不同的通风方式对打印室空气环境影响的模拟研究

杨恩泽　刘　鹏

(中国核电工程有限公司河北分公司，河北石家庄　050000)



不同的通风方式对打印室空气环境影响的模拟研究

杨恩泽刘鹏

(中国核电工程有限公司河北分公司，河北石家庄050000)

摘要:以打印室为例，通过模拟置换通风、顶棚送风以及传统的中央空调送风形式，得到不同送风方式下的温度场、速度场和污染物浓度场，分析结果表明，置换通风方式并不适宜用在此类房间中(污染物密度比空气大的房间);在相同的能量消耗情况下，传统的中央空调送风形式不能提供良好的热环境，顶棚送风可以获得相对较好的室内空气环境。

关键词:打印室，通风方式，热舒适，空气环境

0　引言

如今，打印机、复印机一方面为我们的生活、学习带来了便捷，另一方面，它们排放了一些污染物，如臭氧、悬浮颗粒物等，危害着我们的身体健康［1］。经常暴露于这类污染物中可对眼睛、鼻子、喉咙等部位造成刺激，以及引起精神疲劳、头疼和皮肤过敏等症状［2］。同时，普通打印室还有空间体积小，人员密度大的特点，这就更加恶化了打印室内的空气环境。由于我国经济发展水平和工作人员素质的制约，我们对打印室空气环境还不是太重视。

目前的通风方式按照室内气流形式不同可分为:传统中央空调混合通风、置换通风和工位送风。本文将利用Fluent软件模拟，来研究这三种通风方式对打印室空气环境的影响。其中，传统中央空调混合通风采用对侧上送下回方式，工位送风采用顶棚送风下回风方式。

1　数学和物理模型建立

1．1数学模型建立

当前，对空调房间通风方式的模拟，采用最多的就是经过Lanuder和Spalding修正后的标准K—ε模型，该模型是针对湍流发展非常充分的湍流模型建立的［3］。本文中的传统中央空调送风方式，Re数大，采用标准的K—ε模型。然而在置换通风和顶棚送风条件下，送风速度很低，紊流Re数较低，室内气流以自然对流为主，此时必须要考虑浮升力的影响。

鉴于以上原因，对于这两种送风方式，本文采用低Re数值K—ε模型进行模拟分析。

打印室通风的数学模型控制方程包括连续性方程、动量方程和能量方程［4］，见式(1)～式(3)。

连续性方程:

动量方程:能量方程:

本文中模拟了打印机表面臭氧散发过程，应用到了组分传输模型，控制方程还应该有组分质量守恒方程。

组分质量守恒方程:

差分格式采用一阶迎风格式，压力速度耦合问题采用SIMPLE算法。

1．2物理模型

模拟的打印室几何模型如图1所示。其空间结构为:长3 m、宽3 m、高2．7 m。房间内有人员(中间长方体示意)、电脑(左侧平板示意)和两台打印复印一体机(两个长方体示意)。

对该房间使用置换通风、工位送风方式中的顶棚送风以及传统的中央空调对侧上送下回通风形式分别进行模拟。模拟工况中送回风口的布置形式、尺寸和送风速度如表1所示。

表1　送风方案

这三种送风方案，送风量都是相等的，送风温度也是相等的，所以，各个工况下，空调的能耗也是相同的。这样，更有利于比较温度场、速度场以及污染物浓度场的分布，在能耗相同的前提下，选择相对较好的通风方式［5］。对房间网格的划分采用了非结构混合网格，为提高精度，在人体热源、电脑和打印机附近做了网格加密处理。

假设有三台电脑，额定功率为3×150=450 W，单台打印复印一体机功率为1 000 W，考虑到打印机的间歇使用(本文模拟采用稳态模拟)，两台打印机当量功率为2×1 000÷4=500 W，人员负荷为80 W。假设室内散发污染物为O3，由打印机表面散发，散发速率为7．2×10-11kg/s。边界条件确定如下:送风口设为速度进口。排风口设为回流出口。房间的六面墙假设为热绝缘。因为O3的密度比空气密度大，所以在工作条件设定时候我们考虑了重力影响。

2　模拟结果分析

为了描述方便，选择垂直于X轴，并通过人员中心的x=1．5 m作为代表性截面，分别研究三种方案下房间的温度场、速度场和污染物浓度场。由于O3散发速率为假设值，下文分析中对O3浓度模拟结果进行了相对化处理，以方便对O3浓度进行定性分析。

2．1置换通风的模拟结果

从图2可见，采用置换通风方式，人员附近出现明显的空气分层现象，人员活动区距离地面0．7 m高度以下的温度分布在25℃～27℃，而0．7 m高度到头顶的区域温度分布为27℃～29℃。人员身体附近风速均能满足0．25 m/s以下，不会引起吹冷风感(见图3)。因此，置换通风能够很好的控制人员活动区人体周围的空气流速，满足舒适性要求，但是，这种方式同时使温度分层严重，垂直温差过大，严重影响此区域人员的热舒适［6］。

