自然通风和地板送风混合空调系统室内空气品质的研究

自然通风和地板送风混合空调系统室内空气品质的研究

*

东华大学环境科学与工程学院 于红伟　黄 　翔 　袁丽丽

摘 要 　利用数值流体力学方法，通过改变自然通风口的高度，研究了过渡季节采用自然通风和地板送风混合系统的办公室内的空气品质。结果表明适当的降低送风窗户的高度可以降低室内粒子的浓度，尤其是大粒子的浓度。

关键词 自然通风；室内空气品质；粒子；数值模拟

Indoor Air Quality Study of Natural Ventilation and Underfloor

Air Conditioning System

Yu Hongwei, Huang xiang and Yuan Lili

Abstract In this paper, indoor air quality of natural and mechanical hybrid air-conditioning systems in office buildingsduring intermediate seasons were studied with changes in the height of the natural vent using three-dimensional Computa-tional Fluid Dynamics (CFD) analysis. The results of these studies indicated that the indoor particle concentration isdecreased obviously by reducing the height of the natural vent properly, especially for macroparticle.Keywords natural ventilation; Indoor air quality; particle; numerical simulation

20世纪50年代以后，由于石油危机的爆发，对世界经济造成巨大影响，人们开始关注世界“能源危机”问题。

自然通风是一种免费的资源，它是在压差推动下的空气流动。根据压差形成的机理，可以分为热压作用下的自然通风和风压作用下的自然通风[1]。由室内或建筑内存在的热压作用所引起的自然通风通常是获得有效自然通风效果的主要原因。

但是自然通风有一个很大的缺陷，自然通风的气流速度和方向均随时间随机发生变化，室外空气流入室内的过程中，各个窗户的开启程度通常是有限的，无法有效控制和调节从室外流入的空气的温度或流速，气流组织无法控制。

将自然通风和地板送风结合起来，能够在自然通风不能满足要求的时候，通过地板送风来弥补。目前国内外学者对自然通风和地板送风系统都进行

w w

w .

z h

u l o n

０　　　引言

g . c

了许多探索和研究，但是，主要集中在热舒适方面，对自然通风和地板送风混合系统的理论分析和模拟研究的深度、广度不够，对于自然通风和地板送风混合系统房间浓度场的研究还有一些不足之处。从近几年来的文献资料[2]-[7]]可以看出，只对一些自然通风方式的房间气流组织以及能耗情况进行了模拟，但缺乏对各种自然通风方式以及综合起来应用的理论研究和模拟[8]。大多数自然通风的研究成果是经验性的，多是定性的或者是半定量的，目前尚未形成系统的、定量化的理论与应用研究成果。

１　　　混合通风房间室内粒子浓度分布特征模拟

１．１　　模拟描述

　　　　本文以一个实际空调办公房间为模拟对象（见图1）。房间几何尺寸为：5.4 m×3.3 m×2.7 m ，地板送风口尺寸为0.4 m×0.4 m ，自然通风的送、o m

阶迎风格式，采用SIMPLE 算法作为流场的压力速度耦合方法。室内颗粒物浓度的模拟计算采用FLUENT 程序中的离散相模型，粒子的重力沉降速度由Stokes 方程决定，为了便于比较，选取1 µm 和10 µm 两种代表粒径的粒子进行模拟，颗粒物污染源设为距地面0.2 m 高的平面源，粒子密度为1550 kg/m3，污染源强度10 µg/s。１．２　　室内粒子浓度分布特征

为了研究窗户的高度变化对室内粒子浓度的影

图1

　模拟房间风口与基本尺寸示意图

表１　　两种模拟

响，取过热源的截面（z ＝1 m ，见图1）处的平面作为代表平面，来观察室内温度、流场和粒子浓度的变化。

1.2.1 室内速度分布特征

　　　　图2是室内气流达到稳定状态后，Case 1和Case 2的速度场在（z =1m）处的模拟结果，通过比较上图可以看出，当室外空气由较低的窗户引入时（Case 1），室内速度分布比较均匀，自然通风直接与地板送风混合后送至人体附近，人体附近的气流受到人体的热羽流的影响而沿人体向上流动。当室外空气由较高的窗户引入时（Case 2），室内速度分布不如Case 1的均匀，室外空气由较高位置的窗户进入室内后，由于温度较低，密度较大，先

(a) Case 1的气流场 (b) Case 2的气流场

图2

速度矢量图

(a) Case 1的温度场 (b) Case 2的温度场

图3

温度分布图

w w

w .

