摘 要 采用计算机流体力学（CFD）方法，模拟了在冷却顶板+置换通风联合空调系统（CC/DV）以及冷却顶板+混合风联合系统（CC/MV）两个模拟中室内的空气温度、速度和粒子的分布情况。通过对模拟结果进行讨论，分析了粒子分布特征，结果表明：混合通风比置换通风更有效的排出地面产生的扬尘，大颗粒污染物在置换通风气流场中比小颗粒污染物容易沉积。而在混合通风气流场中大小颗粒物的分布区别不大。
关键词 置换通风；混合通风；冷板辐射；空气品质
引言
随着科技的不断发展，人们对自己的居住环境要求也越来越高·空调系统从以前的纯舒适度发展到目前的追求健康且舒适的空调环境·但是能源的不断减少给人们敲响了警钟，根据能源部门的数据，通风空调系统在商业建筑中消耗了超过40%的能源。因此人们要求空调系统应该是能提供一个舒适健隶并且节能的居住环境。对于常规的风机盘管或集中式中央空调来说，其室内的温度梯度较高会立生吹风感，影响舒适性。而且常规中央空调系统其运行能耗也很大。因此人们开始关注一种新的空调形式——置换通风十冷板辐射（CC/DV）或混合风通风+冷板辐射（CC/MV） 联合空调系统。
目前国内外已有许多专家学者对冷板辐射空调系统进行了大量的理论和实验研究·文献lwl通过实验模拟方法对置换通风和混合迪风系统的设计方法室内热环境及其控制方法、系统的能耗等进行了研究，但对于置换/混合通风+冷板辐射联合系统影响室内空气品质的研究还很少·。
置换通风是由于空气密度差形成的热气流上升而冷气流下降的原理，在室内形成垂直的温度梯度和污染物浓度梯度。混合通风是通过向室内送入新风稀释室内污染物浓度，从而使被控污染物浓度降低到允许标准之下。在完全混合的房间内，垂直温度一般也很均匀。 这两种的气流形式的示意如图1所示。
置换通风系统网设计的要求较高，建筑费用较大，但置换通风能提供较好的室内空气品质和较低的空气速度。由于置换通风系统的送风速度和温度限制了置换通风的供冷能力·因此应用冷板系统可能满足供冷要求。通过应用这种混合系统是希望能结合冷扳较好的热舒适度和置换通风气流流场达到较好的空气品质这两人系统的优点。然而，两者的优点放一块并不一定能产生一个完美的联合系统。实际上辐射冷板的特性能影响置换通风的气流场这样会使置换通风流场破坏·影响人，活动区域的空气品质。而常规的混合通风系统也可以移除污染物和潜热负荷。为了评价这两种不同的通风系统加辐射冷扳联合系统下室内空气品质和热舒适性·本文将采用数值模拟的方法对这两种通风联合系统中的室内流场、温度场加污染物浓度场进行比较分析讨论·
1 模型建立和模拟结果
1.1 物理模型
本文采用的一个典型办公室结构进行研究。模拟冷吊顶在不同送风万式青况下室内气流场、温度场和浓度场。房间的尺寸5·4mx3.3mx2.7m·，内部热源为人员和计算机·其中电脑2台（208W/台），工作人员2人（15OW/人），日光灯2盏（72W/盏），四片冷板尺寸1·lmx3.3m:置换通风送风口0·5mxO.3m，下送风，吊顶回风:排风口尺寸为0.3x0.3m。混合通风送风口0.15mx0.15m，上送风，同侧回风；排风口尺寸为 0.25mx0.25m；壁面和地板都设为绝热。将坐姿的人体简化为0.4mx0.3mx1.2m长方体。房间内的具体布置如图2所示。
1.2 物理模型说明
置换通风十冷板辐射（CC/DV）系统与混合风通风+冷板辐射（CC/MV）系统的模型采用同一物理模型。假设室内的冷负荷大部分是由冷板来承担的，送风只承担室内冷负荷的10%。由此设定置换通风的送风温度2O"C，·送风速度 0.2m/s；混合通风的送风温度2O"C，送风速度1.1m/s；冷板的表面温应定为2O"C。室内的热源情况也设定力相同。室内污染源是用在地面 0·2m处以0·0lm/s速度释放的颗粒物来模拟室内产生的扬尘.粒子的粒径选用luml和lOum作为大小粒径的代表，污染源释放强度为lOug /s。
简化问题，使控制方程适用于本问题，作如下假设：（1）对于边界条件的设定室内壁面与外界无功交换，设壁面为绝热；辐射墙面假设为灰体辐射模型采用离散坐标模型（即DO模型）；（2）对于流场计算条件的设定室内流体为不可压缩
常物性牛顿流体:支气密度采用Boussinesq假设即流体密度叹依赖温受变化·与压力无关:室内的湍流Re数较低·采用RNG的A·e模型求解流场控带方程在近壁面处采用非平街壁面函数法:(3）对于颗粒的模拟采甲离散相模型；在模拟过程中，忽略人体活动的影响。
1.3 两种送风方式速度场温度场的模拟结果
