基于Airpak軟件的室內(nèi)環(huán)境數(shù)值模擬分析

摘" 要：以德州市某高校氣流組織實驗室室內(nèi)環(huán)境為例，采用Airpak模擬軟件對典型夏季條件下選取的三種送風方式（側(cè)上送下回、頂送下回、下送上回）的效果進行模擬分析與評價，得到了其內(nèi)部速度場、溫度場、PMV云圖的變化規(guī)律，最終得到相同條件下側(cè)送風方式最為合理。其模擬結(jié)果對實際工程具有參考意義，為提高室內(nèi)人體的熱舒適性和熱環(huán)境，節(jié)能減排，以及改善室內(nèi)氣流組織、室內(nèi)空氣質(zhì)量提供技術(shù)支持和理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：Airpak軟件；氣流組織；室內(nèi)環(huán)境

中圖分類號：TP39" 文獻標識碼：A" 文章編號：2096-4706（2024）11-0111-05

Numerical Simulation Analysis of Indoor Environment Based on Airpak Software

WANG Chengzhi， LI Danhui

（Shandong Huayu University of Technology， Dezhou" 253034， China）

Abstract： Taking the indoor environment of an airflow organization laboratory in a certain university in Dezhou City as an example， Airpak simulation software is used to simulate and evaluate the effects of three selected air supply methods （side up supply and bottom return， top supply and bottom return， and bottom supply and up return） under typical summer conditions. The change rule of the internal velocity field， temperature field， and PMV cloud map are obtained， the most reasonable side air supply method under the same conditions is ultimately obtained. The simulation results have reference significance for practical engineering， providing technical support and theoretical basis for improving indoor human thermal comfort and thermal environment， energy conservation and emission reduction， improving indoor airflow organization and indoor air quality.

Keywords： Airpak software; airflow organization; indoor environment

0" 引" 言

室內(nèi)環(huán)境的質(zhì)量直接影響著我們的生活質(zhì)量和身心健康，尤其是對長期居住在室內(nèi)的老人和孩童影響最為明顯，其不良影響表現(xiàn)為不同程度的“病態(tài)建筑綜合癥”[1]。隨著生活水平的不斷提高，人們對室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量越發(fā)重視。舒適清爽的室內(nèi)環(huán)境不僅有益于身心健康，還能提高工作人員的辦事效率[2]。要想使室內(nèi)環(huán)境滿足熱舒適性要求，需要合理控制室內(nèi)環(huán)境的溫度、濕度及氣流速度，而不同的氣流組織形式會使室內(nèi)環(huán)境產(chǎn)生巨大差異，因此選擇合適的氣流組織形式至關(guān)重要。在對室內(nèi)熱環(huán)境和空氣質(zhì)量的研究方面，Airpak軟件是目前應用較為廣泛的工具[3]。

徐童童等[4]通過Airpak軟件對3種氣流組織形式（同側(cè)送排風、異側(cè)送排風和置換通風）下小型會議室夏季室內(nèi)熱環(huán)境進行數(shù)值模擬，得到不同氣流組織形式下的室內(nèi)溫度、速度、PMV值和PPD值分布，對比分析不同氣流組織形式下的人體熱舒適性。結(jié)果表明采用置換通風形式滿足的熱舒適等級更高，且室內(nèi)氣流速度波動較小，能夠較好地滿足人體熱舒適性要求，是較為理想的氣流組織形式。張志[5]根據(jù)某農(nóng)村臥室所處位置及建筑信息計算冬季熱負荷，利用Airpak軟件模擬兩種空調(diào)安裝位置下室內(nèi)環(huán)境溫度場、速度場、PMV-PPD值。結(jié)果表明在送風方式2下有更好的室內(nèi)風速、溫度分布以及較高的PMV-PPD值，并且氣流組織較好，可以保證為工作區(qū)域輸出新鮮空氣。戎傳亮[6]以濟南市某研究生工作室為研究對象，運用Airpak軟件進行模擬分析，通過得到的溫度場、速度場、壓力場、空氣齡及PMV-PPD分析知其滿足熱舒適性的要求。狄育慧等[7]運用Airpak模擬軟件對西安市某建筑工地活動板房臨時辦公室和常規(guī)建筑辦公室進行數(shù)值模擬，并將二者的溫度場、速度場、PMV及PPD等模擬結(jié)果進行對比分析。得出夏季活動板房溫度大于人體舒適溫度，PMV值和PPD值與溫度關(guān)系較大，故PMV和PPD值超出人體舒適范圍，活動板房室內(nèi)熱環(huán)境較差等結(jié)論。

