热舒适型空调在夏季室内工作区风速0.3m/s的要求。说明在层高为6米左右的公共场所，送风高度在5米左右时，可以选用散流器送风，只要合理布置各风口还是能实现全流场速度均匀的。

图3　k=9,Z=2米 速度云图

图4 k=9,Z=2米 温度分布图

从温度分布图4看出超市入口处到后墙的这个中间过道上的温度分布高，收银口处温度最高。没有布置送风口造成这些地方温度高，收银处还有计算机的工作散热，所以最高，与实际情况一致。风口下和上下两层建材的空档部分，气流通畅，热交换能充分进行，温度低。因此从温度分布的均匀性要求出发，也希望合理的布置送风口、回风口及排风口。

从图5和图6可见，在风口位置图示颜色最淡，说明风口附近甲醛浓度最低；中间的通道及图右侧图示颜色最深，说明无风口布置处甲醛浓度最高，风口布置的均匀性严重影响着气流组织分布的均匀性。当考虑有害物源的分布及其散发的不均匀性、气流组织及通风的有效性时，图5显示当取K=9时，超市内大部分区域满足甲醛浓度低于0.12mg/m3的标准，但最高值仍较高。根据超市布置现场知，较高值出现在中间通道以及超市出入口，这与送风口的布置有关，由于建筑结构的缘故，此处风口布置较稀少；图6显示当取K=12时，超市内甲醛浓度基本都在0.12mg/m3以下，能完全达到现有国家标准。从由此可见，增加通风量和合理的确定排风量或新风比对于改善室内空品质是至关重要的。

图5 k=9,z=2米处室内浓度分布图

图6 k=12,z=2米处室内浓度分布

4　室内气流组织的CFD模拟预测的成果与展望

从数值模拟的结果来看，计算流体力学CFD在暖通空调领域中的应用是可行的，用数值计算的方法来模拟室内的空气场，对分析室内流场的温度、速度和浓度分布是一条方便而有效的途径，预示这些物理量的详细分布情况，对于保证良好的房间空调系统气流组织设计方案、提高室内空气品质以及减少建筑物的能耗都有重要意义。

（1）对于用散流器上面送风情况，当送风口高度较大时，送风温差应大于10K，在15K以上为宜；

（2）本次模拟验证了空调室内气流的速度、温度、浓度分布具有很强的类似性，速度高处温度低，污染浓度小，说明加强动量的传递可以加强换热和污染物的扩散；

（3）模拟结果显示影响空调房间气流组织效果的主要因素很多，主要有送（回）风口的位置、送风口的几何特征、入口参数、房间几何形状、室内热源、污染源等，其中送风口的位置和送风参数是影响气流组织的主要因素，相对而言，回（排）风口的大小对室内气流效果的影响较小；

（4）对于上面送风形式的空调系统，送风高度在5米左右时，当选取散流器垂直方向速度为3m/s的上送风方式时，虽然全场速度分布不匀，但人员的活动范围内的速度都不高，只要合理布置各风口还是能实现全流场速度均匀的。

这次CFD模拟预测总的来讲还算成功的，但还有些需要完善的地方：

（1）本次模拟了空气中含有甲醛时的浓度分布，因为甲醛含量只有百万分之几，模拟时为尊重事实而取其实际浓度变化，就比百万分之几还小，于是图示变化效果不太明显；

（2）建议考虑自然对流作用和太阳辐射影响对室内温度场的影响；

（3）室内外气流的相互干扰，活动人员及出入建筑空调区域的设备材料等对气流组织的干扰是复杂多变的，难以描述；如果能进行现场实测验证，对通风空调的数值计算将有很强的指导意义。

[1] 范存养. 以人居健康舒适、环境保护和能源有效利用为中心的空调技术进展[J]. 暖通空调, 1999, 29 (2) : 26-35.

[2] 徐丽，翁培奋. 空调室内气流组织和空气品质的数值研究进展[J]. 上海电力学院学报, 2005,21(3): 286-290.

[3] 马铁犹. 计算流体动力学[M]. 北京：北京航空学院出版社，1986.

[4] Gan G. Evaluation of room air distribution systems using computational fluid dynamics[J]. Energy and Buildings,1995,27(2):83-93.

[6] Ni R H.A Multiple Grid Scheme for Solving the Euler Equations[J]. AIAA, 1982, 20(11): 1565-1571.

[7] 孙一坚. 简明通风设计手册[M]. 北京：中国建筑工业出版社，1997.

[8] 汪秀清，何国庚.装饰建材超市通风量CFD计算[J].制冷与空调, 2008,22(2):46-49.

Forecast of Air Field in Refurbishing Materials Supermarket

WANG Xiu-qing1, ZHANG Qing-feng2

(1 School of Environment & Urban Construction, Wuhan Textile University, Wuhan Hubei 430073, China; 2 Wuhan Design & Research Institute, China Coal Technology & Engineering Group, Wuhan Hubei 430070, China)

the paper adopts the technology of computational fluid dynamics, numerical simulation to the airflow distribution of a refurbishing materials supermarket, forecasts the indoor temperature, velocity and concentration field. We discovered when the air jet with a diffuser from 5 meters or so in height, the air temperature difference is 15K or more appropriate, when the vertical speed of diffuser is 3m / s , the indoor velocity in the scope of personnel activities comply with the required rate 0.3m / s, when contaminants diffuse, the ventilation safety factor should be not smaller than 9. Also we verified the momentum transfer, heat transfer and mass transfer of the Indoor air has similarity in high degree.

Refurbishing Materials; Supermarket; Air Field; Forecast

TU831

A

1009－5160(2011)03－0079－04

汪秀清（1970-），女，讲师，研究方向：室内空气品质和热学.

湖北省教育厅科研项目（D200717007）；企业公关“室内微气候的场研究”项目（082277）.