(室內(nèi)空氣分布的預(yù)測方法及比較)
摘要:通風(fēng)空調(diào)房間的空氣流動情況對于建筑物能耗、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測量手段來對室內(nèi)空氣分布作出預(yù)測。本文將對這4種室內(nèi)空氣分布的預(yù)測手段作簡要介紹,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)測機(jī)械通風(fēng)室內(nèi)空氣分布是最為簡單和經(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]。通過理論和實(shí)驗(yàn)測量,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、冷射流貼附長度等。
1.2ZonalModel
1970年ZonalModel被正式提出。在早期的二維模型中,研究工作集中在如何對要計(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有效地預(yù)測自然通風(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)熱以及有向流動等問題[2,7]。其模擬得到的實(shí)際上還是一種相對"精確"集總結(jié)果。
ZonalModel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)域間壓差和流動的關(guān)系來研究房間內(nèi)的溫度分布以及流動情況。
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通過普通邊界的質(zhì)量流量的計(jì)算
通過變通邊界(垂直邊界和水平邊界)的單位質(zhì)量流量為:
dqm=cρ(Δp)nds
其中同一水平線上的壓差:Δp=Δpo+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)qmbert=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)。
1.2.2ZonalModel
1970年ZonalModel被正式提出。在早期的二維模型中,研究工作集中在如何對要計(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有效地預(yù)測自然通風(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)熱以及有向流動等問題[2,7]。其模擬得到的實(shí)際上還是一種相對"精確"集總結(jié)果。
ZonalModel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)域間壓差和流動的關(guān)系來研究房間內(nèi)的溫度分布以及流動情況。
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通過普通邊界的質(zhì)量流量的計(jì)算
通過變通邊界(垂直邊界和水平邊界)的單位質(zhì)量流量為:
dqm=cρ(Δp)nds
其中同一水平線上的壓差:Δp=Δpo+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)qmbert=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=qmscpTs+qmecpTe
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。對于對流換熱,換熱量為Φcv=hcvS(T-Tw)
其中hcv為對流換熱系數(shù),S為對流換熱面積,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ZonalModel嵌套在SPARK(SimulationProblemAnalysisandResearchKernel)環(huán)境中預(yù)測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)行了對比。
研究者認(rèn)為如果對門的滲風(fēng)系數(shù)修正后ZonalModel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和對流換熱系數(shù)hcv對結(jié)果的影響不大。
然而,由于ZonalModel的自身特性所限,因此在應(yīng)用于預(yù)測室內(nèi)氣流分布需注意以下幾點(diǎn):
①不宜用于溫度梯度很大的情況;
②沒有涉及溫度和速度邊界層的問題,靜壓挖只在平等流型的情況下才合理;
?、圯椛鋫鳠釠]有考慮在內(nèi);
?、軐τ谏淞骰驀娏髦幸粋€區(qū)域或多個區(qū)域的情況,需要分別考慮[8]。
1.3CFD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)對室內(nèi)空氣湍流流動進(jìn)行數(shù)值計(jì)算成為可能,這便是CFD方法。簡單地說,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,只要劃分的控制體足夠小,就可認(rèn)為離散區(qū)域上的離散值代表整個房間內(nèi)空氣分布情況。
室內(nèi)空氣流動密度變化不大,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)空氣流動雷諾數(shù)往往達(dá)到湍流流動的量級,故室內(nèi)空氣流動為不可壓湍流流動。其中φ代表流動的速度、溫度、污染物濃度分布等物理量,對于相應(yīng)的湍流模型,φ還代表有關(guān)的湍流參數(shù),如湍流動能以及湍動能耗散率等。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)流場信息。詳細(xì)情況可參見文獻(xiàn)[9]??梢姡@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)空氣流動的方程是非線性的,求解時需要對其進(jìn)行迭代計(jì)算,因此CFD方法耗時比射流公式、ZonalModel為長,也較昂貴。而且,若采用高級的數(shù)值模擬技術(shù),如直接數(shù)值模擬DNS(directlynumericalsimulation)或大渦模擬LES(largeeddysimulation)等以獲得更可靠和詳盡(包括湍流肪動參數(shù)的)結(jié)果,耗費(fèi)時間更長,對計(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方法在時間、代價上都是很經(jīng)濟(jì)的。由于CFD方法能獲得流場的詳細(xì)信息,因此如果預(yù)測的準(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,如人們對湍流的認(rèn)識尚不完全清楚;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,故此可行性和對實(shí)際問題的可算性是CFD方法預(yù)測室內(nèi)空氣分布最大的問題。
