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室內(nèi)空氣分布的預(yù)測(cè)方法及比較

作者:CEO 時(shí)間:2022-07-02

信息摘要:摘要:通風(fēng)空調(diào)房間的空氣流動(dòng)情況對(duì)于建筑物能耗、室內(nèi)空氣品質(zhì)和人體健康至關(guān)重要。眾所周知,通風(fēng)空調(diào)的目的就是通過(guò)人工的方法,在有限空間創(chuàng)造一種健康、舒適、安全的空氣環(huán)境,因此工程師或建筑師們希望在規(guī)劃設(shè)計(jì)階段就能預(yù)測(cè)室內(nèi)空氣的分布情況,從而制定出最佳的通風(fēng)空調(diào)方案。而

室內(nèi)空氣分布的預(yù)測(cè)方法及比較

室內(nèi)空氣分布的預(yù)測(cè)方法及比較

摘要:通風(fēng)空調(diào)房間的空氣流動(dòng)情況對(duì)于建筑物能耗、室內(nèi)空氣品質(zhì)和人體健康至關(guān)重要。眾所周知,通風(fēng)空調(diào)的目的就是通過(guò)人工的方法,在有限空間創(chuàng)造一種健康、舒適、安全的空氣環(huán)境,因此工程師或建筑師們希望在規(guī)劃設(shè)計(jì)階段就能預(yù)測(cè)室內(nèi)空氣的分布情況,從而制定出最佳的通風(fēng)空調(diào)方案。而了為可靠的預(yù)測(cè)方法就是模型實(shí)驗(yàn),它借助相似理論,在等比例或縮小比例的模型中通過(guò)測(cè)量手段來(lái)對(duì)室內(nèi)空氣分布作出預(yù)測(cè)。本文將對(duì)這4種室內(nèi)空氣分布的預(yù)測(cè)手段作簡(jiǎn)要介紹,并比較各種方法的特點(diǎn),以給出工程中應(yīng)用這些方法的建議。

1 室內(nèi)空氣分布的預(yù)測(cè)方法及比較

  1.1 射流公式方法

  利用射流公式計(jì)算出相關(guān)參數(shù),預(yù)測(cè)機(jī)械通風(fēng)室內(nèi)空氣分布是最為簡(jiǎn)單和經(jīng)濟(jì)的方法。按照通風(fēng)空調(diào)送風(fēng)口射流在室內(nèi)的狀態(tài),可分為自由射流、受限射流等;按射流入流空氣溫度與室內(nèi)溫度是否相等,又分為等溫射流和非等溫射流;結(jié)合送風(fēng)口形式,根據(jù)射流形態(tài)又可分為平面射流、方形和圓形射流、徑向射流、不完全徑向射流、錐形射流和旋轉(zhuǎn)射流等 [4]。通過(guò)理論和實(shí)驗(yàn)測(cè)量,人們整理出關(guān)于各種射流的半經(jīng)驗(yàn)公式,主要是關(guān)于湍流射流平均特性主體段中心速度、溫度衰減、斷面流速分布、射流擴(kuò)展角、冷射流貼附長(zhǎng)度等?!      ?                                       

1.2 Zonal Model
  1970年Zonal Model被正式提出。在早期的二維模型中,研究工作集中在如何對(duì)要計(jì)算的區(qū)域進(jìn)行劃分;現(xiàn)在,研究者已經(jīng)可以利用三維模型來(lái)有效地預(yù)測(cè)自然通風(fēng)、混合通風(fēng)情況下房間內(nèi)的空氣溫度、速度、質(zhì)量流量、熱舒適、壁面導(dǎo)熱以及有向流動(dòng)等問(wèn)題 [2,7]。其模擬得到的實(shí)際上還是一種相對(duì)"精確"集總結(jié)果。
  Zonal Model的基本思想如下,將房間劃分為一些有限的宏觀區(qū)域(如6×2×10),認(rèn)為區(qū)域內(nèi)的相關(guān)參數(shù)如溫度、濃度相等,而區(qū)域間存在熱質(zhì)交換,通過(guò)建立質(zhì)量和能量守恒方程并充分考慮了區(qū)域間壓差和流動(dòng)的關(guān)系來(lái)研究房間內(nèi)的溫度分布以及流動(dòng)情況。
  假定房間空氣為非黏性流體,則各區(qū)域間的熱質(zhì)平衡方程為:
      ∑qm+qsource - qsink=0          ∑Φ+Φsource-Φsink=0      
 
