1、 毕业设计 文 献综 述 建筑环境与设备工程 气流组织对室内空气品质影响数值研究进展 摘 要 : 介绍了室内空气品质问题的提出、评价 ,以及改善的方法 . 从计算流体力学角度对空调室内气流组织和空气品质的研究进展进行了综述 ,并对尚待解决的问题进行了展望 . 关键词： 室内气流组织 ;室内空气品质 ;通风方式 ;数值模拟 ;计算流体力学 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 . 当代空调技术的发展实际上是为促进人类居住的舒适性、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
2、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度、相对湿度和洁净度 ,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 .目前在暖通空调工程中 ,对预测室内空气流动分布采用的方法主要有 4种 :射流公式 , Zonal模型 , CFD (Computational Fluid Dynamics,计算流体力学 )方法和模型实验 . 随 着时代的发展 ,建筑空间越来越向复杂化、多样化和大型化发展 ,实际空调通风房间的气流组织形式变化多样 ,而射流分析方法
3、只能给出室内的一些集总参数性的信息 ,无法满足设计者详细了解室内空气分布情况的要求 . Zonal模型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 . 对于室内空气流动以及其他设备内的流体流动的模拟预测 ,一般只使用模型实验或 CFD方法 . 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较为昂贵的实验费用 ,因而影响了其在工程设计中的广泛应用 . CFD方法是研究空调中空气动力学问题的有效而经济的方法 ,它可对室内空气气流分布情况进行数值模拟和预测 ,从而得到房间内速度、温度、湿度 ,以及有害物浓度等物理量的详细分布情况 ,为
4、设计部门提供较为完整的技术依据 . CFD以成本低、速度快、资料完备且可模拟各种不同的工况等优点 ,越来越受到人们的青睐 . 1 室内空气品质 1. 1 IAQ问题的提出 20世纪 70年代全球能源危机 ,产生了世界范围的节能要求 ,建筑物加速了密闭性 ,相应减少了空调新风量 . 另外 ,大量合成材料用于建筑装修和保温 ,有机合成材料广泛应用于室内设备用具及室内 装饰等方面 ,致使挥发性有机化合物气体大量散发 ,严重恶化了室内空气质量 ,出现了“病态建筑物综合症 2 ”等 IAQ方面的问题 .导致 IAQ变坏的主要原因是室内含有很多微尘、纤维、细菌和有害化学气体等 ,因而引起室内 CO2 含量
5、较高、氨氧化合物超标、细菌含量偏高、负离子浓度较低 ,致使房间内不良气味较大 ,容易传播有关疾病 . 研究表明 3 ,室内空气污染物 ,如细菌 , CO2 , CO,石棉 ,挥发性有机化合物等直接影响着人们的健康 ,甲醛、可吸入粉尘、烟气等会导致人体极不舒适 ,甚至恶心、呕吐 ,这些感觉会导致生产率 下降 . 一些学者对学校建筑、公共建筑与办公建筑、居住建筑等中的 IAQ作了不同程度的调查与研究 4 6 ,指出了 IAQ指标的恶化在各类建筑中给人们带来的种种危害 . 1. 2 IAQ的评价 IAQ的评价是认识室内环境的一种方法 ,是随着人们对室内环境重要性认识的不断加深而提出的新概念 . IA
6、Q评价分为现状评价和影响评价两类 ,其中 ,影响评价是指对拟建项目的评价 . 这里涉及的是 IAQ的现状评价 ,简称 IAQ的评价 .目前国内对 IAQ的评价方法尚未建立统一标准 .国内外一些较为成熟的综合或单项评价指标有 :(1)当量评价 指标 ,即评价室内环境的综合指标 .(2)主观评价与客观评价相结合的综合评价方法 7 .(3) IAQ等级的模糊综合评价 ,其关键是建立 IAQ等级评价的模糊数学模型 ,确定各类健康影响因素对可能出现的评判结果的隶属度 .(4)“通风效率”和“换气效率”评价标准 . 这两个指标是从发挥通风空调设备和系统的效应 ,进行有效通风 ,提高 IAQ方面提出的 .(