1.4模型實(shí)驗(yàn)
借助相似理論,利用模型實(shí)驗(yàn)對室內(nèi)空氣分布進(jìn)行預(yù)測,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]中指出單個實(shí)驗(yàn)通常耗資3000~2000美元,而對于不同的條件,可能還需要多個實(shí)驗(yàn),耗資更多,周期也長達(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、周期長等總是外,由于實(shí)驗(yàn)技術(shù)和測量儀器的限制,模型實(shí)驗(yàn)還不能對所有參數(shù)進(jìn)行測量,如一些湍流的脈動參數(shù);基于同樣的理由,模型也難以對各種條件進(jìn)行實(shí)測。文獻(xiàn)[2]還指出模型實(shí)驗(yàn)難以對參數(shù)影響的敏感性進(jìn)行分析。
1.5室內(nèi)空氣分布的預(yù)測方法比較和使用建議
由以上介紹可見,4種預(yù)測室內(nèi)空氣分布的方法各有利弊,最簡單的射流公式適用性最差,所得流場信息也很有限;能獲得詳細(xì)分布信息的CFD方法存在可靠性對實(shí)際問題的可算性等問題;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。通過以上分析,結(jié)合工程應(yīng)用中關(guān)心的主要問題將各種預(yù)測方法列有(見表1)比較。
射流公式
ZonalModel
CFD
模型實(shí)驗(yàn)
房間幾何形狀復(fù)雜程度
簡單
較復(fù)雜
基本不限
基本不限
對經(jīng)驗(yàn)參數(shù)的依賴性
幾乎完全
很依賴
一些
不依賴
預(yù)測成本
最低
較低
較昂貴
最高
預(yù)測周期
最短
較短
較長
最長
結(jié)果的完備性
簡略
科略
最詳細(xì)
較詳細(xì)
結(jié)果的可靠性
差
差
較好
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,對暖通空調(diào)工程中的室內(nèi)空氣分布預(yù)測方法的使用建議如下:
?、賹C(jī)械通風(fēng)房間內(nèi)空氣分布進(jìn)行簡單預(yù)測或?qū)饬鹘M織進(jìn)行初步設(shè)計(jì)時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,不宜再用射流公式,而建議采用CFD方法。
?、趯ψ匀煌L(fēng)的通風(fēng)量和房間總?cè)珳囟龋ɑ騾^(qū)域集總溫度)進(jìn)行估算時宜采用ZonalModel,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CFD方法或者模型實(shí)驗(yàn)以及計(jì)算網(wǎng)格的劃分等,對使用者要求很高;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)際條件來決定是否有必要采用該方法。
2結(jié)論
通過對4種預(yù)測室內(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:
?、偕淞鞴胶唵我子茫m于機(jī)械通風(fēng)房間內(nèi)空氣分布的簡單預(yù)測,但應(yīng)注意其適用條件;
?、赯onalModel的預(yù)測成本、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,得以的結(jié)果是集總的;
③CFD方法適于對室內(nèi)空氣分布進(jìn)行詳細(xì)預(yù)測,可靠性和可算性是其實(shí)際應(yīng)用中最大的問題,在三種理論預(yù)測的手段中,CFD方法比射流公式和ZonalModel昂貴。
?、苣P蛯?shí)驗(yàn)最為可靠,但是預(yù)測周期長、價格昂貴,較難在工程使用。
參考文獻(xiàn)
1GelLTuve.Airvelocitiesinventilatingjets.ASHVETrans,1959,59:261~282.
2張國強(qiáng),鄒媛,LinY,等,室內(nèi)氣流模擬方法比較及一種新的模擬方法研究,見:2000年全國暖通空調(diào)年會論文集。2000,841~851
3PVNielsen.Flowinairconditionedrooms(EnglishTranslation):[PhDThesis].Copenhagen:TechnicalUniversityofDenmark,1976.
4ASHRAE.Spaceairdiffusion.In:ASHRAEFundamentals.ASHRAE,1993.
5ZHLi,JSZhang,AMZhivov,etal.Characteristicsofdiffuserairjetsandairflowintheoccupiedregionsofmechanicallyventilatedrooms-aliteraturereview.ASHRAETrans,1993,99.1119-1126.
6JSrebric,JLiu,QChen.Experimentalvalidationofjetformulaeforairsupplydiffusers.ProceedingsofROOMVENT2000.2000.
7EtienneWurtz,Jean-MichelNataf,FrederickWinkelmann.Two-orthree-dimensionalnaturalandmixingconvectionusingmodulatezonalmodelsinbuildings.InternationalJournalofHeatandMassTransfer,1999,42.923~940.
8EARodriguez,SAlvarez,JFCoronel.Modelingstratificationpatternsindetailedbuildingsimulationcodes.ProceedingsofEuropeanConferenceonEnergyPreformanceandIndoorClimateinBuildings,1994,Lyon,France,1994.
9SV帕坦卡,傳熱與液體流動的數(shù)值計(jì)算。張政,澤。北京:科學(xué)出版社,1980。
10是勛剛,湍流,天津:天津大學(xué)出版社,1994。
11PVNielsen.Numericalpredictionofairdistributioninrooms-statusandpotentials.BuildingSystems:RoomAirandAirContaminantDistribution,ASHRAE,1989.
12JSZhang,LLChristianson,GelLRiskowskl.Regionalairflowcharacteristicsinamechanically
ventilatedroomundernon-isothermalconditions.AT-90-2-3。