蘭州地區(qū)建筑層狀通風對室內空氣品質與熱環(huán)境的數(shù)值模擬解析一、緒論1.1研究背景與意義1.1.1研究背景蘭州地處中國內陸，位于東經(jīng)102°36′～104°35′、北緯35°34′～37°00′，處于青藏高原向黃土高原的過渡地帶，城區(qū)海拔約1520米。其屬溫帶大陸性氣候，年平均氣溫10.3℃，年平均日照時數(shù)為2446小時，無霜期為180天，年平均降水量僅為327毫米，且主要集中在6-9月。這種氣候特征導致蘭州地區(qū)氣候干燥，晝夜溫差大。在這樣的氣候條件下，蘭州地區(qū)的室內環(huán)境面臨諸多挑戰(zhàn)。冬季，為抵御嚴寒，室內需供暖以維持適宜溫度，但傳統(tǒng)供暖方式如分戶供暖，存在設備老舊、能源利用率低、熱量損失嚴重等問題，導致室內溫度不均勻，部分區(qū)域熱量不足，能源浪費現(xiàn)象突出。夏季，盡管氣溫相對其他地區(qū)不算酷熱，但干燥的氣候與較大的晝夜溫差，也給室內熱環(huán)境調節(jié)帶來困難，人們需要通過空調等設備來改善室內舒適度。與此同時，隨著人們生活水平的提高和健康意識的增強，對室內空氣品質和熱環(huán)境的要求日益提升。良好的室內空氣品質能有效減少呼吸道疾病的發(fā)生，保障人們的身體健康；舒適的熱環(huán)境則有助于提高工作效率和生活質量。然而，蘭州地區(qū)當前的室內環(huán)境狀況難以完全滿足人們的需求，室內空氣質量受室外沙塵、工業(yè)污染以及室內裝修等因素影響，污染物如顆粒物、甲醛、揮發(fā)性有機物等含量有時會超出標準。此外，通風系統(tǒng)設計不合理，使得室內空氣流通不暢，新鮮空氣供應不足，進一步惡化了室內空氣品質。在建筑節(jié)能與可持續(xù)發(fā)展的大背景下，尋求高效、節(jié)能的通風方式成為改善蘭州地區(qū)室內環(huán)境的關鍵。層狀通風作為一種新型通風方式，具有獨特的氣流組織形式和優(yōu)勢，能夠在有效改善室內空氣品質的同時，降低通風能耗，為蘭州地區(qū)建筑通風設計提供了新的思路和方法。因此，開展層狀通風對蘭州地區(qū)室內空氣品質及熱環(huán)境影響的數(shù)值模擬研究具有重要的現(xiàn)實意義。1.1.2研究目的本研究旨在通過數(shù)值模擬的方法，深入探究層狀通風在蘭州地區(qū)特定氣候條件下，對室內空氣品質和熱環(huán)境的影響規(guī)律。具體而言，將分析層狀通風系統(tǒng)在不同工況下的氣流組織特性，包括氣流速度、溫度分布等；評估其對室內污染物擴散和稀釋的效果，確定關鍵污染物的去除效率；研究層狀通風對室內熱舒適性的影響，如室內垂直溫度梯度、人體熱感覺等指標的變化情況。通過這些研究，獲取層狀通風在蘭州地區(qū)應用的關鍵參數(shù)和性能數(shù)據(jù)，為蘭州地區(qū)建筑通風系統(tǒng)的優(yōu)化設計提供科學依據(jù)和技術支持，從而實現(xiàn)提高室內空氣品質、改善熱環(huán)境、降低能源消耗的目標。1.1.3研究意義從理論層面來看，本研究豐富了通風領域的研究內容。目前，雖然對層狀通風的研究在逐步開展，但針對蘭州地區(qū)這種具有特殊氣候條件和室內環(huán)境問題的研究相對較少。通過深入研究層狀通風在該地區(qū)的應用特性和影響機制，有助于完善通風理論體系，為不同氣候區(qū)域的通風研究提供新的案例和思路，促進通風技術的跨區(qū)域發(fā)展和應用。在實踐方面，本研究成果具有重要的應用價值。蘭州地區(qū)的建筑能耗在能源總消耗中占比較大，而通風系統(tǒng)的能耗是建筑能耗的重要組成部分。通過研究層狀通風對室內空氣品質和熱環(huán)境的影響，能夠為蘭州地區(qū)建筑通風系統(tǒng)的設計和改造提供技術指導，優(yōu)化通風系統(tǒng)運行策略，提高能源利用效率，降低建筑能耗，推動蘭州地區(qū)建筑節(jié)能工作的開展。同時，改善室內空氣品質和熱環(huán)境，能為居民提供更健康、舒適的室內生活和工作環(huán)境，提高居民的生活質量和工作效率，對促進蘭州地區(qū)的社會經(jīng)濟發(fā)展具有積極作用。1.2國內外研究現(xiàn)狀1.2.1層狀通風原理與發(fā)展層狀通風作為一種區(qū)別于傳統(tǒng)通風方式的氣流組織形式，其工作原理基于熱浮力和空氣密度差。在層狀通風系統(tǒng)中，新鮮空氣通常以較低的速度從房間底部或下部送入室內，由于送入的空氣溫度相對較低，密度較大，會在室內下部區(qū)域形成一層空氣層。而室內熱源（如人員、設備等）產(chǎn)生的熱量會使周圍空氣溫度升高，熱空氣因密度較小而上升，形成向上的對流氣流。這樣，在室內就會形成明顯的分層現(xiàn)象，下部為新鮮空氣層，上部為熱污染空氣層。隨著時間的推移，室內污染物會隨著熱空氣向上運動，被不斷上升的氣流攜帶至房間上部區(qū)域，并通過頂部或上部的排風口排出室外，從而實現(xiàn)對室內空氣的更新和污染物的稀釋。在國外，層狀通風的研究起步較早。早在20世紀70年代，能源危機促使人們開始關注建筑節(jié)能和室內環(huán)境質量的平衡，層狀通風作為一種節(jié)能高效的通風方式逐漸進入研究視野。初期的研究主要集中在理論分析和實驗室模擬階段，通過建立數(shù)學模型和物理模型，對層狀通風的氣流組織特性、熱傳遞過程以及污染物擴散規(guī)律進行了初步探索。隨著計算機技術和測試技術的不斷發(fā)展，國外學者開始利用先進的數(shù)值模擬軟件和實驗設備，對層狀通風在不同建筑類型和工況下的應用進行深入研究。例如，在一些大型商業(yè)建筑和公共建筑中，通過現(xiàn)場實測和數(shù)值模擬相結合的方法，分析層狀通風系統(tǒng)對室內溫度分布、空氣齡、污染物濃度等指標的影響，為層狀通風系統(tǒng)的優(yōu)化設計提供了大量的數(shù)據(jù)支持和理論依據(jù)。國內對層狀通風的研究相對較晚，但近年來發(fā)展迅速。隨著國內對建筑節(jié)能和室內環(huán)境品質要求的不斷提高，層狀通風作為一種具有潛力的通風技術，受到了越來越多的關注。國內學者在借鑒國外研究成果的基礎上，結合國內建筑的特點和實際需求，開展了一系列的研究工作。研究內容涵蓋了層狀通風的理論基礎、系統(tǒng)設計、性能評價以及工程應用等多個方面。通過理論分析、數(shù)值模擬和實驗研究，深入探討了層狀通風在不同氣候條件、建筑布局和使用功能下的應用效果，提出了適合國內建筑的層狀通風系統(tǒng)設計方法和運行策略。同時，一些高校和科研機構還開展了相關的示范工程建設，通過實際工程應用，驗證了層狀通風系統(tǒng)在改善室內空氣品質和降低通風能耗方面的優(yōu)勢。1.2.2數(shù)值模擬技術應用數(shù)值模擬技術在建筑通風領域的應用為深入研究通風系統(tǒng)的性能和優(yōu)化設計提供了有力工具。在建筑通風研究中，數(shù)值模擬主要基于計算流體力學（CFD）理論，通過求解描述流體流動、傳熱和傳質過程的控制方程，如連續(xù)性方程、動量方程、能量方程和組分輸運方程等，來模擬室內空氣的流動狀態(tài)、溫度分布和污染物擴散情況。常用的數(shù)值模擬軟件有ANSYSFluent、CFX、STAR-CCM+等。ANSYSFluent是一款應用廣泛的CFD軟件，具有強大的物理模型庫和求解器，能夠模擬多種復雜的流動現(xiàn)象，如湍流、多相流、傳熱等。在建筑通風模擬中，它可以準確地預測室內氣流速度、溫度場以及污染物濃度分布，為通風系統(tǒng)的設計和優(yōu)化提供詳細的數(shù)值信息。CFX同樣是一款功能強大的CFD軟件，其優(yōu)勢在于對復雜幾何模型的處理能力和高精度的求解算法，能夠快速準確地模擬各種通風工況下的室內環(huán)境。