其中∑qm,∑Φ分別為通過(guò)該區(qū)域的質(zhì)量流量和熱流通量。下標(biāo)source,sink分別代表該區(qū)域內(nèi)的源項(xiàng)和匯項(xiàng)。假定區(qū)域中間處的空氣壓力滿足理想氣體定律。
  在區(qū)域底部以上處某點(diǎn)的空氣壓力可通過(guò)下式求得:p=po+ρgz;其中po為區(qū)域底部壓力,z為二者之是的高差。

1.2.1 通過(guò)普通邊界的質(zhì)量流量的計(jì)算
  通過(guò)變通邊界(垂直邊界和水平邊界)的單位質(zhì)量流量為:
      dq m=cρ(Δp) nds       
  其中同一水平線上的壓差:Δp=Δ po+Δρgz            垂直面的質(zhì)量流量qm=qmsup+ qminf
    水平面不存在壓差,所以質(zhì)量流量只有一項(xiàng) q mbert=Cρs(p-ptop) n     

  式中C為滲透系數(shù),為一經(jīng)驗(yàn)常數(shù),可取為0.83m/(s·Pan);S為面積;ptop為分析區(qū)域的頂部壓力,h,l分別為該區(qū)域的高度和寬度;n為分指數(shù)。

1.2 .2Zonal Model
  1970年Zonal Model被正式提出。在早期的二維模型中,研究工作集中在如何對(duì)要計(jì)算的區(qū)域進(jìn)行劃分;現(xiàn)在,研究者已經(jīng)可以利用三維模型來(lái)有效地預(yù)測(cè)自然通風(fēng)、混合通風(fēng)情況下房間內(nèi)的空氣溫度、速度、質(zhì)量流量、熱舒適、壁面導(dǎo)熱以及有向流動(dòng)等問(wèn)題 [2,7]。其模擬得到的實(shí)際上還是一種相對(duì)"精確"集總結(jié)果。
  Zonal Model的基本思想如下,將房間劃分為一些有限的宏觀區(qū)域(如6×2×10),認(rèn)為區(qū)域內(nèi)的相關(guān)參數(shù)如溫度、濃度相等,而區(qū)域間存在熱質(zhì)交換,通過(guò)建立質(zhì)量和能量守恒方程并充分考慮了區(qū)域間壓差和流動(dòng)的關(guān)系來(lái)研究房間內(nèi)的溫度分布以及流動(dòng)情況。
  假定房間空氣為非黏性流體,則各區(qū)域間的熱質(zhì)平衡方程為:
      ∑qm+qsource - qsink=0          ∑Φ+Φsource-Φsink=0      
  其中∑qm,∑Φ分別為通過(guò)該區(qū)域的質(zhì)量流量和熱流通量。下標(biāo)source,sink分別代表該區(qū)域內(nèi)的源項(xiàng)和匯項(xiàng)。假定區(qū)域中間處的空氣壓力滿足理想氣體定律。
  在區(qū)域底部以上處某點(diǎn)的空氣壓力可通過(guò)下式求得:p=po+ρgz;其中po為區(qū)域底部壓力,z為二者之是的高差。
  1.2.1 通過(guò)普通邊界的質(zhì)量流量的計(jì)算
  通過(guò)變通邊界(垂直邊界和水平邊界)的單位質(zhì)量流量為:
      dq m=cρ(Δp) nds       
  其中同一水平線上的壓差:Δp=Δ po+Δρgz            垂直面的質(zhì)量流量qm=qmsup+ qminf
    水平面不存在壓差,所以質(zhì)量流量只有一項(xiàng) q mbert=Cρs(p-ptop) n     