1.3.1 两种送风方式典型速度场的模拟结果
对于常规的上送风同侧下回的混合通风来说，送风气流从送风口送出和室内的空气充分混合从排风口排出室外，而对于CC/MV联合系统由于混合通风受到冷板的影响，使室内的气流场有所变化。图3显示了CC/MV系统的气流场分布。从图3（a）可以看出混合送风速度过小时，送风气流在室内不能形成混合气流场。这是因为新风气流还没来得和室内空气混合，就被下沉冷空气直接带到房间下部，排出室外。因此对于上送风同侧下回风的CC/MV系统其送风速度不能太小。
当增大送风速度呵室内形成典型的混合气流场，如图3（b）所示。但由于冷板的对流辐射造使得整个使得整个房间形成一个气流向下的混合区域，在房间的底部的排风口附近出现涡流。由于室内的气流完全混合，室内气流场比较均匀，在人体处没有看到明显的人热羽流上升，整个人体处于均匀混合气流场中。
CC/DV联合系统产生的气流场如图4（a）所示。从送风口送入的新风在房间底部形成冷空气湖，冷空气在房间的下部形成层流层，上部的冷板产生的冷空气下沉遇到房间中部人体和电脑等热源产生的上升热气流，在房间的上部形成一个混合层，从图4（a）中可以明显看出气流场的分层情况。在冷板的作用下置换通风分层高度被压在1.0m到1.5m之间的区域内。在置换通风系统中气流流动的动力是靠室内热源产生的热羽流，并吸卷下部气体，由下至上流动，最后在房间顶部排出室外。由图4（a）可以看到人体上方的热羽流，到两面墙产生回流在断面N-N的两个角上形成旋涡。在0.1m到1.1m高度区域的流速较低，在人体上部区域的流速较高。
1.3.2 两种送风方式典型温度场的模拟结果
图3(c)在CC/MV系统温度场的轮廓图。在CC/MV系统中，室内的温度分布比较均匀，在人体活动区域也没有明显的温度分布梯度。从图3（c）中可以看到，除了在冷板附近有冷空气沿着墙面问下引起的墙面温度低于房内温度，其他的区域的温度都比较均匀。在人体区域，由于人体有向上的热气流，在人体的左上方产生一个较高温区域，但在人体垂直方向的温度差很小（见图5），舒适性很好。而对于CC/DV联合系统来说，房间下部送出的冷风使得室内产生垂直温度梯度（见图4b），室内的温升可以分为三个区域：（1）是地板温升区其高度大约在0m~0.3m；（2）是工作温升区其高度大约在0.3m~1.2m；（3）是混合层温升区其高度大约在1.2m～2.7m；温度梯度最大的是在地板温升区，在工作温升区以及混合层温升区其温度相对较均匀。但在人体活动区域（0.1m至1.1m）的垂直温差没有超过ISO7730 的舒适标准（见图5）。从CC/MV与CC/DV的温度场来看CC/MV在人体活动区域比CC/DV稍高些，而CC/MV的优点是温度较均匀，CC/DV 的缺点是在人体活动区域有垂直温差。
从舒适性的角度考虑，在人体活动区域的垂直温差不能太大，而CC/DV联合系统中由于会产生热力分层现象·从图4（b）置换通风温度场可以明显看出，由于热力分层现象而使得室内温度场存在明显的垂直温度分布，如果室内的太大，人体则会产生教凉头暖的不适感。按ISO7730标准，对于静坐着的活动量水平。地板上方0.1m到l1.1m间的垂直温差不应大于3C。据研究，人体在房间内的不满意率成正比例关系。图5给出了在房间中心轴处沿进深方向的变化曲线图。可以明显看出在CC/DV系统中，最大的是在送风口附近，沿着气流方向垂直温差逐渐减小，而CC/MIV的相对于置换通风来说小很多而且非常平均。单纯从舒适性来说混合通风比置换通风要好，但不管是是CC/DV还是CC/MV在0·lm到l·lm间的垂直温差都没有超过3·C，都能达到lS07730的舒适标准。
1·4 两种送风方式的浓度场的模拟结果
图6·图7给出了地面扬尘所产生的颗粒在室内的污染物浓度分布清况·从图6（a）和7（a）可以看出在CC/MV流场中，地面扬尘所产生颗粒在室内分布均匀，这是混合通风气流场的典型特征。对比混合通风浓度场（图6a）和气流场（图3b）可以明显看出在CC/MV系统的房间内，室内颗粒物的浓度较大的地方都是出现在气流场产生涡流的地方·而且涡流的速度越小则浓度越高·这是由于旋涡能卷吸周围的颗粒使之积累在这一区域所造成的·因此CC/MlV系统房间内，在人体呼吸区域应该尽量减少涡流。比较图6（a）和7（a）可以看出小颗粒污染物在混合场中的浓度相对比大颗粒要低些，但两者相差不大。
