室內(nèi)空氣分布的預(yù)測方法及比較
作者：CEO
時間：2022-09-06
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信息摘要：摘要：通風空調(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空調(diào)方案。而了為可靠的預(yù)測方法就是模型實驗，它借助相似理論
，在等比例或縮小比例的
室內(nèi)空氣分布的預(yù)測方法及比較
摘要：通風空調(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空調(diào)方案
。而了為可靠的預(yù)測方法就是模型實驗
，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，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
利用射流公式計算出相關(guān)參數(shù)
，預(yù)測機械通風室內(nèi)空氣分布是最為簡單和經(jīng)濟的方法。按照通風空調(diào)送風口射流在室內(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]
。通過理論和實驗測量，人們整理出關(guān)于各種射流的半經(jīng)驗公式
，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算的區(qū)域進行劃分
；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
、混合通風情況下房間內(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source，sink分別代表該區(qū)域內(nèi)的源項和匯項
。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qmbert=Cρs(p-ptop)n
式中C為滲透系數(shù)
，為一經(jīng)驗常數(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算的區(qū)域進行劃分
；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
、混合通風情況下房間內(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source，sink分別代表該區(qū)域內(nèi)的源項和匯項
。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qmbert=Cρs(p-ptop)n
式中C為滲透系數(shù)
，為一經(jīng)驗常數(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熱流量的計算
文獻[7]建議熱流通量用下式計算：Φhoriz=qmscpTs+qmecpTe
Φvert=qmvertcpTvert
其中qms
，qme分別為離開
、進入研究區(qū)域的質(zhì)量流量；Ts
，Te分別為離開
、進入研究區(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)用于混合通風的情況
，但詳細的研究報道目前很少見到
。常見的是應(yīng)用于自然通風房間氣流分布的研究。文獻[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)果以及實驗結(jié)果進行了對比
。
研究者認為如果對門的滲風系數(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：
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、俨灰擞糜跍囟忍荻群艽蟮那闆r；
?div id="4qifd00" class="flower right">
、跊]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；
?div id="4qifd00" class="flower right">
、圯椛鋫鳠釠]有考慮在內(nèi)
；
④對于射流或噴流中一個區(qū)域或多個區(qū)域的情況
，需要分別考慮[8]
。
1．3CFD方法
由于計算機技術(shù)、湍流模擬技術(shù)的發(fā)展
，用計算機對室內(nèi)空氣湍流流動進行數(shù)值計算成為可能
，這便是CFD方法。簡單地說
，該方法就是在計算機上虛擬地做實驗
；依據(jù)室內(nèi)空氣流動的數(shù)學物理模型，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)合實際上的邊界條件在計算機上數(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)點的變量值
，b為離散方程的源項。下標"p"表示考察的控制體節(jié)
，下標"nb"表示p相鄰的節(jié)點
。
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。詳細情況可參見文獻[9]
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？梢姡@種手段能獲得室內(nèi)空氣分布的詳細信息
，且能容易地模擬各種條件--只需在計算機上定義即可
。而由于控制室內(nèi)空氣流動的方程是非線性的，求解時需要對其進行迭代計算
，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,耗費時間更長,對計算機要求更高
，也就更昂貴[10]
。盡管如此，相比模型實驗而言
，CFD方法在時間
、代價上都是很經(jīng)濟的。由于CFD方法能獲得流場的詳細信息
，因此如果預(yù)測的準確性能夠保證,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
，如人們對湍流的認識尚不完全清楚
；且其在暖通空調(diào)工程實際應(yīng)用中還存在著一些特殊性，如風口模型
、熱源和輻射模型等
，故此可行性和對實際問題的可算性是CFD方法預(yù)測室內(nèi)空氣分布最大的問題。
1．4模型實驗
借助相似理論
，利用模型實驗對室內(nèi)空氣分布進行預(yù)測
，不需依賴經(jīng)驗理論，是最為可靠的方法
，但也是最昂貴
、周期最長的方法。搭建實驗?zāi)Ｐ秃馁Y很大
，如文獻[
11]中指出單個實驗通常耗資3000～2000美元
，而對于不同的條件，可能還需要多個實驗
，耗資更多
，周期也長達數(shù)月以上。因此模型實驗一般只用于要求預(yù)測結(jié)果很準確的情況
。
但是除了以上提到的耗費高
、周期長等總是外，由于實驗技術(shù)和測量儀器的限制
，模型實驗還不能對所有參數(shù)進行測量
，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行實測
。文獻[2]還指出模型實驗難以對參數(shù)影響的敏感性進行分析。
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；能獲得詳細分布信息的CFD方法存在可靠性對實際問題的可算性等問題
；最可靠的模型實驗又最昂貴和復(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
模型實驗
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
較詳細
結(jié)果的可靠性
差
差
較好
好
適用性
機械通風，且與實際射流條件有關(guān)
機械和自然通風
，一定條件下
機械和自然通風
機械和自然通風
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：
①對機械通風房間內(nèi)空氣分布進行簡單預(yù)測或?qū)饬鹘M織進行初步設(shè)計時可采用射流公式方法
；當實際情況與射流公式的適用條件（如熱源分布
、風口形式和位置等）相差很大時
，不宜再用射流公式
，而建議采用CFD方法。
?div id="jfovm50" class="index-wrap">、趯ψ匀煌L的通風量和房間總?cè)珳囟龋ɑ騾^(qū)域集總溫度）進行估算時宜采用ZonalModel
，若想進一步了解速度和溫度的分布情況，可采用CFD方法
。
?div id="jfovm50" class="index-wrap">、圩匀煌L和機械通風房間內(nèi)的溫度、速度
、污染物濃度等的詳細分布情況
，只能通過CFD方法或者模型實驗以及計算網(wǎng)格的劃分等，對使用者要求很高
；模型實驗則遠較CFD方法昂貴
，需要根據(jù)具體情況和實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
，并考慮到實際應(yīng)用中的情況
，得出如下主要結(jié)論：
①射流公式簡單易用
，適于機械通風房間內(nèi)空氣分布的簡單預(yù)測
，但應(yīng)注意其適用條件；
?div id="jfovm50" class="index-wrap">、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，較適合自然通風的風量和溫度預(yù)測
，得以的結(jié)果是集總的
；
③CFD方法適于對室內(nèi)空氣分布進行詳細預(yù)測
，可靠性和可算性是其實際應(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。
?div id="jpandex" class="focus-wrap mb20 cf">、苣Ｐ蛯嶒炞顬榭煽?div id="jpandex" class="focus-wrap mb20 cf">，但是預(yù)測周期長、價格昂貴
，較難在工程使用
。
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