7、5) CFD技术对 IAQ的评估 . 近年来 , CFD技术已被应用于建筑通风空调设计领域 . 该方法利用室内空气的质量、动量和能量守恒原理 ,采用合适的湍流模型 ,给出适当的边界条 件和初始条件 ,用 CFD方法求出室内各点的气流速度、温度和相对湿度等 . 2 空调改善 IAQ的方法 采用技术手段创造并保持满足一定要求的室内空气环境 ,是空气调节的任务 ,空调的发展应该有助于不断地提高 IAQ. 针对目前空调房间内的空气质量问题 ,可以从两个方面来改善 IAQ. (1)增大新风量 ASHRAE标准 62 - 1999“保障合格 IAQ的通风”规定了空调建筑的最小 实际通风量 . 通常做法为
8、:为每人提供一定的新风量或者使规定的污染物 (如 CO2 和甲醛 )的浓度水平保持在极限值以下 . (2)合理的气流组织布局 不同 的通风方式和气流分布方式会极大地影响通风换气效率 ,由于稀释和排除室内污染物的效果不同 ,使得室内人员感受到的空气品质也不同 . 3 用 CFD方法研究的现状 3. 1 国外研究概况 在国外 ,从 20世纪 60年代末开始用 CFD去讨论通风空调中的空气动力学问题 .1970年 ,丹麦的 Nielse P V首次将 CFD技术应用于暖通领域 ,他采用 k2模型和流函数 2涡度法计算了室内气流的分布 ,计算的射流速度衰减结果与实测数据相比还是基本可靠的 9 . 19
9、76年 , Chen将二维计算发展到三维计算 ,使用原始变量法模拟三维室 内气流的运动 . 1979 年 ,Nielsen首次报导了考虑浮力影响下的室内非等温空气流动的数值计算情况 10 . 1983 年 Martin计算了一个大空间 (电视播送室 )内的三维流动和传热问题 ,提出了利用 CFD技术来改进大空间空调系统的设计 11 . 1984年 Ishihu和 Kaneki利用流函数和涡旋公式数值求解非稳态二维流动方 程 ,预测室内污染物浓度的分布 ,藉此来研究室内通风效率 12 .1984年 ,Alamdari和 Hammond描述了计算建筑物表面对流换热系数的计算方法 13 . Chen
10、Qingyan则在 1988年对建筑物能耗分析、室内空气流动以及室内空气品质等问题进行了分析和研究 14 . 到了 1989 年 ,美国的供暖、冷藏与空气调节工程师协会 (ASHARE) 专门成立了用 CFD方法预测室内空气流动的研究机构 , 并组织和完成了 ASHARE的第 464号 (RP464)研究课题“室内空气流动的数值计算” ,该课题比较完整地研究了 CFD 方法模拟室内空气流动的许多相关问题 ,其结果发表在 1994 年的 ASHARE 杂志上 . 至此 ,CFD技术在空调领域内被推广开来 ,目前美国这方面的研 究水平最高 ,并且已开发出许多大型的通用的 CFD软件 . 1994年
11、 , Shuzo Murakami等人利用代数应力模型 (ASM)和微分应力模型 (DSM)这些高级的 二阶封闭湍流模型对三维非等温室内空气流动进行了模拟 15 . 1998年 Steven J. Emmerich等人利用大涡模拟技术对三维房间内热空气流动和烟气传播进行模拟 ,表明了高级的湍流模拟技术开始应用于空调设计等工程领域 . 1983年研究室内空气流动的湍流行为比较出名的是 Launder和 Rodi 16 ,然而 ,在湍流没有 得到充分发展 ,即低雷诺数时的室内空气流动方面的研究还具有局限性 . 针对这一情况 ,在2000年 Topp C,Nielsen P V,Davidson D
12、 17 数值模拟了全方位通风房间内的空气流动情况 ,其计算结果与完全湍流时的理论有很大的不同 . 3. 2 国内研究概况 国内在 20世纪 80年代才开始这方面的数值模拟工作 .湖南大学率先将数值模拟方法引入模拟室内空气流动状况的研究中 . 1986年 ,王汉青和汤广发对二维紊流室内气流进行了数值计算 . 同年 ,汤广发等人给出了二维层流室内自然对流的数值解 18 . 1987年 汤广发等人用三维紊流数值方法对水电站主厂房通风气流组织进行了计算 ,并提出此方法可对水电站厂房的通风进行优化设计 19 . 1988年 ,张建忠 20 分析了数值计算方法在通风空调领域的应用情况 ,还对常见的工业敞口
13、槽通风问题作了数值计算分析 . 他把问题简化为二维稳定不可压缩的粘性流动 ,参数包括速度、温度和有害物浓度 ,再将方程转化成以流函数和涡度作为从属变量的无因次方程 ,利用有限差分中的积分方法将所得无因次方程进行离散化得到相应的差分方程 . 长期以来 ,室内气流流动规律的研究仅仅局限于送风口射流问题 . 实 际上 ,房间中内热源的分布、强度的大小、围护结构内表面与空气之间的对流、换热等都会对气流组织造成很大的影响 . 近年来已有一些文献报导了这方面的实验和理论研究进展情况 21 ,但这些实验研究还具有局限性 ,而已有的数值研究大部分是针对无内热源情况的 .对内含集中内热源的房间 , 1992年顾