STAR-CCM+則以其先進的多面體網(wǎng)格技術和并行計算能力而著稱，適用于大規(guī)模、復雜建筑模型的數(shù)值模擬，能夠大大提高模擬效率和精度。在數(shù)值模擬方法方面，主要包括有限體積法、有限元法和有限差分法等。有限體積法是目前CFD領域應用最廣泛的方法之一，它將計算區(qū)域劃分為一系列控制體積，通過對控制體積內的物理量進行積分，將偏微分方程轉化為代數(shù)方程進行求解。這種方法具有物理意義明確、守恒性好、計算效率高等優(yōu)點，非常適合于求解流體流動和傳熱問題。有限元法是將求解區(qū)域離散為有限個單元，通過對單元內的物理量進行插值和加權余量法求解控制方程。該方法在處理復雜幾何形狀和邊界條件時具有較大優(yōu)勢，但計算量相對較大。有限差分法是將偏微分方程中的導數(shù)用差商近似表示，通過對離散點上的方程進行求解來獲得數(shù)值解。它的計算格式簡單直觀，但在處理復雜邊界條件時存在一定局限性。在建筑通風研究中，數(shù)值模擬技術已被廣泛應用于各種通風方式的性能分析，如自然通風、機械通風和混合通風等。通過數(shù)值模擬，可以在設計階段對不同通風方案進行預測和評估，比較不同方案下的室內空氣品質、熱舒適性和能耗等指標，從而選擇最優(yōu)的通風方案。同時，數(shù)值模擬還可以用于研究通風系統(tǒng)的運行特性，分析不同運行參數(shù)（如送風量、送風溫度、風口位置等）對室內環(huán)境的影響，為通風系統(tǒng)的優(yōu)化運行提供指導。例如，通過數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)，合理調整送風口的位置和角度，可以改善室內氣流分布的均勻性，提高通風效率；優(yōu)化通風系統(tǒng)的運行時間和強度，能夠在滿足室內環(huán)境要求的前提下，降低通風能耗。1.2.3蘭州地區(qū)相關研究蘭州地區(qū)由于其特殊的地理位置和氣候條件，在建筑通風和室內環(huán)境研究方面具有獨特的需求和特點。目前，針對蘭州地區(qū)建筑通風的研究主要集中在自然通風潛力分析、傳統(tǒng)通風系統(tǒng)的節(jié)能改造以及室內熱環(huán)境的實測與分析等方面。在自然通風潛力研究方面，一些學者通過對蘭州地區(qū)氣象數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，結合建筑朝向、布局和圍護結構等因素，評估了不同類型建筑利用自然通風的可行性和潛力。研究結果表明，蘭州地區(qū)春秋季節(jié)氣候溫和，室外風速適宜，自然通風具有較大的應用潛力。合理設計建筑的開窗面積、位置和形式，可以有效地利用自然通風改善室內空氣品質和熱環(huán)境，降低空調能耗。然而，蘭州地區(qū)冬季寒冷，夏季干燥炎熱，自然通風在這兩個季節(jié)的應用受到一定限制，需要與機械通風相結合，以滿足室內環(huán)境的要求。在傳統(tǒng)通風系統(tǒng)節(jié)能改造方面，蘭州地區(qū)的研究主要關注如何提高現(xiàn)有通風系統(tǒng)的能源利用效率，降低運行能耗。通過對蘭州地區(qū)既有建筑通風系統(tǒng)的調研和測試，發(fā)現(xiàn)部分通風設備老化、運行效率低下，存在嚴重的能源浪費現(xiàn)象。針對這些問題，學者們提出了一系列節(jié)能改造措施，如更換高效節(jié)能的通風設備、優(yōu)化通風系統(tǒng)的控制策略、加強通風管道的保溫等。這些措施在實際工程應用中取得了一定的節(jié)能效果，為蘭州地區(qū)既有建筑通風系統(tǒng)的節(jié)能改造提供了參考。在室內熱環(huán)境實測與分析方面，已有研究對蘭州地區(qū)不同類型建筑（如住宅、辦公建筑、商業(yè)建筑等）的室內溫度、濕度、風速等參數(shù)進行了實地測量，并分析了室內熱環(huán)境與室外氣象條件、建筑圍護結構、供暖空調系統(tǒng)等因素之間的關系。研究發(fā)現(xiàn)，蘭州地區(qū)住宅冬季室內溫度受供暖方式和圍護結構保溫性能影響較大，部分老舊住宅存在室內溫度不均勻、熱量損失嚴重等問題；辦公建筑和商業(yè)建筑在夏季空調運行期間，室內熱舒適性受空調系統(tǒng)運行效果和人員活動等因素影響。這些實測研究為了解蘭州地區(qū)室內熱環(huán)境現(xiàn)狀，制定相應的改善措施提供了依據(jù)。然而，目前蘭州地區(qū)針對層狀通風的研究相對較少。雖然層狀通風在理論上具有節(jié)能、高效改善室內空氣品質的優(yōu)勢，但在蘭州地區(qū)的實際應用中，其適用性和性能表現(xiàn)還缺乏深入的研究和驗證。現(xiàn)有研究尚未充分考慮蘭州地區(qū)特殊的氣候條件（如干燥氣候、晝夜溫差大等）對層狀通風系統(tǒng)的影響，也未對層狀通風在蘭州地區(qū)不同建筑類型中的應用效果進行系統(tǒng)的數(shù)值模擬和實驗研究。因此，開展層狀通風對蘭州地區(qū)室內空氣品質及熱環(huán)境影響的數(shù)值模擬研究，具有重要的理論意義和實際應用價值，能夠填補蘭州地區(qū)在該領域研究的不足，為層狀通風在蘭州地區(qū)的推廣應用提供科學依據(jù)。1.3研究內容與方法1.3.1研究內容本研究的核心在于深入剖析層狀通風在蘭州地區(qū)的應用特性，全面探究其對室內空氣品質及熱環(huán)境的影響，具體研究內容如下：層狀通風系統(tǒng)關鍵參數(shù)研究：確定影響層狀通風效果的關鍵參數(shù)，如送風口位置、送風量、送風溫度、風口形式等。分析這些參數(shù)在蘭州地區(qū)氣候條件下的變化規(guī)律，以及它們之間的相互作用關系，為后續(xù)模擬工況的設置提供依據(jù)。室內空氣品質影響研究：運用數(shù)值模擬軟件，對不同工況下層狀通風系統(tǒng)的室內空氣流動、溫度分布以及污染物擴散進行模擬。重點研究層狀通風對常見室內污染物（如甲醛、顆粒物、揮發(fā)性有機物等）的稀釋和排除能力，分析污染物濃度在室內空間的分布情況，評估層狀通風系統(tǒng)對改善蘭州地區(qū)室內空氣品質的效果。室內熱環(huán)境影響研究：研究層狀通風對蘭州地區(qū)室內熱環(huán)境的影響，包括室內垂直溫度梯度、人體熱舒適性等方面。分析不同季節(jié)、不同工況下室內熱環(huán)境參數(shù)的變化，評估層狀通風系統(tǒng)在滿足室內人員熱舒適需求方面的性能，探討如何通過優(yōu)化層狀通風系統(tǒng)參數(shù)來提高室內熱舒適性。優(yōu)化策略與方案研究：基于模擬結果，提出適合蘭州地區(qū)的層狀通風系統(tǒng)優(yōu)化策略和設計方案。綜合考慮室內空氣品質、熱環(huán)境以及能源消耗等因素，通過調整通風系統(tǒng)參數(shù)、改進風口設計、優(yōu)化氣流組織等措施，實現(xiàn)層狀通風系統(tǒng)在蘭州地區(qū)的高效運行，為蘭州地區(qū)建筑通風系統(tǒng)的設計和改造提供科學依據(jù)和技術支持。1.3.2研究方法本研究將采用數(shù)值模擬與理論分析相結合的方法，深入探究層狀通風對蘭州地區(qū)室內空氣品質及熱環(huán)境的影響。數(shù)值模擬方法：選擇專業(yè)的計算流體力學（CFD）軟件，如ANSYSFluent，建立蘭州地區(qū)典型建筑空間的物理模型和數(shù)學模型。根據(jù)蘭州地區(qū)的氣候條件、建筑結構和使用功能，設置合理的邊界條件和初始條件，對層狀通風系統(tǒng)在不同工況下的運行情況進行數(shù)值模擬。通過模擬，獲取室內空氣流速、溫度、污染物濃度等參數(shù)的分布數(shù)據(jù)，直觀地展示層狀通風系統(tǒng)的氣流組織特性和對室內環(huán)境的影響效果。