  式中C為滲透系數(shù),為一經(jīng)驗(yàn)常數(shù),可取為0.83m/(s·Pan);S為面積;pt
  1.2.3 通過(guò)射流邊界及混合邊界的質(zhì)量流量的計(jì)算
  如果是射流邊界,可以利用射流公式得到速度的徑向分布,進(jìn)而求得通過(guò)射流邊界的質(zhì)量流量[2];如果是混合邊界,則可看成是普通邊界和射流邊界的組合。
  1.2.4 熱流量的計(jì)算
  文獻(xiàn)[7]建議熱流通量用下式計(jì)算:Φhoriz=qms cpTs+ qme cpTe            
                  Φvert=qmvertcpTvert              
  其中qms, qme分別為離開、進(jìn)入研究區(qū)域的質(zhì)量流量;Ts,Te分別為離開、進(jìn)入研究區(qū)域的空氣溫度。對(duì)于對(duì)流換熱,換熱量為Φc v=hc v S(T - Tw)                  
  其中hc v 為對(duì)流換熱系數(shù),S為對(duì)流換熱面積,Tw為墻壁溫度。
  1.2.5模型合理性分析
  盡管很多研究者都聲稱自己的研究已經(jīng)可以較好地應(yīng)用于混合通風(fēng)的情況,但詳細(xì)的研究報(bào)道目前很少見到。常見的是應(yīng)用于自然通風(fēng)房間氣流分布的研究。文獻(xiàn)[7]給出了Zonal Model嵌套在SPARK (Simulation Problem Analysis and Research Kernel)環(huán)境中預(yù)測(cè)氣流分布以及溫度的結(jié)果,并和CFD模擬結(jié)果以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。

研究者認(rèn)為如果對(duì)門的滲風(fēng)系數(shù)修正后Zonal Model的一致性將更好。另外,敏感性分析的結(jié)果認(rèn)為滲透參數(shù)C和對(duì)流換熱系數(shù)hc v 對(duì)結(jié)果的影響不大。
  然而,由于Zonal Model的自身特性所限,因此在應(yīng)用于預(yù)測(cè)室內(nèi)氣流分布需注意以下幾點(diǎn):
 ?、俨灰擞糜跍囟忍荻群艽蟮那闆r;
 ?、跊](méi)有涉及溫度和速度邊界層的問(wèn)題,靜壓挖只在平等流型的情況下才合理;
  ③輻射傳熱沒(méi)有考慮在內(nèi);
 ?、軐?duì)于射流或噴流中一個(gè)區(qū)域或多個(gè)區(qū)域的情況,需要分別考慮[8]。

  1.3 CFD方法
  由于計(jì)算機(jī)技術(shù)、湍流模擬技術(shù)的發(fā)展,用計(jì)算機(jī)對(duì)室內(nèi)空氣湍流流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算成為可能,這便是CFD方法。簡(jiǎn)單地說(shuō),該方法就是在計(jì)算機(jī)上虛擬地做實(shí)驗(yàn);依據(jù)室內(nèi)空氣流動(dòng)的數(shù)學(xué)物理模型,將房間劃分為小的控制體,把控制空氣流動(dòng)的連續(xù)微分方程組離散為非連續(xù)的代數(shù)方程組,結(jié)合實(shí)際上的邊界條件在計(jì)算機(jī)上數(shù)值求解離散所得的代數(shù)方程組,只要?jiǎng)澐值目刂企w足夠小,就可認(rèn)為離散區(qū)域上的離散值代表整個(gè)房間內(nèi)空氣分布情況。