14、瑞英和武文斐在热源表面温度给定的条件下 ,利用数值方法和 k2两方程湍流模型求解了气流的速度和温度分布 ,考察了送风方式、送风量、热源表面温度、热源表面和壁体表面的黑度、室外环境通过壁体的传热等诸因素对室内气流组织的影响 22 .1996年童灵等人针对某一结构确定的孔板送风形式的空调办公室 ,在考虑确定的送风射流参数 (送风速度和送风温度 )条件下 ,以蒙特卡罗法分析了由大玻璃外窗引入的太阳辐射在室内各固体表面的再分配和吸收 ,得到了其定量分布作为附加热源 ,再结合空间紊流流动和热浮升力等 条件 ,进行了空调室内的三维流场与温度场的数值计算 ,获得了较为合理的结果 23 . 不过 ,该结果仅对
15、空调恒温室的设计及相应的调节送风射流参数调节有一定的指导意义 . 1998年 ,邓启红和汤广发采用多重网格方法 ,对三维不可压缩、等温、定常室内气流流动 进行了数值模拟 ,并得出了 FAS2FMG多重网格方法的收敛速度比单层网格方法快、收敛稳定性高等结果 24 . 2002 年 ,张智等人采用 k2湍流模型和非稳态求解方法 ,对挂壁式空调器在制冷 /制热工况运行时的室内气流及温度分布进行了数值模拟分析 25 . 同年 ,北京航空航天大学的庄达民和孟宪海 26 采用大涡模拟 (LES)法求解了室内气流分布 ,并使用 HSMAC法来保证计算的稳定性和收敛性 . 3. 3 通风空调与 IAQ的关系
16、国内外对于从事通风空调与 IAQ 关系方面的研究在最近几年才刚刚开始 .20世纪 80年代中期 ,北欧和美国学者提出了空气龄、换气效率、排污效率等概念 . 空气龄 ( the age of air)是指空气质点从进入房间起至达到某点所需经历的时间 . 局部平均空气龄 ( localmean age of air)是指同时达到房间中某一点所有空气质点的平均空气龄 . 另外 ,国内有些学者提出 应增加“入室新风龄” ( the age of air into a room) ,即新风从入口到室内送风口途径的时间 . 1995年 Rahmood Yaghoubi A 等人 27 , Yu Fu 28
17、 , 以及 2000年的 Teodosiu C等人 29 分别利用 CFD数值方法模拟了室内污染物的分布情况 ,分析了通风效率 . 1998年李先庭和江仪 30 为替代示踪气体方法评价 IAQ和通风有效性 ,在示踪气体研究法的基础上推导出了空气龄的输运方程 ,并用 CFD方法对该方程进行了求解 . 2000 年赵彬等 31 采用 CFD方法就风口入流紊流参数对通风空调房间内空气流动和分布情况的影响进行了二维流动的数值研究 . 2003年徐丽等人 32 在上进上出、上侧进上侧出、置换通风这 3种不同通风方案条件下 ,对 内设障碍物、污染源和集中热源的房间内的三维气流流场、温度场及污染物 CO2
18、的浓度分布进行了数值模拟研究 . 4 结束语 从国内外研究动态来看 ,目前的相关研究还较多局限于边界形状比较规则的定常室内气流特性和气流品质问题 . 同时 ,对室内湍流流动的影响的研究还不深刻 .目前普遍采用充分混合的室内气流组织方式 ,这从热舒适性来说是合理的 ,有利于提高活动区域温度的均匀性及热舒适感 . 但是 ,由于送风时先与室内空气相混合 ,降低了人员活动区域的空气质量 . 应将清洁的风首先送到人员活动区域 ,特别是呼吸区 ,再经室内污染源或回风口排 出室外 .不同的通风方案会产生不同的气流组织和通风效果 ,因此 ,寻找较佳通风方案的工作有待继续进 行 . 另外 ,有关通风空调室内的流
19、场、温度场的研究也较多 ,而对室内相对湿度和洁净度即室内污染物浓度的研究则不够深入 . 参考文献 : 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 Hays, Steve M. Indoor Air Quality2solutions and StrategiesM . New York: McGraw2Hill, 1995. 255. 3 白 玮 . 影响生产率的要素室内环境品质 J . 暖通空调 , 1999, 2: 4 Sekhar S C, Tham KW. On the Ventila
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