理論分析方法：運用流體力學、傳熱學、空氣動力學等相關理論知識，對數(shù)值模擬結果進行深入分析和解釋。從理論層面探討層狀通風系統(tǒng)的工作原理、氣流組織特性以及對室內空氣品質和熱環(huán)境的影響機制，揭示模擬結果背后的物理本質。同時，結合相關的室內環(huán)境標準和規(guī)范，對模擬結果進行評價和分析，為層狀通風系統(tǒng)的優(yōu)化設計提供理論依據(jù)。1.4技術路線本研究遵循科學、系統(tǒng)的技術路線開展工作，具體流程如下：前期準備：全面收集蘭州地區(qū)的氣象數(shù)據(jù)，包括溫度、濕度、風速、風向等，以及典型建筑的相關資料，如建筑結構、圍護結構熱工性能、功能布局等。深入調研蘭州地區(qū)現(xiàn)有通風系統(tǒng)的應用情況，分析存在的問題和需求，為后續(xù)研究提供實際依據(jù)。同時，對國內外層狀通風及相關領域的研究成果進行梳理和總結，明確研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，確定本研究的切入點和重點內容。模型建立：基于收集到的資料，利用專業(yè)建模軟件（如ANSYSDesignModeler）構建蘭州地區(qū)典型建筑空間的幾何模型，準確模擬建筑的形狀、尺寸、內部布局以及通風系統(tǒng)的位置和形式。在ANSYSFluent中，根據(jù)流體力學和傳熱學原理，選擇合適的數(shù)學模型，如湍流模型（k-ε模型、k-ω模型等）、傳熱模型（能量方程）、污染物擴散模型（組分輸運方程）等，并設置合理的邊界條件，包括進風口的風速、溫度、污染物濃度，出風口的壓力條件，以及墻體、地面、天花板等壁面的熱邊界條件和無滑移邊界條件等。通過網(wǎng)格劃分工具，對模型進行網(wǎng)格劃分，確保網(wǎng)格質量滿足計算精度要求，必要時進行網(wǎng)格無關性驗證，以保證模擬結果的準確性和可靠性。模擬計算：運用ANSYSFluent軟件對不同工況下層狀通風系統(tǒng)的運行進行數(shù)值模擬。根據(jù)研究內容，設置多種工況組合，如改變送風口位置（底部送風、下部側送風等）、送風量（不同的體積流量）、送風溫度（與室內溫度的溫差）、風口形式（圓形風口、矩形風口、百葉風口等）等參數(shù)，模擬不同工況下室內空氣的流動狀態(tài)、溫度分布以及污染物（甲醛、顆粒物、揮發(fā)性有機物等）的擴散情況。在模擬過程中，嚴格控制計算參數(shù)，確保計算過程的穩(wěn)定性和收斂性，記錄模擬結果數(shù)據(jù)，包括各監(jiān)測點的空氣流速、溫度、污染物濃度等。結果分析：對模擬結果進行深入分析，運用數(shù)據(jù)處理軟件（如Origin）繪制室內空氣流速矢量圖、溫度云圖、污染物濃度分布圖等，直觀展示層狀通風系統(tǒng)在不同工況下的氣流組織特性和對室內空氣品質及熱環(huán)境的影響。通過數(shù)據(jù)分析，研究送風口位置、送風量、送風溫度、風口形式等參數(shù)對室內空氣品質（如污染物濃度分布、空氣齡等指標）和熱環(huán)境（如垂直溫度梯度、平均輻射溫度、人體熱舒適性指標PMV-PPD等）的影響規(guī)律，評估層狀通風系統(tǒng)在蘭州地區(qū)不同季節(jié)和建筑類型中的應用效果。優(yōu)化策略與方案提出：基于模擬結果和分析結論，結合蘭州地區(qū)的實際情況和需求，從提高室內空氣品質、改善熱環(huán)境以及降低能源消耗等多方面綜合考慮，提出適合蘭州地區(qū)的層狀通風系統(tǒng)優(yōu)化策略。例如，調整送風口位置和角度，優(yōu)化氣流組織，增強通風效果；根據(jù)室內負荷變化，合理調節(jié)送風量和送風溫度，實現(xiàn)節(jié)能運行；改進風口設計，提高風口的空氣分布性能，減少氣流短路和死區(qū)等。通過對比分析不同優(yōu)化方案下的模擬結果，確定最優(yōu)的層狀通風系統(tǒng)設計方案和運行參數(shù)，為蘭州地區(qū)建筑通風系統(tǒng)的設計和改造提供具體的技術指導和參考依據(jù)。二、相關理論基礎2.1層狀通風原理與特點2.1.1工作原理層狀通風是一種基于空氣密度差形成分層流動的通風方式，其工作原理與室內的熱環(huán)境和空氣動力學特性密切相關。在室內環(huán)境中，存在著各種熱源，如人體散熱、設備散熱以及太陽輻射透過窗戶傳入的熱量等。這些熱源會使周圍空氣溫度升高，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程pV=nRT（其中p為壓強，V為體積，n為物質的量，R為普適氣體常量，T為溫度），在壓強近似不變的情況下，溫度升高會導致空氣體積膨脹，密度減小，從而產(chǎn)生向上的浮力。在層狀通風系統(tǒng)中，新鮮空氣通常以較低的速度從房間底部或下部送入室內。由于送入的空氣溫度相對較低，密度較大，會在室內下部區(qū)域形成一層空氣層，這一層空氣層就像一個“空氣湖”，將室內下部空間與上部空間分隔開來。隨著室內熱源不斷加熱周圍空氣，熱空氣因密度較小而上升，形成向上的對流氣流。這些熱空氣在上升過程中，會攜帶室內的污染物一起向上運動。而下部的新鮮空氣則會不斷補充到熱源周圍，形成持續(xù)的空氣流動。這樣，在室內就會形成明顯的分層現(xiàn)象，下部為新鮮空氣層，空氣品質較好，溫度相對較低；上部為熱污染空氣層，含有較多的污染物，溫度相對較高。當室內達到穩(wěn)定狀態(tài)時，在下部新鮮空氣層和上部熱污染空氣層之間會形成一個分界面，稱為熱力分層界面。在熱力分層界面處，空氣的溫度和污染物濃度會發(fā)生急劇變化。在實際應用中，合理控制熱力分層界面的高度至關重要。如果熱力分層界面過低，會導致工作區(qū)域內的空氣受到污染，影響室內空氣品質；如果熱力分層界面過高，則會使大量新鮮空氣直接被排到室外，降低通風效率，造成能源浪費。通常希望熱力分層界面位于人員活動區(qū)域之上，以保證人員處于新鮮空氣層中，同時將熱污染空氣有效地排出室外。2.1.2氣流組織形式層狀通風常見的送排風口布置和氣流組織形式主要有以下幾種：下送上排：這是層狀通風最典型的氣流組織形式，新鮮空氣從房間底部的送風口低速送入室內，在地板上形成空氣湖。隨著室內熱源產(chǎn)生的熱對流作用，新鮮空氣被加熱后向上流動，攜帶污染物一同上升，最終從房間頂部的排風口排出室外。這種氣流組織形式能夠充分利用空氣的密度差，使新鮮空氣在下部區(qū)域形成穩(wěn)定的流動，有效避免了新鮮空氣與污染空氣的混合，為人員活動區(qū)域提供良好的空氣品質。在一些辦公室、會議室等場所，采用下送上排的層狀通風方式，可使人員呼吸區(qū)的空氣更加清新，提高工作效率和舒適度。下部側送頂部排：新鮮空氣從房間下部的側面送風口送入，送風口通常設置在靠近墻壁的位置。空氣進入室內后，沿著墻壁向上擴散，形成貼壁射流。在上升過程中，空氣與室內熱源產(chǎn)生的熱空氣混合，繼續(xù)向上流動，最后從房間頂部的排風口排出。這種氣流組織形式可以使新鮮空氣更均勻地分布在室內下部區(qū)域，減少氣流短路現(xiàn)象，提高通風效果。例如在一些體育館、展覽館等高大空間建筑中，采用下部側送頂部排的方式，能夠有效地覆蓋較大的空間范圍，滿足人員活動區(qū)域的通風需求。底部多送風口頂部排：在房間底部設置多個送風口，增加新鮮空氣的送入點，使新鮮空氣更均勻地分布在室內下部。多個送風口可以根據(jù)房間的布局和使用功能進行合理布置，以確保新鮮空氣能夠充分覆蓋人員活動區(qū)域。新鮮空氣從底部多個送風口送入后，同樣在熱對流作用下向上流動，從頂部排風口排出。這種氣流組織形式適用于面積較大、人員分布較分散的空間，如大型商場、圖書館等。