图1　打印室的几何模型

图2　方案1的温度场分布图

图3　方案1的速度场分布图

图4　方案1的O3浓度场分布图

从图4可见，在人员呼吸区污染物浓度低于0．16 mg/m3，可以满足人员对新鲜空气的需求。但是，由于O3密度比空气密度大，排风口位于房间上侧，O3沉积于房间底层。考虑到打印室人员活动引起的空气扰动会将O3带到上层空气中，人员活动区O3浓度很容易超标［7］。

2．2中央空调对侧上送风，下回风模拟结果

从图5可见，采用中央空调对侧上送下回通风方式，在人员周围垂直温差不超过2℃，迎风的前后温差只有1℃，温度分布均匀。但是，人员周围空气温度主要分布在28℃～29℃之间，人员的热舒适性很差。这主要因为中央空调送风对应整个打印室区域的冷负荷，比置换通风对应的冷负荷大。从图6可见，室内高风速主要在高度大于1．8 m和壁面处;在人员活动区内，室内风速基本在0．25 m/s以下，不会对人产生吹冷风感。因此，中央空调对侧上送下回通风方式，室内空气温度、速度分布均匀，但是如果想要得到理想的室内热环境，需要增大空调能耗。

图5　方案2的温度场分布图

图6　方案2的速度场分布图

从图7可见，采用中央空调对侧上送下回通风方式，在距离地面0．5 m以上，O3浓度基本低于0．16 mg/m3，满足卫生标准;只有在送风口附近，O3浓度高于0．16 mg/m3。中央空调对侧上送下回通风方式对于处理密度大于空气的污染物效果比较明显。

2．3顶棚送风，下回风模拟结果

由图8可见，当采用顶棚送风，下回风通风方式时，人员头部温度为25℃～26℃，脚踝温度为27℃～28℃，这是由于风口位于人员上方的影响。垂直温差为1℃～2℃，整个人员活动区温度分布比置换通风均匀，基本能够满足人员热舒适要求。

由图9可见，人员头顶风速为0．15 m/s左右，吹风感不明显。除了排风口风速较高外，人员活动区风速基本满足要求。

由图10可见，当采用顶棚送风，下回风通风方式时，O3主要沉积于房间底层，最大浓度只有0．15 mg/m3。当打印室人员活动引起的空气扰动带动O3流动时，可以迅速就近通过下部排风口排出，而不必如置换通风方式那样，需经过人员活动区再排到室外。

图7　方案2的O3浓度场分布图

图8　方案3的温度场分布图

图9　方案3的速度场分布图

图10　方案3的O3浓度场分布图

3　结语

1)置换通风方式可以创造良好的热环境。但是，对于散发的污染物密度大于空气的房间，污染物沉积于房间底层，不易通过上部排风送到室外。置换通风方式不适宜应用于此类房间。

2)在与置换通风相同能耗的情况下，中央空调对侧上送下回通风方式排除污染物的效果比置换通风要好，但是，由于其自身机理原因，工作区温度明显高于置换通风方式工作区温度。此种方式如果想得到良好的室内热环境，势必要增大空调能耗。

3)顶棚送风、下回风的送风方式，室内温度场较置换通风方式的温度场均匀，人员附近垂直温差小;污染物沉积于房间底层，但是经扰动后可顺利通过下部排风口迅速排出，对人员活动区空气品质影响较小。此种通风方式可以提供良好的室内空气品质。

4)综上所述，对于散发污染物密度大于空气密度的房间，顶棚送风、下回风的送风方式能源利用率较高，人员附近的空气环境也比较舒适，可以推广使用。

参考文献:

［1］Destaillats H，Maddalena R L，Singer B C，et al．Indoor pollutants emitted by office equipment:A review of reported data and information needs［J］．Atmospheric Environment，2008，42(7): 1371-1388．

［2］Jaakkola M S，Jaakkola J J K．Office equipment and supplies:A modern occupational health concern［J］．American journal of epidemiology，1999，150(11):1223-1228．

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

［4］FLUENT工程技术与实例分析［M］．北京:中国水利水电出版社，2010．

［5］王昭俊，李春莹．工位空调不同送风方式的模拟分析［J］．哈尔滨商业大学学报(自然科学版)，2008，23(6):720-723．

［6］Standard A．Standard 55-2004［J］．Thermal environmental conditions for human occupancy，2004．

［7］室内空气质量标准［Z］．2002．

Simulation research on the impact of different
ventilation modes upon spatial environment of printing room

Yang EnzeLiu Peng
(China Nuclear Power Engineering Co．，Ltd Hebei Branch，Shijiazhuang 050000，China)

Abstract:Three kinds of ventilation modes，including displacement ventilation;on-ceiling air-conditioning and traditional central air-conditioning ventilation are simulated on the printing room，and we have obtained the temperature field，the velocity field and the concentration of pollutants field．Through the results，we can conclude that displacement ventilation cannot used in this kind of room，for the pollutants weigh heavier than the air;under the same amount of energy consumption，the traditional central air-conditioning ventilation cannot make a relative cool environment，on-ceiling air-conditioning can supply a better indoor air environment．

Key words:printing room，ventilation modes，thermal comfortable，air environment

作者简介:杨恩泽(1983-)，男，工程师;刘鹏(1982-)，男，工程师

收稿日期:2015-10-29

文章编号:1009-6825(2016)01-0133-03

中图分类号:TU333．17

文献标识码:A