3 实际通风系统中对全程空气龄的计算
3.1 实际通风系统的构成元素
实际通风系统由通风房间,风道,新风入口,排风口按照一定方式连接而成(如图1)。
理论上,对任意复杂的系统,我们都可以进行全区域(包括房间,风道和AHU)三维数值计算,但这必然导致复杂的无法解决的
问题。因此,为使空气龄的概念能
应用到实际工程当中,必须提出针对复杂通风系统的简化算法。
图1 实际通风系统示意图
不论是多么复杂的通风系统,总可以按照空气流动方向分解成以下四种情况的组合:(1)无分岔管道内流动(例如从点M1到点S1);(2)沿分岔管道分流(在点S1处);(3)沿管道汇合汇流(在点M1处);(4)通风房间内流动。对这四种情况的空气龄分布,我们可以在满足精度要求的情况下作如下处理:
(1)无分岔管道内流动,空气龄在管道内的增量为:
(7)
(2)沿分岔管道分流,由于空气性质分岔前后(无限短处)不变,所以空气龄分岔前后(无限短处)不变。
(3)沿管道汇合汇流,汇合点后(无限短处)的空气龄通过下式确定:
(8)
其中τ
i和L
i分别代表第i支参与汇合的风道内在汇合点前(无限短处)气流的空气龄和风量。
(4)通风房间内流动:首先通过N-S方程(9)用计算流体力学
方法确定房间内空气流速分布,再根据方程(4)用数值方法求解空气龄。所有这些方程都可以写成如下同一形式:
(9)
其中φ是通用变量,可以代表u,v,w等,ρ,
,S
φ是密度,φ的扩散系数和源项。详见表1。
通用方程中各项的取值和含义 表1
φ | | Sφ |
1 | 0 | 0 |
u | ueff | |
V | ueff | |
W | ueff | |
K | | Gk-ρε |
ε | | |
τρ | | ρ |
ueff = ul ut ut=CDρk2/ε |
|
|
方程中u,v,w等的边界条件前人已有说述,在此不再赘言。空气龄的边界条件如下表述[19]:
入口处: (10)
出口处: (11)
3.2 实际通风系统的综合计算
实际空调通风系统的方式多种多样。送风房间数量可以是单个到几十个甚至上百个,AHU数量可以是一个或十和个,送风管路连接关系可以是枝状或环形。对一般的复杂系统,尽管理论上可以把系统按组成元素划分,对每个元素列出相应空气龄分布方程,再对这些方程进行联立求解,从而获得整个系统工程的全程空气龄参数;但在实际上这样处理极其困难。原因主要在于现有计算流体力学软件对边界条件处理的局限性。在上述通风系统的四种构成中,只有房间内流动需要进行数值计算。当有回风系统存在时,房间送风口的边界条件就成为房间出风口处空气龄(尚需要通过数值计算求解)和新风在管路中空气龄增量(可以在数值计算前先计算出来)的线性组合。即,方程(10)式在存在回风系统的数值计算中表现为:
(12)
其中 代表送风口处空气龄的值,是未知列微量,维数是送风口个数。τ是房间中各个控制体的空气龄值,是未知列向量,维数是房间内控制体的个数。P是矩阵,代表管道连接关系;C是列向量,代表管道空气龄增量;P和C都可以在数值计算之前求出(即在方程(12)中成为已知量)。
方程(12)所代表的边界条件是现有大部分计算充体力学软件都不能处理的,如需解决,必须亲自编写额外程序。这就导致上述方法在实际应用中难以实现。
研究表明,在实际
应用中可以采用迭法进行
计算。具体步骤为(以图1为例):
(1)假设M
1,M
2等所有回风点空气龄数值(需大于0),然后根据方程(7)(8),计算送风口处空气龄值。
(2)通过数值计算求解房间内空气龄分布。
(3)依据排风口处的空气龄值计算出新的回风点空气龄。
(4)若新的回风点空气龄与上一轮迭代中空气龄之差在误差允许范围之内,计算结束。否则返回第(2)步。
在数学上可以严格证明,只要系统新风比不为0(不是全回风系统),上述
方法的收敛性和相容性都是得到保证的。空气龄迭代所占计算时间远远少于求解速度场所需的时间,因此该方法在速度上也是可以满足要求的。
尽管一般来讲,对通风系统的空气龄分布进行直接(非迭代)求解是非常困难的,但对一类简单情况,即单AHU系统(所有回风支路都汇于一点,如图2),存在一种简单的直接方法进行求解。
图2 单AHU通风系统示意图
设f为系统新风比。首先假设回风空气龄值τ
R1于R点。沿气流运行方向,根据方程(7)(8),计算出空气龄τ
a1于S点。根据τ
a1,通过数值运算求解房间空气龄分布τ
p1,并据此求出新的回风空气龄τ
R2。则房间的实际空气龄分布:
(13)
图3,4显示了通过数值计算得到的一间带回风系统的房间全程空气龄分布和同样房间不考虑回风
影响(即认为送风口处空气龄为0)的空气龄分布(房间空气龄)。从中可以看出,二者不仅在数值大小上有很大差别,而且分布形状也不尽相同。这说明,与作为衡量房间内气流组织特性的参数定义的房间空气龄相比,全程空气龄还反映出通风系统的管路设计对室内空气品质的影响。回风管路对全程空气龄分布的影响无法通过单纯对房间内流场的研究获得,一定要结合管路连接结构进行研究。
图3 某实际建筑部分空调管路及系统
图4 房间空气龄分布