通過底部多送風口的設置，可以避免局部區(qū)域出現(xiàn)通風死角，提高室內整體的空氣品質和熱舒適性。不同的氣流組織形式具有各自的特點。下送上排的方式氣流路徑清晰，分層效果明顯，但對送風口的均勻性要求較高；下部側送頂部排的方式能較好地適應高大空間的氣流分布，但可能會在送風口附近產(chǎn)生局部風速較大的區(qū)域；底部多送風口頂部排的方式可以提高新鮮空氣的分布均勻性，但系統(tǒng)的設計和安裝相對復雜，需要合理規(guī)劃送風口的位置和風量分配。在實際應用中，應根據(jù)建筑的類型、空間布局、使用功能以及室內熱源分布等因素，選擇合適的氣流組織形式，以實現(xiàn)最佳的通風效果。2.1.3與其他通風方式對比層狀通風與傳統(tǒng)通風方式在能耗、空氣品質、熱舒適性等方面存在顯著差異，具體對比如下：能耗方面：傳統(tǒng)的混合通風方式，如機械通風中的上送上回方式，送風口通常位于房間頂部，以較高的速度將空氣送入室內，與室內空氣充分混合，使室內溫度和污染物濃度均勻分布。然而，這種方式需要較大的送風量來維持室內環(huán)境的均勻性，導致風機能耗較高。因為要將空氣快速送到各個角落，風機需要克服較大的空氣阻力，消耗更多的電能。而層狀通風利用空氣的密度差自然形成分層流動，送風口風速較低，所需的送風量相對較小。在滿足相同室內環(huán)境要求的情況下，層狀通風系統(tǒng)的風機能耗可降低20%-30%。例如，在一個面積為100平方米的辦公室中，采用傳統(tǒng)混合通風方式時，風機功率為5kW；采用層狀通風方式后，風機功率可降至3.5kW左右，節(jié)能效果顯著。此外，在過渡季節(jié)，層狀通風可以更好地利用自然通風，進一步降低能耗。當室外空氣溫度和濕度適宜時，通過合理控制層狀通風系統(tǒng)的送排風口，可以引入大量的室外新鮮空氣，減少機械通風的運行時間，從而降低能源消耗?？諝馄焚|方面：在傳統(tǒng)混合通風中，由于送風與室內空氣迅速混合，新鮮空氣在到達人員呼吸區(qū)之前就已經(jīng)與污染空氣混合，導致人員呼吸區(qū)的空氣品質相對較差。特別是在室內污染源較多的情況下，污染物容易在室內均勻擴散，難以有效排除。而層狀通風能夠在室內形成明顯的分層，下部新鮮空氣層能夠有效隔離污染物，使人員呼吸區(qū)處于新鮮空氣環(huán)境中。研究表明，層狀通風方式下，人員呼吸區(qū)的污染物濃度可比傳統(tǒng)混合通風降低30%-50%。以室內甲醛污染為例，在采用傳統(tǒng)混合通風的房間中，人員呼吸區(qū)的甲醛濃度可能達到0.1mg/m3；而采用層狀通風后，甲醛濃度可降低至0.05mg/m3以下，有效改善了室內空氣品質，保護了人員的身體健康。熱舒適性方面：傳統(tǒng)混合通風雖然能使室內溫度分布相對均勻，但可能會在室內產(chǎn)生較大的風速，導致人員有吹風感，影響熱舒適性。尤其是在冬季，高速的冷風直接吹向人體，會使人感覺寒冷不適。層狀通風的氣流速度較低，溫度分布呈自然的分層狀態(tài)，在人員活動區(qū)域內，垂直溫度梯度較小，一般能滿足人體熱舒適對垂直溫差的要求（頭部與腳踝之間垂直溫差小于5℃）。同時，由于新鮮空氣從下部緩慢上升，人體周圍的空氣流動較為柔和，不會產(chǎn)生明顯的吹風感，能為人員提供更舒適的熱環(huán)境。例如，在一個會議室中，采用傳統(tǒng)混合通風時，人員可能會感覺到風口附近的風速較大，有明顯的吹風感；而采用層狀通風后，人員在會議室內會感覺空氣流動自然，溫度適宜，熱舒適性得到顯著提高。2.2室內空氣品質評價指標2.2.1空氣齡空氣齡是評價室內空氣品質的重要指標之一，它反映了室內空氣的新鮮程度。從物理意義上講，空氣齡指的是空氣自進入房間至到達室內某點所經(jīng)歷的時間。在統(tǒng)計意義上，房間中某區(qū)域的空氣由不同的空氣微團組成，這些微團進入房間的時間不同，年齡也各不相同，該區(qū)域所有微團年齡的平均值即為該處的空氣齡。當房間內污染源分布均勻且送風為全新風時，某點的空氣齡越小，表明該點的空氣越新鮮，空氣品質就越好。這是因為新鮮空氣能夠更快地到達該點，稀釋和帶走污染物的能力更強，從而使該點的污染物濃度更低。例如，在一個采用層狀通風的辦公室中，靠近送風口的區(qū)域空氣齡較短，通常在1-2分鐘左右，這意味著該區(qū)域的空氣能及時得到更新，人員呼吸到的空氣較為新鮮；而遠離送風口的角落區(qū)域，空氣齡可能會延長至5-8分鐘，空氣的新鮮度相對較低。在實際應用中，空氣齡的計算方法主要有實驗測量和數(shù)值計算兩種。實驗測量方法中，利用示蹤氣體測量空氣齡較為常見，其中下降法由于操作簡單且實驗精度較高而被廣泛采用。以二氧化碳作為示蹤氣體為例，在實驗過程中，首先密閉氣室并釋放二氧化碳，當氣室中二氧化碳濃度達到平衡狀態(tài)（如0.5%左右）后，停止釋放并開始送風，同時打開排風口，使用二氧化碳濃度測量儀跟蹤測量點處二氧化碳濃度隨時間的衰減情況。某測點示蹤氣體濃度（體積百分數(shù)）隨時間的衰減曲線與坐標軸所圍的面積，再與t=0時刻該點示蹤氣體的濃度的比值，就是該點的空氣齡，其計算公式為：\tau_i=\frac{\int_{0}^{\infty}C_i(t)dt}{C_i(0)}其中，C_i(0)為t=0時某點示蹤氣體的濃度（ppm），C_i(t)為t時刻該點示蹤氣體的濃度（ppm），\tau_i為標準氣室中該點的空氣齡。數(shù)值計算方法則是根據(jù)示蹤氣體的質量守恒方程，推導出其質量濃度輸運方程，進而得到空氣齡的輸運方程。以笛卡爾坐標系為例，空氣齡的輸運方程為：\frac{\partial(\rho\tau)}{\partialt}+\frac{\partial(\rhou\tau)}{\partialx}+\frac{\partial(\rhov\tau)}{\partialy}+\frac{\partial(\rhow\tau)}{\partialz}=\frac{\partial}{\partialx}(\rhoD\frac{\partial\tau}{\partialx})+\frac{\partial}{\partialy}(\rhoD\frac{\partial\tau}{\partialy})+\frac{\partial}{\partialz}(\rhoD\frac{\partial\tau}{\partialz})+1式中，u、v、w分別為x、y、z三個坐標軸方向的速度；\rho為空氣密度；D為擴散系數(shù)。通過求解該方程，即可得到室內各點的空氣齡分布。在數(shù)值模擬軟件ANSYSFluent中，可通過設置相關參數(shù)和求解器，對空氣齡進行準確計算，為研究室內空氣品質提供詳細的數(shù)據(jù)支持。2.2.2換氣效率換氣效率是衡量室內空氣置換快慢的重要指標，它反映了通風系統(tǒng)將室內原有空氣排出并引入新鮮空氣的能力。其定義為理想活塞流通風條件下的換氣時間與實際換氣時間的比值。理想活塞流通風是一種假設的通風狀態(tài)，在這種狀態(tài)下，新鮮空氣以均勻的速度推進，像活塞一樣將室內原有空氣逐漸推出室外，不存在空氣的混合和短路現(xiàn)象。而實際換氣時間則是指在實際通風條件下，室內空氣達到一定置換程度所需的時間。換氣效率的計算方式可以通過以下公式表示：\varepsilon=\frac{\tau_{ideal}}{\tau_{actual}}其中，\varepsilon為換氣效率，\tau_{ideal}為理想活塞流通風條件下的換氣時間，\tau_{actual}為實際換氣時間。當換氣效率\varepsilon越接近1時，說明實際通風情況越接近理想活塞流通風，室內空氣置換速度越快，通風效果越好；反之，當\varepsilon值遠小于1時，則表明實際通風存在較大的空氣混合和短路現(xiàn)象，室內空氣置換效率較低，通風效果不佳。