室內(nèi)空氣流動(dòng)密度變化不大,速度較低,且由于墻壁的存在,空氣的黏滯性不可忽略,而室內(nèi)空氣流動(dòng)雷諾數(shù)往往達(dá)到湍流流動(dòng)的量級(jí),故室內(nèi)空氣流動(dòng)為不可壓湍流流動(dòng)。其中φ代表流動(dòng)的速度、溫度、污染物濃度分布等物理量,對(duì)于相應(yīng)的湍流模型,φ還代表有關(guān)的湍流參數(shù),如湍流動(dòng)能以及湍動(dòng)能耗散率等。如果有限容積、有限差分或者有限元等,將上述方程轉(zhuǎn)變?yōu)榇鷶?shù)方程,如下式所示:
  apφp=∑anbxφnb+b                     
  其中,a為離散方程的系數(shù),φ為各網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的變量值,b為離散方程的源項(xiàng)。下標(biāo)"p"表示考察的控制體節(jié),下標(biāo)"nb"表示p相鄰的節(jié)點(diǎn)。
  依據(jù)某種算法,如最常用的SIMPLE算法,求解離散所得代數(shù)方程組,好可獲得室內(nèi)流場(chǎng)信息。詳細(xì)情況可參見文獻(xiàn)[9]。可見,這種手段能獲得室內(nèi)空氣分布的詳細(xì)信息,且能容易地模擬各種條件--只需在計(jì)算機(jī)上定義即可。而由于控制室內(nèi)空氣流動(dòng)的方程是非線性的,求解時(shí)需要對(duì)其進(jìn)行迭代計(jì)算,因此CFD方法耗時(shí)比射流公式、Zonal Model為長(zhǎng),也較昂貴。而且,若采用高級(jí)的數(shù)值模擬技術(shù),如直接數(shù)值模擬DNS(directly numerical simulation)或大渦模擬LES(large eddy simulation)等以獲得更可靠和詳盡(包括湍流肪動(dòng)參數(shù)的)結(jié)果,耗費(fèi)時(shí)間更長(zhǎng),對(duì)計(jì)算機(jī)要求更高,也就更昂貴[10]。盡管如此,相比模型實(shí)驗(yàn)而言,CFD方法在時(shí)間、代價(jià)上都是很經(jīng)濟(jì)的。由于CFD方法能獲得流場(chǎng)的詳細(xì)信息,因此如果預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性能夠保證,那么CFD方法是最理想的室內(nèi)空氣分布預(yù)測(cè)手段。

實(shí)際應(yīng)用中,已有很多根據(jù)圖5所示流程編制好的通用CFD程序,可以直接使用,但湍流模型的選擇、網(wǎng)格劃分、邊界條件的確定等限決于使用者,這需要使用者對(duì)CFD技術(shù)本身具有比較全面的了解和相當(dāng)A的技能。
  最重要的是,CFD的基礎(chǔ)理論本身還不成熟,如人們對(duì)湍流的認(rèn)識(shí)尚不完全清楚;且其在暖通空調(diào)工程實(shí)際應(yīng)用中還存在著一些特殊性,如風(fēng)口模型、熱源和輻射模型等,故此可行性和對(duì)實(shí)際問(wèn)題的可算性是CFD方法預(yù)測(cè)室內(nèi)空氣分布最大的問(wèn)題。
  1.4 模型實(shí)驗(yàn)
  借助相似理論,利用模型實(shí)驗(yàn)對(duì)室內(nèi)空氣分布進(jìn)行預(yù)測(cè),不需依賴經(jīng)驗(yàn)理論,是最為可靠的方法,但也是最昂貴、周期最長(zhǎng)的方法。搭建實(shí)驗(yàn)?zāi)P秃馁Y很大,如文獻(xiàn)[11]中指出單個(gè)實(shí)驗(yàn)通常耗資3000~2000美元,而對(duì)于不同的條件,可能還需要多個(gè)實(shí)驗(yàn),耗資更多,周期也長(zhǎng)達(dá)數(shù)月以上。因此模型實(shí)驗(yàn)一般只用于要求預(yù)測(cè)結(jié)果很準(zhǔn)確的情況。
           
  但是除了以上提到的耗費(fèi)高、周期長(zhǎng)等總是外,由于實(shí)驗(yàn)技術(shù)和測(cè)量?jī)x器的限制,模型實(shí)驗(yàn)還不能對(duì)所有參數(shù)進(jìn)行測(cè)量,如一些湍流的脈動(dòng)參數(shù);基于同樣的理由,模型也難以對(duì)各種條件進(jìn)行實(shí)測(cè)。文獻(xiàn)[2]還指出模型實(shí)驗(yàn)難以對(duì)參數(shù)影響的敏感性進(jìn)行分析。
  1.5 室內(nèi)空氣分布的預(yù)測(cè)方法比較和使用建議
  由以上介紹可見,4種預(yù)測(cè)室內(nèi)空氣分布的方法各有利弊,最簡(jiǎn)單的射流公式適用性最差,所得流場(chǎng)信息也很有限;能獲得詳細(xì)分布信息的CFD方法存在可靠性對(duì)實(shí)際問(wèn)題的可算性等問(wèn)題;最可靠的模型實(shí)驗(yàn)又最昂貴和復(fù)雜,這也體現(xiàn)了事件的辯證規(guī)律。通過(guò)以上分析,結(jié)合工程應(yīng)用中關(guān)心的主要問(wèn)題將各種預(yù)測(cè)方法列有(見表1)比較。