z h

地板送风口和自然送风口平均速度均为0. 1m/s。送风温度均为24℃，排风窗口设为outflow ，所有的墙面设为绝热，热源为34℃。室内流场计算中，湍流模型选择k-ε 模型模拟室内的湍流流动，室内流体视为不可压缩常物性牛顿流体，空气密度采用Boussinesq 假设。为提高模拟精度并保证物理结果的真实性，各控制方程的差分格式为二

u l

o n

g . c

o m

(a) Case 1的1 µm 粒子浓度场 (b) Case 2的1 µm

粒子浓度场

图4 浓度分布图

下沉到房间的底部，再与地板送风混合后送至人体附近，在窗户的下方靠墙角的区域形成明显的漩涡，漩涡中部的速度相对较小，人体附近的气流受到人体的热羽流的影响也沿人体向上流动，但是热羽流却不如Case 1的强。1.2.2 室内温度分布特征

图3为两种自然通风窗口下，温度场在过热源的截面（z = 1 m）处的模拟结果，通过比较上图可以看出较低位置的自然通风窗口对应的室内温度分布比较均匀，工作区的温度梯度也较小，具有明显的分层现象，而Case 2由于送风窗户的高度比Case 1的高，送入的冷空气下沉，使得房间内的温度分布不如Case 1的均匀，工作区的温度梯度比Case 1的大。

Case 1，但在热源附近的浓度确高于Case 1。两种送风方式都有一个共同点，即靠近人体迎风面的粒子浓度比靠近人体背风面的粒子浓度低，这主要是受地板送风送入的洁净气流的稀释作用的影响。

图5是两种送风方式下10 µm 粒子浓度分布图，从上图可以明显地看出，对于较大的颗粒，在工作区和在非工作区，Case 1的室内粒子浓度都比Case 2的室内粒子浓度低。由于Case 1送风窗户较低，引入的室外空气主要是在水平方向运动，在这种情况下较大粒径的颗粒的重力沉降作用就比较明显，产生了明显的沉降损失，室内粒子浓度分布空间比较小，只有在人体的右侧靠近地板的区域和送风窗户下方靠近地板的区域粒子浓度偏高，主要是由于气流在这两个区域产生的涡流将已沉积到地面

(a) Case 1的10 µm 粒子浓度场 (b) Case 2的10 µm 粒子浓度场

w w

１．３　　室内粒子浓度分布总体特征

w .

z h

图5 浓度分布图

图4是两种送风方式下1 ìm粒子浓度分布图，从上图可以明显地看出， Case 1的人体周围的空气品质比Case 2好，这主要是由于小粒子受气流的影响很大，由图2所示的流场分布可以看到，Case 1污染源附近气流类似与层流状态，近地面处的颗粒物主要在水平方向上扩散，难以向房间上部输运，导致近地面处粒子浓度很高，但在热源附近和房间上部的浓度较低，而Case 2中，由于近污染源处气流湍流强度源大于Case 1，粒子很容易扩散至整个房间使过热源的截面（z = 1 m）上的平均浓度小于

u l

的颗粒再次卷起。Case 2对应的送风窗户位置较高，自然通风引入的室外空气在近窗处除了具有水平方向运动，还具有明显的下沉趋势，粒子受到气流的作用方向和重力沉降方向一致，加速了10 µm 粒子在人体左侧的地面沉积速度，而在热源右侧存在的涡流区的湍流强度较大，且在污染源附近的气流方向朝上，粒子受到气流的作用方向和重力沉降方向相反，导致大粒子难以沉降到地面，涡流区的湍流强度较大，涡流卷起已沉积到地面的颗粒，使粒子更容易悬浮在空中，造成涡流区及附近的粒子浓度偏高。

o n

g . c

o m

１．４　　随房间高度变化的各粒径粒子谱

　　　　为了研究室内粒子随房间高度变化，分别取人体周围具有代表性的五个点A 、B 、C 、D 、E 如图1所示。

度比Case 2的低。在0 m到0.2 m这个范围中，Case 1和Case 2人体周围的颗粒物浓度分布变化范围大存在高浓度区域。在0.2 m到2.7 m这个范围中，

(a) Case 1的1 µm 粒子谱 (b) Case 2的1 µm 粒子谱

图6 　热源周围各点1 µm

粒子浓度分布

(a) Case 1的1 µm 粒子谱 (b) Case 2的10 µm 粒子谱

图7 热源周围各点10 µm

粒子浓度分布

w w

图7是两种送风方式下在人体周围的10 µm 粒子随高度变化的浓度分布图，从上图可以看出，在整个房间高度范围内，Case 1在人体周围的粒子浓

粒径粒子浓度比小粒径粒子浓度低，其中，Case 1的大粒径粒子浓度比其它三种情况的都低。而且Case 1的大粒径粒子浓度分布在进深方向几乎不

w .