在實際應用中，換氣效率的計算需要結合室內的氣流組織、送排風口位置、送風量等因素。例如，在一個采用下送上排層狀通風的會議室中，若送風口位置合理，送風量適中，能夠在室內下部形成穩(wěn)定的新鮮空氣層，有效推動室內空氣向上流動，此時實際換氣時間可能接近理想活塞流通風條件下的換氣時間，換氣效率可達到0.8-0.9左右；但如果送風口位置不當，導致新鮮空氣直接短路排出室外，或者送風量不足，無法有效推動室內空氣流動，實際換氣時間會顯著延長，換氣效率可能會降至0.5以下，嚴重影響室內空氣的置換效果。通過數(shù)值模擬，可以直觀地觀察不同通風工況下室內氣流的流動情況，準確計算出換氣效率，為優(yōu)化通風系統(tǒng)設計提供依據(jù)。2.2.3通風效率通風效率是評估通風系統(tǒng)能量利用效率的關鍵指標，它體現(xiàn)了通風系統(tǒng)在實現(xiàn)室內空氣置換和污染物排除過程中對能量的有效利用程度。通風效率的含義可以從兩個方面來理解：一方面，它反映了通風系統(tǒng)將室內污染物排出室外的能力，通風效率越高，相同時間內排出的污染物量就越多；另一方面，它也反映了通風系統(tǒng)在消耗一定能量（如風機能耗）的情況下，能夠為室內提供的新鮮空氣量和改善室內空氣品質的程度。通風效率的計算途徑通常與室內的溫度分布、污染物濃度分布以及送排風參數(shù)相關。以基于溫度的通風效率計算為例，其計算公式為：\eta_T=\frac{T_{ex}-T_{in}}{T_{s}-T_{in}}其中，\eta_T為基于溫度的通風效率，T_{ex}為排風口處的空氣溫度，T_{in}為室內平均溫度，T_{s}為送風口處的空氣溫度。當\eta_T值越大時，說明排風口處的空氣溫度與送風口處的空氣溫度差值越大，即通風系統(tǒng)能夠更有效地將室內的熱量（或冷量）排出室外，能量利用效率越高。例如，在一個夏季使用空調的辦公室中，若通風系統(tǒng)設計合理，通風效率較高，排風口處的空氣溫度可能比送風口處的空氣溫度高出5-8℃，此時通風效率\eta_T可達0.7-0.8；而如果通風系統(tǒng)存在缺陷，如送排風短路，排風口處的空氣溫度與送風口處的空氣溫度差值較小，可能僅為2-3℃，通風效率\eta_T則可能降至0.4-0.5，表明通風系統(tǒng)的能量利用效率較低。除了基于溫度的計算方法外，還可以基于污染物濃度來計算通風效率。其計算公式為：\eta_C=\frac{C_{ex}-C_{in}}{C_{s}-C_{in}}其中，\eta_C為基于污染物濃度的通風效率，C_{ex}為排風口處的污染物濃度，C_{in}為室內平均污染物濃度，C_{s}為送風口處的污染物濃度。通過這兩個公式，可以全面評估通風系統(tǒng)在熱量傳遞和污染物排除方面的能量利用效率，為優(yōu)化通風系統(tǒng)運行策略、提高能源利用效率提供科學依據(jù)。2.3室內熱環(huán)境評價指標2.3.1PMV-PPD指標PMV（PredictedMeanVote）和PPD（PredictedPercentageofDissatisfied）指標是由丹麥的范格爾（P.O.Fanger）教授提出的，用于全面評估人體在室內熱環(huán)境中的熱反應和熱舒適程度。PMV是基于人體熱平衡模型和人體生理特征建立的評價指標，旨在預測一組居住者對熱環(huán)境的平均熱感覺投票值。它綜合考慮了多個影響人體熱舒適的因素，包括環(huán)境溫度、相對濕度、平均輻射溫度、風速、人體新陳代謝率以及衣著隔熱值等。人體的熱平衡狀態(tài)是指人體內部產(chǎn)生的熱量與向周圍環(huán)境散發(fā)的熱量達到平衡。當人體處于熱平衡狀態(tài)時，熱感覺較為舒適；若熱平衡被打破，人體會產(chǎn)生熱或冷的不舒適感。在PMV指標的七點熱感覺量表中，+3表示太熱，+2表示暖，+1表示稍暖，0表示中性，-1表示稍涼，-2表示涼，-3表示太冷。例如，在一個辦公室環(huán)境中，若PMV值為0.5，說明大部分人員會感覺稍暖；若PMV值為-0.8，則大部分人員會感覺稍涼。PPD是基于PMV的結果計算得出的，用于預測在某個特定熱環(huán)境條件下，人群中可能感到不舒適的百分比。它考慮了人體對溫度、濕度、風速等因素的敏感程度。PPD與PMV之間存在特定的數(shù)學關系，其計算公式為：PPD=100-95\timesexp(-0.03353\timesPMV^{4}-0.2179\timesPMV^{2})根據(jù)ASHRAE55和ISO7730標準，在滿足熱舒適性要求的室內環(huán)境中，PMV的推薦熱限值通常在-0.5到0.5之間。這意味著在該范圍內，大多數(shù)人對室內熱環(huán)境的感覺較為中性，既不覺得熱也不覺得冷，能夠保持良好的熱舒適狀態(tài)。PPD的范圍從5%到100%，為了確保熱舒適性，空間中的任何占用點PPD都不應超過20%。例如，當PMV值為0時，根據(jù)公式計算得出PPD約為5%，表明僅有5%的人可能會對熱環(huán)境感到不滿意；當PMV值偏離0越遠，PPD值越大，不滿意的人數(shù)比例就越高。在實際應用中，通過計算PMV-PPD指標，可以直觀地了解室內人員對熱環(huán)境的滿意度，為優(yōu)化室內熱環(huán)境提供依據(jù)。例如，在設計空調系統(tǒng)時，可以根據(jù)室內人員的活動類型、衣著情況等因素，合理調整室內的溫度、濕度和風速，使PMV值處于推薦范圍內，降低PPD值，提高室內人員的熱舒適感。2.3.2溫度與風速分布室內溫度和風速分布是影響熱環(huán)境和人體熱感覺的重要因素，它們對人體的熱舒適性有著直接且顯著的影響。在室內熱環(huán)境中，溫度分布的均勻性至關重要。如果室內存在較大的溫度梯度，如在一些高大空間建筑中，頂部和底部的溫度差異過大，會導致人體不同部位感受到不同的溫度，從而產(chǎn)生不舒適感。以冬季為例，若室內下部溫度較低，人員的腳部會感覺寒冷；而上部溫度較高，頭部又會感覺燥熱，這種頭熱腳冷的情況會嚴重影響人體的熱舒適性。國際標準ISO7730規(guī)定，在人員活動區(qū)域內，頭部與腳踝之間的垂直溫差應小于3℃，以保證人體的熱舒適。在實際的建筑環(huán)境中，通過合理的通風系統(tǒng)設計和空調系統(tǒng)調控，可以有效減小室內溫度梯度，使溫度分布更加均勻。例如，采用分層空調技術，針對不同高度區(qū)域設置不同的溫度控制策略，能夠較好地滿足人員活動區(qū)域的溫度需求，提高熱舒適性。風速對人體熱感覺的影響同樣不容忽視。適當?shù)娘L速可以增強人體的散熱，使人感覺涼爽舒適；但風速過高則會產(chǎn)生吹風感，導致人體熱量散失過快，引起不適。一般來說，在夏季，當環(huán)境溫度較高時，適當提高風速可以增加人體的對流散熱，降低人體的體感溫度，提高熱舒適性。例如，在室內溫度為28℃時，若風速能保持在0.3-0.5m/s之間，人體會感覺較為舒適；而在冬季，過高的風速會使人體熱量迅速散失，即使室內溫度在舒適范圍內，也會讓人感覺寒冷。因此，冬季室內風速應控制在較低水平，一般不宜超過0.2m/s。此外，風速的不均勻分布也會對人體熱感覺產(chǎn)生影響。如果在人員活動區(qū)域內存在局部風速過大或過小的區(qū)域，會導致人員在不同位置感受到不同的熱感覺，影響整體的熱舒適性。通過優(yōu)化通風系統(tǒng)的送風口設計和布置，如采用擴散性能好的風口，合理調整風口的位置和角度，可以使室內風速分布更加均勻，避免出現(xiàn)局部風速異常的情況，為人員提供更舒適的熱環(huán)境。三、數(shù)值模擬方法與模型建立3.1數(shù)值模擬軟件選擇與介紹3.1.1CFD軟件原理CFD（計算流體力學，ComputationalFluidDynamics）軟件是基于數(shù)值計算方法來求解流體力學方程，以模擬流體流動、傳熱以及相關物理現(xiàn)象的工具。