不同的通風方式對打印室空氣環境影響的模擬研究

楊恩澤　劉　鵬

(中國核電工程有限公司河北分公司，河北石家莊　050000)

?

不同的通風方式對打印室空氣環境影響的模擬研究

楊恩澤劉鵬

(中國核電工程有限公司河北分公司，河北石家莊050000)

摘要:以打印室為例，通過模擬置換通風、頂棚送風以及傳統的中央空調送風形式，得到不同送風方式下的溫度場、速度場和污染物濃度場，分析結果表明，置換通風方式并不適宜用在此類房間中(污染物密度比空氣大的房間);在相同的能量消耗情況下，傳統的中央空調送風形式不能提供良好的熱環境，頂棚送風可以獲得相對較好的室內空氣環境。

關鍵詞:打印室，通風方式，熱舒適，空氣環境

0　引言

如今，打印機、復印機一方面為我們的生活、學習帶來了便捷，另一方面，它們排放了一些污染物，如臭氧、懸浮顆粒物等，危害著我們的身體健康［1］。經常暴露于這類污染物中可對眼睛、鼻子、喉嚨等部位造成刺激，以及引起精神疲勞、頭疼和皮膚過敏等癥狀［2］。同時，普通打印室還有空間體積小，人員密度大的特點，這就更加惡化了打印室內的空氣環境。由于我國經濟發展水平和工作人員素質的制約，我們對打印室空氣環境還不是太重視。

目前的通風方式按照室內氣流形式不同可分為:傳統中央空調混合通風、置換通風和工位送風。本文將利用Fluent軟件模擬，來研究這三種通風方式對打印室空氣環境的影響。其中，傳統中央空調混合通風采用對側上送下回方式，工位送風采用頂棚送風下回風方式。

1　數學和物理模型建立

1．1數學模型建立

當前，對空調房間通風方式的模擬，采用最多的就是經過Lanuder和Spalding修正后的標準K—ε模型，該模型是針對湍流發展非常充分的湍流模型建立的［3］。本文中的傳統中央空調送風方式，Re數大，采用標準的K—ε模型。然而在置換通風和頂棚送風條件下，送風速度很低，紊流Re數較低，室內氣流以自然對流為主，此時必須要考慮浮升力的影響。

鑒于以上原因，對于這兩種送風方式，本文采用低Re數值K—ε模型進行模擬分析。

打印室通風的數學模型控制方程包括連續性方程、動量方程和能量方程［4］，見式(1)～式(3)。

連續性方程:

動量方程:能量方程:

本文中模擬了打印機表面臭氧散發過程，應用到了組分傳輸模型，控制方程還應該有組分質量守恒方程。

組分質量守恒方程:

差分格式采用一階迎風格式，壓力速度耦合問題采用SIMPLE算法。

1．2物理模型

模擬的打印室幾何模型如圖1所示。其空間結構為:長3 m、寬3 m、高2．7 m。房間內有人員(中間長方體示意)、電腦(左側平板示意)和兩臺打印復印一體機(兩個長方體示意)。

對該房間使用置換通風、工位送風方式中的頂棚送風以及傳統的中央空調對側上送下回通風形式分別進行模擬。模擬工況中送回風口的布置形式、尺寸和送風速度如表1所示。

表1　送風方案

這三種送風方案，送風量都是相等的，送風溫度也是相等的，所以，各個工況下，空調的能耗也是相同的。這樣，更有利于比較溫度場、速度場以及污染物濃度場的分布，在能耗相同的前提下，選擇相對較好的通風方式［5］。對房間網格的劃分采用了非結構混合網格，為提高精度，在人體熱源、電腦和打印機附近做了網格加密處理。

假設有三臺電腦，額定功率為3×150=450 W，單臺打印復印一體機功率為1 000 W，考慮到打印機的間歇使用(本文模擬采用穩態模擬)，兩臺打印機當量功率為2×1 000÷4=500 W，人員負荷為80 W。假設室內散發污染物為O3，由打印機表面散發，散發速率為7．2×10-11kg/s。邊界條件確定如下:送風口設為速度進口。排風口設為回流出口。房間的六面墻假設為熱絕緣。因為O3的密度比空氣密度大，所以在工作條件設定時候我們考慮了重力影響。

2　模擬結果分析

為了描述方便，選擇垂直于X軸，并通過人員中心的x=1．5 m作為代表性截面，分別研究三種方案下房間的溫度場、速度場和污染物濃度場。由于O3散發速率為假設值，下文分析中對O3濃度模擬結果進行了相對化處理，以方便對O3濃度進行定性分析。