4 结论 空气龄是作为评价房间气流组织的概念被提出的。早期研究多采用示踪气体测量方法,近期数值计算方法逐渐开始兴起。但前人研究一直局限在对单个房间的空气龄研究上。在本文中,作者讨论了如何计算完整的实际空调系统中的空气龄,主要提出以下观点:
1.定义实际通风系统中综合考虑房间、AHU、回风系统间相互影响所得到的空气龄分布为"全程空气龄"。
2.全程空气龄可以通过迭代法准确、快速的获得。
3.可以严格证明,上述方法的收敛性在非全回风系统中得到保证。
4.在得到广泛应用的单AHU系统中,对全程空气龄的计算还存在更简洁的直接算法。
参考文献 1 朱能,王侃红,田哲,空调系统在病态建筑中的特征
分析,暖通空调,1999年第29卷第2期:11~15。
2 马仁民,国外非
工业建筑室内空气品质研究动态,暖通空调,1999年29卷第2期:38~41。
3 李先庭,杨建荣,王新欢,室内空气品质研究现状与
发展,暖通空调,2000的第3期:36~40。
4 C E DORGAN, etal. Productivity link to the indoor environment estimated relative to ASHRAE 62~1989。Proceedings of Health Buildings'94, Budapest: 1994: 461~472.
5 ASHRAE STANDARD 62~89: Ventilation for Acceptable Indoor Air Quality, 1989.
6 Bearg, David W, Indoor air quality and HVAC systems, Lewis Pub, 1993: 12~20
7 CIBSE Guide: Installation and Equipment Data, CIBSE, London (1986)
8 M. Sandberg, M. Sjoberg, "
The Use of Moments for Assessing Air Quality in Ventilated Rooms", Building and Environment, 1983, Vol.18, No.4: 181~197
10 李先庭,王欣,李晓锋等,用示踪气体方法研究通风房间空气年龄,暖爱空调,2001,第31卷第4期:79~81
11 Xianting LI, Xian Wang, Xiaofeng LI等,Investigation on the relationship between flow pattern and air age, Sixth International IBPSA Conference-Building Simulation'99, Kyoto, Japan, 1999: 423~429
12 李先庭,江亿,用计算流体力学方法求解通风房间的空气年龄,清华大学学报(
自然科学版),1998年第38卷第5期:28~31。
13 Xianting LI, Xiaofeng LI an Yingxing Zhu, the mathematical modeling of air age, International Symposium on Air Conditioning in High Buildings'97, Sept, 9-12, 1997, Shanghai: 241-246.
14 李先庭,王欣,李莹等,用数值方法计算通风房间的空气年龄,建筑热能通风空调,1999年第18卷第1期:2~5
15 Xiaoxiong Yuan, Qingyan Chen, and Leon R. Glicksman, 1998. Performance Evaluation and Development of Design Guidelines for Displacement Ventilation. Final Report to ASHRAE TC5.3-Room Air Distribution on ASHRAE Research Project-RP-949.
16 Jia Yang, Xiangsheng Wu, THE RESEARCH OF THE NUMERICAL SIMULATION OF THE AIR-OF-AIR, Proceeding of the 4th International Conference Indoor Air Quality, Ventilation & Energy Conservation in Buildings :339-345.
17 H b Awbi, T Karimipanah, A COMPARISON BETWEEN THREE METHODS OF LOW-LEVEL AIR SUPPLIFES, Proceeding of the 4th International Conference on Indoor Air Quality, Ventilation & Energy Conservation in Buildings: 339-345<!-- #EndEditable