其核心原理基于流體力學的基本控制方程，主要包括連續(xù)性方程、動量方程（納維-斯托克斯方程，Navier-Stokes方程）和能量方程。連續(xù)性方程體現(xiàn)了質量守恒定律，在笛卡爾坐標系下，其表達式為：\frac{\partial\rho}{\partialt}+\frac{\partial(\rhou)}{\partialx}+\frac{\partial(\rhov)}{\partialy}+\frac{\partial(\rhow)}{\partialz}=0其中，\rho為流體密度，t為時間，u、v、w分別為x、y、z方向上的速度分量。該方程表明在流體流動過程中，單位時間內流入和流出控制體積的質量差等于控制體積內質量的變化率。動量方程描述了流體動量的變化與作用在流體上的力之間的關系，其一般形式較為復雜，在不可壓縮牛頓流體的假設下，笛卡爾坐標系中的動量方程為：\rho(\frac{\partialu}{\partialt}+u\frac{\partialu}{\partialx}+v\frac{\partialu}{\partialy}+w\frac{\partialu}{\partialz})=-\frac{\partialp}{\partialx}+\mu(\frac{\partial^{2}u}{\partialx^{2}}+\frac{\partial^{2}u}{\partialy^{2}}+\frac{\partial^{2}u}{\partialz^{2}})+\rhof_x\rho(\frac{\partialv}{\partialt}+u\frac{\partialv}{\partialx}+v\frac{\partialv}{\partialy}+w\frac{\partialv}{\partialz})=-\frac{\partialp}{\partialy}+\mu(\frac{\partial^{2}v}{\partialx^{2}}+\frac{\partial^{2}v}{\partialy^{2}}+\frac{\partial^{2}v}{\partialz^{2}})+\rhof_y\rho(\frac{\partialw}{\partialt}+u\frac{\partialw}{\partialx}+v\frac{\partialw}{\partialy}+w\frac{\partialw}{\partialz})=-\frac{\partialp}{\partialz}+\mu(\frac{\partial^{2}w}{\partialx^{2}}+\frac{\partial^{2}w}{\partialy^{2}}+\frac{\partial^{2}w}{\partialz^{2}}+\rhof_z其中，p為流體壓力，\mu為動力粘度，f_x、f_y、f_z分別為x、y、z方向上的質量力分量。該方程反映了流體速度隨時間和空間的變化是由壓力梯度、粘性力和質量力共同作用的結果。能量方程則遵循能量守恒定律，描述了流體內部能量的傳遞和轉換，對于包含熱傳導和粘性耗散的流體，其表達式為：\rhoc_p(\frac{\partialT}{\partialt}+u\frac{\partialT}{\partialx}+v\frac{\partialT}{\partialy}+w\frac{\partialT}{\partialz})=k(\frac{\partial^{2}T}{\partialx^{2}}+\frac{\partial^{2}T}{\partialy^{2}}+\frac{\partial^{2}T}{\partialz^{2}})+\mu\Phi+S_T其中，c_p為定壓比熱容，T為溫度，k為熱導率，\Phi為粘性耗散函數(shù)，S_T為熱源項。該方程表明單位時間內流體控制體積內能量的變化等于通過熱傳導進入控制體積的熱量、粘性耗散產(chǎn)生的熱量以及外部熱源提供的熱量之和。在實際應用中，由于這些方程是復雜的偏微分方程，難以直接求解，CFD軟件采用離散化方法將連續(xù)的計算域離散為有限數(shù)量的網(wǎng)格單元。常用的離散化方法有有限體積法（FVM）、有限元法（FEM）和有限差分法（FDM）等。有限體積法是目前CFD領域應用最廣泛的方法之一，它將計算區(qū)域劃分為一系列控制體積，通過對控制體積內的物理量進行積分，將偏微分方程轉化為代數(shù)方程進行求解。這種方法具有物理意義明確、守恒性好、計算效率高等優(yōu)點。例如，在對一個二維矩形通風房間進行模擬時，通過有限體積法將房間劃分為眾多小的矩形控制體積，對每個控制體積應用連續(xù)性方程、動量方程和能量方程，得到離散化的代數(shù)方程組。然后，使用迭代算法（如SIMPLE算法、PISO算法等）求解這些代數(shù)方程組，逐步逼近方程的真實解。在求解過程中，需要考慮邊界條件和初始條件，邊界條件包括入口邊界條件（如速度入口、壓力入口等）、出口邊界條件（如壓力出口、自由出流等）以及壁面邊界條件（如無滑移邊界、絕熱邊界等），初始條件則給定了計算開始時流體的速度、溫度、壓力等物理量的分布。最后，通過后處理過程，將求解得到的數(shù)值結果進行分析和可視化，以云圖、矢量圖、流線圖等形式展示流體的速度分布、溫度分布、壓力分布等信息，幫助研究人員直觀地了解流體的流動特性和相關物理現(xiàn)象。3.1.2常用CFD軟件對比在建筑通風模擬領域，常用的CFD軟件有ANSYSFluent、ANSYSCFX、STAR-CCM+等，它們在功能、計算精度、易用性等方面存在一定差異，具體對比如下：ANSYSFluent：Fluent是一款應用廣泛的CFD軟件，具有豐富的物理模型庫，能夠模擬多種復雜的流動現(xiàn)象，如湍流、多相流、傳熱、化學反應等。在建筑通風模擬中，其湍流模型選項多樣，包括標準k-ε模型、RNGk-ε模型、k-ω模型等，可以根據(jù)不同的流動情況選擇合適的模型，準確預測室內氣流速度、溫度場以及污染物濃度分布。例如，在模擬高大空間建筑的通風時，RNGk-ε模型能夠較好地處理復雜的流動結構和強烈的湍流脈動，提供較為準確的模擬結果。Fluent的數(shù)值方法先進，采用有限體積法對控制方程進行離散，具有較高的計算精度。同時，它擁有強大的前后處理功能，前處理中可以方便地導入各種CAD模型，并進行網(wǎng)格劃分，支持結構化網(wǎng)格、非結構化網(wǎng)格以及混合網(wǎng)格劃分方式，能夠適應復雜的建筑幾何形狀。后處理功能豐富，可生成各種可視化圖形和數(shù)據(jù)報表，便于對模擬結果進行分析和展示。然而，F(xiàn)luent在處理復雜幾何模型時，網(wǎng)格劃分的難度相對較大，需要一定的經(jīng)驗和技巧，且計算資源消耗相對較多，對于大規(guī)模建筑模型的模擬，計算時間可能較長。ANSYSCFX：CFX同樣是一款功能強大的CFD軟件，在旋轉機械、傳熱等領域具有獨特優(yōu)勢。在建筑通風模擬中，其對復雜幾何模型的處理能力較強，能夠快速準確地生成高質量的網(wǎng)格，尤其適用于具有復雜內部結構的建筑模型。例如，對于含有大量通風管道、設備等復雜結構的建筑，CFX能夠通過其先進的網(wǎng)格生成技術，高效地生成貼合幾何形狀的網(wǎng)格，保證計算精度。CFX采用有限元法進行數(shù)值計算，計算精度較高，且收斂速度較快，在處理一些復雜流動問題時，能夠快速得到穩(wěn)定的計算結果。它還具有良好的并行計算能力，能夠充分利用多核計算機的計算資源，提高計算效率。不過，CFX的操作界面相對復雜，學習成本較高，對于初學者來說，上手難度較大。此外，CFX的軟件價格相對較高，增加了使用成本。