2．1置換通風的模擬結果

從圖2可見，采用置換通風方式，人員附近出現明顯的空氣分層現象，人員活動區距離地面0．7 m高度以下的溫度分布在25℃～27℃，而0．7 m高度到頭頂的區域溫度分布為27℃～29℃。人員身體附近風速均能滿足0．25 m/s以下，不會引起吹冷風感(見圖3)。因此，置換通風能夠很好的控制人員活動區人體周圍的空氣流速，滿足舒適性要求，但是，這種方式同時使溫度分層嚴重，垂直溫差過大，嚴重影響此區域人員的熱舒適［6］。

圖1　打印室的幾何模型

圖2　方案1的溫度場分布圖

圖3　方案1的速度場分布圖

圖4　方案1的O3濃度場分布圖

從圖4可見，在人員呼吸區污染物濃度低于0．16 mg/m3，可以滿足人員對新鮮空氣的需求。但是，由于O3密度比空氣密度大，排風口位于房間上側，O3沉積于房間底層。考慮到打印室人員活動引起的空氣擾動會將O3帶到上層空氣中，人員活動區O3濃度很容易超標［7］。

2．2中央空調對側上送風，下回風模擬結果

從圖5可見，采用中央空調對側上送下回通風方式，在人員周圍垂直溫差不超過2℃，迎風的前后溫差只有1℃，溫度分布均勻。但是，人員周圍空氣溫度主要分布在28℃～29℃之間，人員的熱舒適性很差。這主要因為中央空調送風對應整個打印室區域的冷負荷，比置換通風對應的冷負荷大。從圖6可見，室內高風速主要在高度大于1．8 m和壁面處;在人員活動區內，室內風速基本在0．25 m/s以下，不會對人產生吹冷風感。因此，中央空調對側上送下回通風方式，室內空氣溫度、速度分布均勻，但是如果想要得到理想的室內熱環境，需要增大空調能耗。

圖5　方案2的溫度場分布圖

圖6　方案2的速度場分布圖

從圖7可見，采用中央空調對側上送下回通風方式，在距離地面0．5 m以上，O3濃度基本低于0．16 mg/m3，滿足衛生標準;只有在送風口附近，O3濃度高于0．16 mg/m3。中央空調對側上送下回通風方式對于處理密度大于空氣的污染物效果比較明顯。

2．3頂棚送風，下回風模擬結果

由圖8可見，當采用頂棚送風，下回風通風方式時，人員頭部溫度為25℃～26℃，腳踝溫度為27℃～28℃，這是由于風口位于人員上方的影響。垂直溫差為1℃～2℃，整個人員活動區溫度分布比置換通風均勻，基本能夠滿足人員熱舒適要求。

由圖9可見，人員頭頂風速為0．15 m/s左右，吹風感不明顯。除了排風口風速較高外，人員活動區風速基本滿足要求。

由圖10可見，當采用頂棚送風，下回風通風方式時，O3主要沉積于房間底層，最大濃度只有0．15 mg/m3。當打印室人員活動引起的空氣擾動帶動O3流動時，可以迅速就近通過下部排風口排出，而不必如置換通風方式那樣，需經過人員活動區再排到室外。

圖7　方案2的O3濃度場分布圖

圖8　方案3的溫度場分布圖

圖9　方案3的速度場分布圖

圖10　方案3的O3濃度場分布圖

3　結語

1)置換通風方式可以創造良好的熱環境。但是，對于散發的污染物密度大于空氣的房間，污染物沉積于房間底層，不易通過上部排風送到室外。置換通風方式不適宜應用于此類房間。

2)在與置換通風相同能耗的情況下，中央空調對側上送下回通風方式排除污染物的效果比置換通風要好，但是，由于其自身機理原因，工作區溫度明顯高于置換通風方式工作區溫度。此種方式如果想得到良好的室內熱環境，勢必要增大空調能耗。

3)頂棚送風、下回風的送風方式，室內溫度場較置換通風方式的溫度場均勻，人員附近垂直溫差小;污染物沉積于房間底層，但是經擾動后可順利通過下部排風口迅速排出，對人員活動區空氣品質影響較小。此種通風方式可以提供良好的室內空氣品質。

4)綜上所述，對于散發污染物密度大于空氣密度的房間，頂棚送風、下回風的送風方式能源利用率較高，人員附近的空氣環境也比較舒適，可以推廣使用。

參考文獻:

［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］王福軍．計算流體動力學分析:CFD軟件原理與應用［M］．北京:清華大學出版社有限公司，2004．

［4］FLUENT工程技術與實例分析［M］．北京:中國水利水電出版社，2010．

［5］王昭俊，李春瑩．工位空調不同送風方式的模擬分析［J］．哈爾濱商業大學學報(自然科學版)，2008，23(6):720-723．

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

［7］室內空氣質量標準［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

作者簡介:楊恩澤(1983-)，男，工程師;劉鵬(1982-)，男，工程師

收稿日期:2015-10-29

文章編號:1009-6825(2016)01-0133-03

中圖分類號:TU333．17

文獻標識碼:A