射流公式 Zonal Model CFD 模型實(shí)驗(yàn)
房間幾何形狀復(fù)雜程度 簡(jiǎn)單 較復(fù)雜 基本不限 基本不限
對(duì)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)的依賴性 幾乎完全 很依賴 一些 不依賴
預(yù)測(cè)成本 最低 較低 較昂貴 最高
預(yù)測(cè)周期 最短 較短 較長(zhǎng) 最長(zhǎng)
結(jié)果的完備性 簡(jiǎn)略 科略 最詳細(xì) 較詳細(xì)
結(jié)果的可靠性 較好
適用性 機(jī)械通風(fēng),且與實(shí)際射流條件有關(guān) 機(jī)械和自然通風(fēng),一定條件下 機(jī)械和自然通風(fēng) 機(jī)械和自然通風(fēng)
使用是否方便 最方便 較方便 較難 最難

結(jié)合以上分析比較結(jié)果,對(duì)暖通空調(diào)工程中的室內(nèi)空氣分布預(yù)測(cè)方法的使用建議如下:
 ?、賹?duì)機(jī)械通風(fēng)房間內(nèi)空氣分布進(jìn)行簡(jiǎn)單預(yù)測(cè)或?qū)饬鹘M織進(jìn)行初步設(shè)計(jì)時(shí)可采用射流公式方法;當(dāng)實(shí)際情況與射流公式的適用條件(如熱源分布、風(fēng)口形式和位置等)相差很大時(shí),不宜再用射流公式,而建議采用CFD方法。
  ②對(duì)自然通風(fēng)的通風(fēng)量和房間總?cè)珳囟龋ɑ騾^(qū)域集總溫度)進(jìn)行估算時(shí)宜采用Zonal Model,若想進(jìn)一步了解速度和溫度的分布情況,可采用CFD方法。
 ?、圩匀煌L(fēng)和機(jī)械通風(fēng)房間內(nèi)的溫度、速度、污染物濃度等的詳細(xì)分布情況,只能通過(guò)CFD方法或者模型實(shí)驗(yàn)以及計(jì)算網(wǎng)格的劃分等,對(duì)使用者要求很高;模型實(shí)驗(yàn)則遠(yuǎn)較CFD方法昂貴,需要根據(jù)具體情況和實(shí)際條件來(lái)決定是否有必要采用該方法。

2 結(jié)論
  通過(guò)對(duì)4種預(yù)測(cè)室內(nèi)空氣分布方法的介紹和比較,并考慮到實(shí)際應(yīng)用中的情況,得出如下主要結(jié)論:
 ?、偕淞鞴胶?jiǎn)單易用,適于機(jī)械通風(fēng)房間內(nèi)空氣分布的簡(jiǎn)單預(yù)測(cè),但應(yīng)注意其適用條件;
 ?、赯onal Model的預(yù)測(cè)成本、使用難易程度等均介于射流公式和CFD之間,較適合自然通風(fēng)的風(fēng)量和溫度預(yù)測(cè),得以的結(jié)果是集總的;
 ?、跜FD方法適于對(duì)室內(nèi)空氣分布進(jìn)行詳細(xì)預(yù)測(cè),可靠性和可算性是其實(shí)際應(yīng)用中最大的問(wèn)題,在三種理論預(yù)測(cè)的手段中,CFD方法比射流公式和Zonal Model昂貴。
 ?、苣P蛯?shí)驗(yàn)最為可靠,但是預(yù)測(cè)周期長(zhǎng)、價(jià)格昂貴,較難在工程使用。
  
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