STAR-CCM+：STAR-CCM+以其先進的多面體網(wǎng)格技術和并行計算能力而著稱。在建筑通風模擬中，多面體網(wǎng)格能夠更好地適應復雜的建筑形狀，相比于傳統(tǒng)的四面體網(wǎng)格，具有更高的計算精度和更快的收斂速度。例如，在模擬不規(guī)則形狀的建筑空間通風時，STAR-CCM+的多面體網(wǎng)格能夠更準確地捕捉氣流的流動細節(jié)，減少數(shù)值耗散。該軟件的并行計算效率高，能夠在短時間內完成大規(guī)模建筑模型的模擬計算，提高工作效率。STAR-CCM+還集成了豐富的物理模型和求解器，可模擬多種物理現(xiàn)象。但其軟件功能繁多，操作界面復雜，需要用戶花費較多時間學習和掌握。而且，STAR-CCM+對計算機硬件配置要求較高，硬件成本投入較大。3.1.3選擇Fluent軟件的原因綜合考慮功能、易用性和模擬精度等方面的因素，本研究選擇ANSYSFluent軟件進行層狀通風對蘭州地區(qū)室內空氣品質及熱環(huán)境影響的數(shù)值模擬，主要原因如下：功能全面：Fluent擁有豐富的物理模型庫，能夠全面滿足本研究對層狀通風模擬的需求。在模擬層狀通風系統(tǒng)時，涉及到室內空氣的流動、傳熱以及污染物的擴散等多種物理現(xiàn)象。Fluent提供的多種湍流模型可以準確模擬室內復雜的氣流流動狀態(tài)，如標準k-ε模型適用于一般的湍流流動，對于蘭州地區(qū)常見的建筑通風工況，能夠較好地預測氣流速度分布；而RNGk-ε模型則在處理具有較強湍流脈動和復雜流動結構的情況時表現(xiàn)出色，可用于模擬高大空間建筑中層狀通風的氣流特性。其傳熱模型能夠精確計算室內的熱量傳遞過程，考慮到蘭州地區(qū)氣候干燥，晝夜溫差大，室內外熱量交換頻繁，F(xiàn)luent的傳熱模型可以準確模擬不同季節(jié)、不同工況下室內溫度的變化。此外，F(xiàn)luent的污染物擴散模型能夠有效模擬甲醛、顆粒物、揮發(fā)性有機物等常見室內污染物的擴散和傳輸過程，為研究層狀通風對室內空氣品質的影響提供有力支持。易用性較好：盡管Fluent在處理復雜幾何模型時網(wǎng)格劃分有一定難度，但相較于其他一些CFD軟件，其操作界面和流程相對較為友好，對于有一定CFD基礎的研究人員來說，容易上手。Fluent提供了直觀的圖形用戶界面（GUI），通過GUI可以方便地進行模型創(chuàng)建、參數(shù)設置、求解控制以及后處理等操作。在模型創(chuàng)建階段，可以直接導入常用的CAD模型格式，如IGES、STEP等，減少了重新建模的工作量。在參數(shù)設置方面，F(xiàn)luent將各種物理模型和求解參數(shù)進行了合理分類，用戶可以根據(jù)實際需求快速找到相應的設置選項，并通過對話框進行參數(shù)調整。例如，在設置層狀通風系統(tǒng)的送風口參數(shù)時，只需在相應的對話框中輸入送風口的位置、尺寸、風速、溫度等信息即可。后處理功能也較為便捷，用戶可以通過簡單的操作生成各種可視化圖形，如速度矢量圖、溫度云圖、污染物濃度分布圖等，直觀地展示模擬結果，便于分析和理解。模擬精度高：Fluent采用的有限體積法具有物理意義明確、守恒性好的優(yōu)點，能夠保證模擬結果的準確性和可靠性。在數(shù)值計算過程中，F(xiàn)luent通過不斷迭代求解離散化的代數(shù)方程組，逐步逼近真實解。其求解器經(jīng)過了大量的工程實踐驗證，在處理建筑通風相關的復雜流動和傳熱問題時，能夠提供高精度的模擬結果。例如，在以往的建筑通風模擬研究中，將Fluent模擬結果與實驗數(shù)據(jù)進行對比，發(fā)現(xiàn)Fluent對室內氣流速度、溫度分布的模擬結果與實驗值吻合度較高，誤差在可接受范圍內。對于本研究而言，高精度的模擬結果至關重要，只有準確地模擬層狀通風在蘭州地區(qū)室內的氣流組織特性、溫度分布以及污染物擴散情況，才能為后續(xù)的分析和優(yōu)化提供可靠的依據(jù)。三、數(shù)值模擬方法與模型建立3.2物理模型建立3.2.1模擬房間幾何尺寸本研究選取蘭州地區(qū)某典型辦公室作為模擬對象，該辦公室為矩形空間，長為6m，寬為4m，高為3m。房間內部布局較為簡單，主要包括辦公桌椅、電腦等辦公設備以及照明燈具等。辦公桌椅沿房間長度方向成兩列擺放，每列放置3套桌椅，每套桌椅之間間隔1m，以保證人員有足夠的活動空間。電腦放置在辦公桌上，其散熱量作為室內熱源的一部分進行考慮。照明燈具安裝在天花板上，均勻分布，為房間提供充足的光照。在房間的一側設置有一扇門，尺寸為寬1m，高2m，用于人員進出；另一側設置有一扇窗戶，尺寸為寬2m，高1.5m，可用于自然通風和采光。通過對該辦公室的幾何尺寸和內部布局的精確設定，為后續(xù)層狀通風系統(tǒng)的模擬提供了真實且具體的空間模型，能夠更準確地反映實際室內環(huán)境中層狀通風的效果。3.2.2送排風口設置送風口設置在房間底部靠近墻壁的位置，采用矩形風口，尺寸為長0.5m，寬0.1m。送風口的下緣距離地面0.1m，這樣的高度設置可以確保新鮮空氣以較低的速度均勻地送入室內，在地板上形成穩(wěn)定的空氣湖，有效避免新鮮空氣直接沖擊人員活動區(qū)域，同時有利于新鮮空氣在下部區(qū)域的擴散和分布。送風口的數(shù)量為2個，分別位于房間兩側墻壁，對稱布置，這種布置方式能夠使新鮮空氣更均勻地覆蓋室內下部空間，提高通風效果。排風口設置在房間頂部靠近天花板的位置，同樣采用矩形風口，尺寸為長1m，寬0.2m。排風口的上緣距離天花板0.1m，排風口的數(shù)量為1個，位于房間頂部中央位置。將排風口設置在頂部中央，能夠有效捕捉上升的熱污染空氣，使其順利排出室外，提高通風效率。在實際應用中，送排風口的位置、尺寸和形式對層狀通風系統(tǒng)的性能有著重要影響。合適的送排風口設置可以促進室內空氣的合理流動，形成穩(wěn)定的分層現(xiàn)象，提高通風效率和室內空氣品質。例如，若送風口位置過高，新鮮空氣可能無法充分在下部區(qū)域形成空氣湖，導致新鮮空氣與污染空氣過早混合，降低通風效果；若排風口位置不當，可能無法有效排出熱污染空氣，造成室內空氣品質下降。通過對送排風口的精心設計和合理布置，能夠充分發(fā)揮層狀通風系統(tǒng)的優(yōu)勢，為室內提供良好的空氣環(huán)境。3.2.3室內熱源與污染源設定室內熱源主要包括人員散熱和設備散熱。假設辦公室內同時有6人辦公，每人的新陳代謝率為116W（根據(jù)人體在輕度辦公活動狀態(tài)下的散熱情況確定），其中顯熱散熱為70W，潛熱散熱為46W。人員散熱以點熱源的形式分布在辦公桌椅所在位置，模擬人體散熱對室內熱環(huán)境的影響。辦公設備主要考慮電腦，每臺電腦的功率為200W，其散熱量同樣以點熱源的形式分布在辦公桌上。照明燈具的功率為300W，安裝在天花板上，其散熱量均勻分布在天花板表面，模擬照明設備對室內熱環(huán)境的貢獻。室內污染源主要考慮人員呼出的CO?和辦公設備散發(fā)的少量揮發(fā)性有機物（VOCs）。人員呼出CO?的速率為0.0003m3/s（根據(jù)人體正常呼吸時呼出CO?的平均速率確定），以點源形式分布在人員所在位置。辦公設備散發(fā)VOCs的速率相對較小，假設每臺電腦的散發(fā)速率為0.00001m3/s，同樣以點源形式分布在辦公桌上。通過對室內熱源和污染源的合理設定，能夠更真實地模擬蘭州地區(qū)辦公室室內的熱環(huán)境和空氣品質狀況，為研究層狀通風對室內環(huán)境的影響提供準確的模型基礎。在實際的辦公室環(huán)境中，室內熱源和污染源的分布和強度會受到人員活動、設備使用情況等多種因素的影響。通過精確設定這些參數(shù)，能夠更準確地反映室內環(huán)境的實際情況，為層狀通風系統(tǒng)的優(yōu)化設計提供可靠依據(jù)。