本文以德州市某高校氣流組織實驗室為研究對象，利用Airpak軟件模擬研究不同空調(diào)送風形式對室內(nèi)溫度場、速度場等的影響，并對比分析了結(jié)果，以期為小型室內(nèi)環(huán)境選擇合理送風形式提供參考和理論依據(jù)[8]。

1" 建立物理模型及設(shè)計方案

1.1" 建筑模型建立

本次的模擬對象是一個室內(nèi)實驗室。基本的工程資料如下：實驗室為長方體型，長為6 m，寬為4 m，高為2.6 m。實驗室位于房間內(nèi)，不考慮透過玻璃窗的日射得熱，且實驗室內(nèi)默認無其他熱源。采用Airpak軟件建立實驗室的幾何模型。

1.2" 基本設(shè)計參數(shù)

設(shè)計參數(shù)如下：夏季，室外平均溫度24 ℃，相對濕度60%，送入新風溫度20 ℃，送風速度1 m/s。

1.3" 假設(shè)條件

為簡化計算模型，特進行如下假設(shè)：

1）不考慮隨空氣流動的室內(nèi)污染物因密度差引起的沉降速度。2）房間四墻無相互輻射。3）不考慮漏風的影響。4）不考慮門的影響。

1.4" 選用計算模型

根據(jù)計算流體力學中關(guān)于室內(nèi)環(huán)境氣流組織模擬要求及本實驗室具體情況進行如下設(shè)定[9]：1）空間：三維。2）時層：穩(wěn)態(tài)。3）流態(tài)：k-ε湍流模型。

2" 幾種模擬方案選取及結(jié)果分析

2.1" 三種送回風方案

本次研究共選擇三種送回風方案，分別為側(cè)上送下回、頂送下回、下送上回。

送回風口的相關(guān)參數(shù)如表1所示。送風口的出流方向與送風口的方向垂直，表格內(nèi)的負號表示與送風方向相反。

2.2" 計算結(jié)果及分析評價

2.2.1" 側(cè)上送下回送風方式

實驗室內(nèi)中心區(qū)域（即人員活動區(qū)域）大部分地方風速很低。從圖1、圖2、圖3所示的溫度云圖來看，送風側(cè)溫度下降明顯，形成溫度梯度，在y = 1.3 m（人員坐著時）和y = 1.7 m（人員站立時）溫度相差不超過1 ℃，即人體不會感受到明顯的冷熱分布不均。在yz平面來看，垂直方向上有一定的溫度分層，但不同分層之間溫差較小。

從圖4、圖5所示的速度云圖來看，新鮮空氣通過送風口進入房間后，在浮升力的影響下，風力迅速減弱，再加上墻壁和通風孔的吸力，形成左右對稱的兩個氣旋。中心對稱處的風速更大，這是由風口的排列方式和流速的衰減所致，所以可以在同一個平面內(nèi)更好地混合在一起，以便讓實驗室內(nèi)污染的空氣更好地吸釋和外排，這樣有利于形成合理的溫度分布。回流區(qū)大多位于實驗室內(nèi)人員集中活動的區(qū)域，氣流組織布置合理[10]。在浮升力的作用下，送入的新風在貼地面處進行擴散，它與噴流學中的“粘著噴流”現(xiàn)象相似，并由此使得周圍的氣流慢慢地向上運動。從y = 1.3 m（人坐著時的呼吸面積）和y = 1.7 m（人站立時的呼吸面積）中可以看到，空氣在整個空間中的流動十分均勻。

從圖6所示的x = 3 m的PMV云圖來看，在距離地面1.5 m以內(nèi)的PMV值在-0.965～-0.781之間，而在1.5 m以上PMV值＜-0.5，總體來看，絕大部分PMV值都落在舒適性最好的區(qū)間，即在-0.5～0.5之間，說明在側(cè)上送下回送風方式下實驗室內(nèi)工作人員在主要活動區(qū)感覺是舒適的。

2.2.2" 頂送下回送風方式

從圖7、圖8、圖9所示的溫度云圖來看，整個實驗室溫度分布比較穩(wěn)定，且有分層現(xiàn)象出現(xiàn)，對整個實驗室內(nèi)人員活動區(qū)域來說，溫度都是比較舒適的。在y = 1.3 m（人員坐著時）和y = 1.7 m（人員站立時）溫度相差不超過1 ℃，即人體不會感受到明顯的冷熱分布不均。在yz平面，靠近送風口處溫度最低為20 ℃，向下逐漸升高形成溫度分層，但不同分層之間溫差較小。