从图6（b）和7（b）可以看出，在CC/DV流场中，颗粒在室内并不是均匀分布，大部分颗粒在房间下部积累，其中一部分随着人体等热源产生的热羽流上升排出室外·这主要是由置换通风的气流动力是靠热源产生的热羽流带动的，因此室内颗粒的排出也主要曲热羽流带走。见图6b和7b,而对于地面产生的扬尘来说，由于送风气流在送风口的对面产生水平回流（见图4a），这一层水平流向的回流压制了颗粒物的垂直扩散，导致了地面产生的污染物不能向上排出室外。对比大小粒径可以看出，大颗粒的污染物在CC/DV系统不容易扩散到房间的上部，大部分在室内下部沉积。因此在人体活动区域和房间的下部，大颗粒污染物浓度比小颗粒的要低些。而小颗粒的污染物随着热羽流带到房间的中上部，使得人体活动区域污染物浓度较高。
综上可知，颗粒物浓度的分布主要受到房间的气流场的影响。对于混合气流场中产生旋涡的地方能积累污染物使得这一区域的污染物浓度较高，而置换通风气流场中的回流使得污染物积累在房间下部不能有效排出室外。而且室内的颗粒物的浓度不仅和室内气流场有关还与污染源类型有关。对于由人体产生的CO2等热污染源，置换通风的气流场能很快的将这些污染物排出室外，而混合通风对于排除这些热污染源的能力相对要差些。但对于以地面扬尘所产生的冷污染源来说，置换通风的气流场就不再是优势了，反而传统的混合通风能有效的排除这些冷污染物。
为了详细讨论房间各点的污染物在垂直高度的分布情况，取了房间内三个典型的点作为重点分析研究扣图2所示，A点是房间的中心点·B点是热源附近的点·C点是远离热源的点。图B所示的是置换通风和混合通风分别在A·B·C三点随着高度污染物浓度的变化·在冷扳+混合通风系统中大颗粒和小颗粒的浓度相差不大，但冷板+置换通用系统中，大颗粒和小颗粒的浓度相差要大很多。室内浓度最高点出现在颗粒物释放高度，随着高度的增加而减少，在冷板附近颗粒物浓度迅速减小，这是由于冷板表面温度较低，使得颗粒物在热泳力的作用下迅速沉积到冷板表面·造成冷板附近区域污染物浓度相对较低。
从图8（a）可以看出，在混合通风系统中A点小颗粒和大颗粒的浓度相差不大。而置换通风系统中A点小颗粒和大颗粒浓度的轮廓线相似，但小颗粒的浓度要大很多。这是由于置换通风口的送风把房间进深前部产生的污染物带到A点，受到热羽流的作用吧小颗粒污染物带到房间的上部，因此在A点小颗粒的浓度要大很多。而大颗粒污染物由于受到沉降作用，大部分沉积在房间地面上，因此大颗粒的浓度要低些。在垂直方向混合通风系统污染物浓度分布较均匀，而置换通风系统的高污染物浓度集中在房间下部，同时在人体呼吸区域（地板上方1.0m到1.5m）所有粒子浓度在混合通风情况下比置换通风都要低些，特别是小粒子浓度。
从图8（b）可以看出，在B点，由于是热源的附近，在CC/MV系统中大小颗粒的污染物浓度并没有太大的变化，但CC/DV系统中受到热源向上的热气流的影响，小颗粒污染物的浓度明显降低，大颗粒污染物的浓度也有所下降，低于混合通风时的污染物浓度。从图8（c）可以看出，在CC/DV系统中的C点，人体呼吸区域所有粒径的污染物浓度全都迅速下降，其值远远低于混合通风的浓度。这是由典型置换通风气流场造成的。
从A,B,C三点污染物浓度沿房间高度变化规律可以看出，在CC/DV气流场里，大颗粒污染物比较容易沉积在地板上，使室内上部空间的浓度较小，在人体附近由上升气流的作用下，小粒子易垂直向上扩散，使室内上部空间小粒子浓度较大，而CC/MV气流场里，大颗粒污染物和小颗粒物污染的浓度差别不大。因此，在CC/DV系统房间内，粒子浓度受粒径的影响大，而CC/MV系统的粒子受粒径的影响不大。
3 结论
本文通过数值模拟方法研究了冷板系统在不同送风形式下室内气流场、温度场、颗粒物浓度场。通过对数值模拟结果的分析，可以得出如下结论:
（1） 在辐射冷板系统中，使用上送风同侧下回风的混合通风时，其送风速度不能大小，否则在室内不能形成完全的混合流场。
（2） 在CC/MV系统中，颗粒在室内分布较均匀，而在CC/DV系统中，颗粒在室内分布很不均匀，大部分颗粒都积累在房间下部。
（3） 对地面产生的扬尘来说，CC/DV系统中大颗粒污染物由于有沉降作用在室内的浓度较小颗粒污染物要低很多。CC/DV系统中大尘颗粒的浓度分布比较均匀，两者的差别也不大。
（4） 对于冷板附近，不管是CC/MV系统还是CC/DV系统，由于冷板温度较低，在热泳力的作用下都会使得颗粒物沉积到冷板表面，造成冷板附近的污染物浓度都较低。
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