混合通风与置换通风数值模拟的对比研究

杨忠国，郭胜杰，郭志龙

（黑龙江八一农垦大学工程学院，大庆 163319）

目前，人们的生活质量在不断提高，对室内居住环境和工作环境的舒适度及空气品质的要求也越来越高，这对建筑物的通风及空气调节提出了严格的要求。70年代全球能源危机后，空调系统节能作为建筑节能的一个重要方面越来越受到人们重视，广大学者进行了大量的研究，一种全新的、健康的、节能的置换通风方式逐渐取代了陈旧的、浑噩的、浪费的混合通风方式。

1 混合通风与置换通风简介

混合通风与置换通风是两种不同的气流组织形式，混合通风利用送风射流的诱导作用，通过房间的热湿负荷，把处理好的空气从房间顶部的送风口送入，射流而出的新鲜空气带动周边的污浊空气不断地形成旋转的涡流，在旋转的涡流中进行热湿交换[1]。由于混合通风送风口处于房间顶部，所以需要很大的送风速度才能送达工作区，造成能源的浪费，人们呼入的空气品质也是送入的新风和室内原有污浊空气混合而成的，对人的健康也会造成一定的影响。而置换通风则是把处理好的新鲜空气从地面或者靠近地面的送风口送入到呼吸区，使得工作区的空气品质最优良，人们呼入的空气最新鲜。由于置换通风是下送风方式的一种，送风口末端装置一般分布在地面或靠近地面，送风速度极低，房间顶部设置排风口，新风被加热后上升逐渐变成污浊空气从房间顶部排出，于是置换通风就在室内形成了低速、温度和污染物浓度分层分布的流场，从而具有较高的通风效率[2]。

2 建模与模型的简化

2.1 物理模型及边界条件的设定

以一间长3.5 m，宽8.5 m，高3.4 m 的办公室为模拟对象，房间形状见图1。边界条件为围护结构（四面墙壁、天花板和地板）均设为定温条件，速度进口，自由出流，桌椅边界为绝热，人体四周定热流、人头定污染源质量流计算，灯和电脑按定热流密度计算，空气假设为不可压缩流体计算。

图1 模拟房间的物理模型Fig.1 Physical model of simulation room

2.2 数学模型

理想流体流动遵循能量守恒、动量守恒和质量守恒三大定律。相应的方程在直角坐标系中可表示如下[3-6]：

能量方程：

动量方程：

质量守恒方程：

3 模拟对比

为体现出置换通风与混合通风的区别，采用相同送风温度T=294K 和送风速度v=0.15 m·s-1对二者进行比较，污染物以CO2为代表。

3.1 送风温度场的模拟

图2 混合通风x=1.65 m 温度分布等值线图（K）Fig.2 Temperature contour map of mixed ventilation x=1.65m

图3 置换通风x=1.65m 温度等值线图（K）Fig.3 Temperature contour map of displacement ventilation x=1.65m

3.2 送风污染物CO2 浓度场的模拟

图4 混合通风x=1.65 m CO2 质量百分浓度分布等值线图Fig.4 CO2 mass percent concentration contour map of mixed ventilation x=1.65m

图5 置换通风x=1.65m CO2 质量百分浓度等值线图Fig.5 CO2 concentration contour map of displacement ventilation x=1.65m

图6 置换通风与混合通风温度比较图Fig.6 Comparison graph between displacement ventilation and mixed ventilation

图7 置换通风与混合通风CO2 质量百分浓度比较图Fig.7 Comparison graph of CO2 mass percent concentration between displacement ventilation and mixed ventilation

4 结果分析

通过对两种不同通风方式的模拟比较，可以看出：

（1）混合通风顶部送风口位置温度最低，从地面到屋顶温度逐渐降低，死角容易发生在房间底部角落这些诱导气流到达不了的地方，这些死角区域温度最高。置换通风底部送风口处温度最低，从屋顶到地面温度逐渐降低，死角则出现在房间顶部的非工作区域内，温度分布比较合理。

（2）从温度梯度角度分析，置换通风的温度梯度在水平方向比较小，相对而言比较合理，而混合通风在水平方向的温度梯度则非常大，很不合理；工作区竖直方向的温度梯度方面，置换通风在工作区梯度较大，下冷上热，比较合理。混合通风工作区的温度梯度非常小，温度较高，不合理。

（3）从污染物浓度方面分析，从地面到房顶，混合通风污染物浓度逐渐减小，这是因为混合通风新风口在屋顶，所以工作区的空气是热湿混合的污浊空气，工作人员呼入的空气品质较差；从地面到房顶，置换通风污染物浓度逐渐增大，这是因为置换通风新风口处于地面附近，工作区的空气品质优良，比较合理。

（4）置换通风比混合通风具有更好的热舒适性。若在相同参数下想达到置换通风的效果，就需要减小混合通风的送风温度或增大其送风速度，这样能耗势必要增加，经济性必然会受到影响，同时又可能会产生人员不舒适的“吹风感”。

［1］杨忠国.置换通风空调室内空气品质的数值模拟研究［D］.鞍山：辽宁科技大学，2009.

［2］崔浩朋，刘洋，赵宁.大型矩形混凝土渡槽运行期太阳辐射温度场模拟研究［J］.河南科技学院学报：自然科学版，2014，42（1）：67-72.

［3］于海明，杨忠国，王海波，等.流体力学［M］.哈尔滨：地图出版社，2008.

［4］王福军.计算流体动力学分析—CFD 软件原理与应用［M］.北京：清华大学出版社，2004.

［5］韩占忠，王敬，兰小平.FLUENT 流体工程仿真计算实例与应用［M］.北京：北京理工大学出版社，2004.

［6］杨忠国，郑鑫，解恒燕.计算流体力学湍流模型在喷管流场数值模拟中的比较［J］.黑龙江八一农垦大学学报，2010，22（5）：36-38.