图6是两种送风方式下在人体周围的1 µm 粒子浓度随房间高度变化的浓度分布图，可以看出，在0到0.2 m这个范围中，Case 1和Case 2人体周围的颗粒物浓度变化范围比较大，由于靠近污染源，小颗粒不断扩散，并且人体周围热羽流和涡流不断地将已沉积到地面上的颗粒卷起。导致这个高度范围内的颗粒物浓度偏高。在0.2 m到2.7 m这个范围中，Case 1和Case 2人体周围的颗粒物浓度基本都在200 µg/m3以下，Case 1在1.7 m的高度处有一个浓度峰值，峰值浓度介于200 µg/m3到300 µg/m3之间，而Case 2在1.6 m的高度处也有一个浓度峰值，峰值浓度为189 µg/m3，两种送风方式的峰值分别出现在各自的混合通风区。

Case 1情况下，人体周围的颗粒物浓度低于小粒子对应的浓度，基本都在30 µg/m3以下，并且人体周围的粒子浓度沿高度变化比较平缓，不同于小粒子的浓度分布情况，高度方向上没有明显的峰值出现。而Case 2在0.2 m到2.7 m这个范围中的分布表颗粒物浓度变化范围比较大，A 、B 、C 、D 、E 在不同的高度上分别有明显的峰值出现。并且在人体附近的位置不同，其颗粒物浓度的差别也很大，从图6（b ）和图7（b ）上可以看出处于背风位置的E 点的浓度普遍偏高，而处于迎风位置的A 点的浓度普遍偏低。

图8是在M1-M2轴线上不同送风方式不同粒径的粒子谱，从图上可以看出，在进深方向上，大

z h

u l

o n

g . c

o m

不应面向来流方向，为了减少吸入的颗粒物，作为热源的人体不应背对来流方向。

参考文献

[1] 　孙一坚. 工业通风[M].（第2版）。北京:中国建筑工业出　　　　版社，1985

[2] T-J. Chang, Y-F. Hsieh, H-M. Kao. Numerical investigation of airflow pattern and particulate matter transport in natu -rally ventilated multi-room buildings. Indoor Air,2006.

图8

随房间进深变化粒子谱

[3] M. P. Wan, C. Y. Chao.Numerical and experimental study of velocity and temperature characteristics in a ventilated enclosure with underfloor ventilation systems. Indoor Air, 2005, 15,342–355.

[4] Kim, J.J., Chang, J.D. and Park, J.C. Computer modeling of underfloor air supply system. In: Proceedings of Indoor Air 2002, Monterey, International Conference on Indoor Air Quality and Climate,2002, 4, 266–271.

[5] Hyunjae Chang, Shinsuke Kato,Tomoyuki Chikamoto. Ef -fects of outdoor air conditions on hybrid air conditioning based on task/ambient strategy with natural and mechanical[6] Jiang, Y. and Chen, Q. Study of natural ventilation in build -ings by large eddy simulation, J. Wind Eng. Indoor Aerodyn., 2001,89, 1155–1178.

[7] Chang, T.J. Numerical evaluation of the effect of traffic

变。这主要是由于Case 1的大粒径粒子浓度呈分层

分布，房间呼吸面上浓度分布比较均匀。其它三种情况下的粒子浓度分布在进深方向上波动较大，尤其是在靠近排风窗口处粒子浓度突然增大。在靠近左侧墙处，Case 2的粒子浓度明显比Case 1的粒子浓度高很多。

２　　　　结论

（1）适当的降低窗户高度可以增加温度分层高度，减少温度梯度。

（2）对于室内大粒径的颗粒物而言，Case 1比Case 2具有明显的优势。对于室内小粒径的颗粒物而言，Case 1的优势不明显。说明窗户越低越有利于防止大粒径粒子对室内空气的污染。

（3）为了避免产生吹风感，作为热源的人体

z h w w w .

u l

o n

pollutant on indoor air quality of a naturally ventilated

building,J. Air Waste Manage. Assoc.,2002,52, 1043– 1053.[8] 　李安桂. 自然通风的研究应用现状与问题探讨. 西安建　　　　筑科技大学

g . c

ventilation in office buildings,2004,39,153–164

o m