從圖10、圖11所示的速度云圖來看，新鮮空氣通過送風口進入房間后，在浮力的作用下風速逐漸降低，又由于墻壁及送風口對氣流的卷吸作用，在y = 1.3 m處，氣流在房間四周形成兩個氣旋做回轉(zhuǎn)運動，而在y = 1.7 m處，氣流在房間四周形成四個氣旋做回轉(zhuǎn)運動；從y = 1.3 m（人坐著時的呼吸面積）和y = 1.7 m（人站立時的呼吸面積）中，我們可以看到，在整個空間中空氣的流動非常均勻，使整個區(qū)域的體感舒適度較好。

從圖12所示的x = 3 m的PMV云圖來看，在距離地面1.5 m以內(nèi)的PMV值在-0.965～-0.781之間，而在1.5 m以上PMV值＜-0.5，總體上來看，多數(shù)PMV值都落在舒適性最好的-0.5～0.5之間，但在靠近送風口處PMV值為-1.701～-1.149，在這部分區(qū)域內(nèi)舒適性還是稍差一些。

2.2.3" 下送上回送風方式

實驗室內(nèi)中心區(qū)域大部分地方風速較高，人體略微感到有吹風感。從圖13、圖14、圖15所示的溫度云圖來看，在送風速度為1 m/s的情況下，沿實驗室內(nèi)四角各自存在四個溫度低點（約為20 ℃），從四角向?qū)嶒炇覂?nèi)部溫度逐漸升高。實驗室內(nèi)同一水平面溫度比較均勻，送風口位于下側(cè)會使實驗室下部溫度偏低，上部的溫度比較高。而上半部分屬于非人員活動區(qū)，其溫度變化對人體熱舒適性的影響較小。對于實驗室內(nèi)人員活動區(qū)域來說，整體溫差未超過3 ℃，垂直溫差能夠滿足人體熱舒適性要求。在y = 1.3 m（人員坐著時）和y = 1.7 m（人員站立時）溫度相差不超過1 ℃，即人體不會感受到明顯的冷熱分布不均。從yz平面來看，在靠近排風口處，溫度最低為21 ℃，向下逐漸升高形成溫度分層，但不同分層之間溫差較小。

從圖16、圖17所示的速度云圖來看，新鮮空氣經(jīng)送風口進入房間后，在浮升力的作用下風速快速衰減，加之又受到墻壁及送風口的卷吸作用，在y = 1.3 m處，氣流在房間四周形成四個氣旋做回轉(zhuǎn)向上運動；在y = 1.7 m處，氣流在房間上下形成兩個氣旋做回轉(zhuǎn)向上運動。在中間對稱處的氣流速度要弱于墻壁四周的氣流速度，這主要取決于風口的位置和風速的衰減，所以在實驗室中，同一個平面內(nèi)才能更好地混合，以便讓實驗室內(nèi)污染的空氣更好地吸釋和外排，這樣有利于形成合理的溫度分布。從y = 1.3 m（人坐著時的呼吸面積）和y = 1.7 m（人站立時的呼吸面積）中，我們可以看到在整個空間中空氣的流動非常均勻，使得整個區(qū)域的人體舒適度更好。

從圖18所示的x = 3 m的PMV云圖來看，在距離地面1.5 m以內(nèi)的PMV值在-0.845～-0.597之間，而在1.5 m以上PMV值＜-0.5，總體上來看，多數(shù)PMV值都落在舒適性最好的-0.5～0.5之間，但在靠近排風口處PMV值在-1.092～-1.835之間，在這部分區(qū)域內(nèi)舒適性還是稍差一些。

3" 結(jié)" 論

從yz平面的溫度云圖可以看出，下送上回和頂送下回在地面熱源以外的區(qū)域形成較為明顯的溫度梯度和速度梯度，而側(cè)下送上回不夠明顯。從PMV角度來分析，三種氣流組織形式下，多數(shù)區(qū)間人體熱感覺PMV值都在舒適性范圍之內(nèi)，表明三種送風方式下實驗室內(nèi)主要活動區(qū)域是體感舒適的，但在下送上回和頂送下回兩種送風方式下，還有少部分PMV值落在-0.5～0.5之外，所以從舒適性方面來說，選取側(cè)下送上回送風方式能夠保證實驗室人員的體感舒適度。

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作者簡介：王承志（1990.11—），男，漢族，山東菏澤人，講師，碩士研究生，研究方向：能源與動力工程；李丹暉（1991.03—），女，漢族，山東德州人，講師，本科，研究方向：機械設(shè)計及自動化。

收稿日期：2023-12-13

基金項目：山東華宇工學院科技計劃項目（2023KJ10）