3.3數(shù)學模型建立3.3.1控制方程在層狀通風的數(shù)值模擬中，控制方程是描述室內空氣流動、傳熱以及污染物擴散等物理現(xiàn)象的數(shù)學基礎，主要包括連續(xù)性方程、動量方程和能量方程。連續(xù)性方程基于質量守恒定律，其物理意義是在一個封閉的控制體積內，單位時間內流入和流出的空氣質量之差等于該控制體積內空氣質量的變化率。在笛卡爾坐標系下，對于不可壓縮流體，連續(xù)性方程的表達式為：\frac{\partialu}{\partialx}+\frac{\partialv}{\partialy}+\frac{\partialw}{\partialz}=0其中，u、v、w分別為x、y、z方向上的速度分量。這一方程確保了在模擬過程中，室內空氣的質量不會憑空產(chǎn)生或消失，維持了質量的守恒。例如，在層狀通風的模擬房間中，當新鮮空氣從送風口送入時，必然會有等量的空氣從排風口排出，以滿足連續(xù)性方程的要求，保證室內空氣質量的穩(wěn)定。動量方程基于牛頓第二定律，描述了流體動量的變化與作用在流體上的力之間的關系。在笛卡爾坐標系下，對于不可壓縮牛頓流體，動量方程的一般形式為：\rho(\frac{\partialu}{\partialt}+u\frac{\partialu}{\partialx}+v\frac{\partialu}{\partialy}+w\frac{\partialu}{\partialz})=-\frac{\partialp}{\partialx}+\mu(\frac{\partial^{2}u}{\partialx^{2}}+\frac{\partial^{2}u}{\partialy^{2}}+\frac{\partial^{2}u}{\partialz^{2}})+\rhof_x\rho(\frac{\partialv}{\partialt}+u\frac{\partialv}{\partialx}+v\frac{\partialv}{\partialy}+w\frac{\partialv}{\partialz})=-\frac{\partialp}{\partialy}+\mu(\frac{\partial^{2}v}{\partialx^{2}}+\frac{\partial^{2}v}{\partialy^{2}}+\frac{\partial^{2}v}{\partialz^{2}})+\rhof_y\rho(\frac{\partialw}{\partialt}+u\frac{\partialw}{\partialx}+v\frac{\partialw}{\partialy}+w\frac{\partialw}{\partialz})=-\frac{\partialp}{\partialz}+\mu(\frac{\partial^{2}w}{\partialx^{2}}+\frac{\partial^{2}w}{\partialy^{2}}+\frac{\partial^{2}w}{\partialz^{2}})+\rhof_z其中，\rho為空氣密度，p為壓力，\mu為動力粘度，f_x、f_y、f_z分別為x、y、z方向上的質量力分量，如重力、電磁力等（在本研究中，主要考慮重力，f_z=-g，g為重力加速度）。方程左邊表示單位體積流體動量的變化率，右邊第一項為壓力梯度力，第二項為粘性力，第三項為質量力。以層狀通風房間內的氣流為例，當送風口送入的新鮮空氣在室內流動時，會受到壓力梯度的作用，推動空氣向壓力較低的區(qū)域流動；同時，空氣與周圍物體表面以及空氣內部之間的粘性力會阻礙空氣的流動，使氣流速度逐漸發(fā)生變化；而重力則會對熱空氣的上升和冷空氣的下降產(chǎn)生影響，形成自然對流。能量方程基于能量守恒定律，描述了流體內部能量的傳遞和轉換過程。在笛卡爾坐標系下，對于包含熱傳導和粘性耗散的不可壓縮流體，能量方程的表達式為：\rhoc_p(\frac{\partialT}{\partialt}+u\frac{\partialT}{\partialx}+v\frac{\partialT}{\partialy}+w\frac{\partialT}{\partialz})=k(\frac{\partial^{2}T}{\partialx^{2}}+\frac{\partial^{2}T}{\partialy^{2}}+\frac{\partial^{2}T}{\partialz^{2}})+\mu\Phi+S_T其中，c_p為定壓比熱容，T為溫度，k為熱導率，\Phi為粘性耗散函數(shù)，S_T為熱源項。方程左邊表示單位體積流體內能的變化率，右邊第一項為熱傳導引起的能量傳遞，第二項為粘性耗散產(chǎn)生的熱量，第三項為外部熱源提供的熱量。在層狀通風的模擬中，室內的人員散熱、設備散熱等作為熱源項S_T，會使室內空氣溫度升高；而通過墻壁、窗戶等圍護結構的熱傳導以及與室外空氣的熱交換則通過熱傳導項進行考慮。例如，在夏季，室外熱量通過墻壁傳入室內，會導致室內空氣溫度上升，這一過程在能量方程中得以體現(xiàn)，從而準確模擬室內熱環(huán)境的變化。3.3.2湍流模型選擇在室內空氣流動的模擬中，由于氣流通常處于湍流狀態(tài)，需要選擇合適的湍流模型來描述湍流特性。常見的湍流模型有標準k-ε模型、RNGk-ε模型和k-ω模型等，它們在適用范圍和模擬精度上存在差異。標準k-ε模型基于湍動能k和湍流耗散率ε的輸運方程來描述湍流。其湍動能k表示單位質量流體所具有的湍流動能，反映了湍流的強度；湍流耗散率ε則表示湍動能轉化為熱能的速率，體現(xiàn)了湍流的耗散特性。標準k-ε模型的控制方程如下：湍動能k方程：\frac{\partial(\rhok)}{\partialt}+\frac{\partial(\rhou_ik)}{\partialx_i}=\frac{\partial}{\partialx_j}(\Gamma_k\frac{\partialk}{\partialx_j})+G_k-\rho\varepsilon湍流耗散率ε方程：\frac{\partial(\rho\varepsilon)}{\partialt}+\frac{\partial(\rhou_i\varepsilon)}{\partialx_i}=\frac{\partial}{\partialx_j}(\Gamma_{\varepsilon}\frac{\partial\varepsilon}{\partialx_j})+C_{1\varepsilon}\frac{\varepsilon}{k}G_k-C_{2\varepsilon}\rho\frac{\varepsilon^{2}}{k}其中，\Gamma_k和\Gamma_{\varepsilon}分別為k和ε的擴散系數(shù)，G_k為湍動能生成項，C_{1\varepsilon}和C_{2\varepsilon}為經(jīng)驗常數(shù)。標準k-ε模型適用于一般的湍流流動，計算效率較高，在許多工程問題中得到了廣泛應用。例如，在模擬一般辦公室內的層狀通風時，標準k-ε模型能夠較好地預測室內氣流的平均速度和溫度分布，對于一些流動情況相對簡單、對精度要求不是特別高的場景，能夠滿足模擬需求。RNGk-ε模型是在標準k-ε模型的基礎上，通過重整化群理論對湍流進行修正得到的。它考慮了湍流中的旋轉和曲率效應，在處理復雜流動結構和強烈的湍流脈動時表現(xiàn)更為出色。與標準k-ε模型相比，RNGk-ε模型增加了一個關于湍流耗散率ε的修正項，使其在模擬具有較大曲率的流動（如通風管道的彎曲部分）或旋轉流動（如室內的風扇轉動引起的氣流旋轉）時，能夠更準確地捕捉湍流的特性，提高模擬精度。例如，在模擬高大空間建筑中的層狀通風時，由于空間較大，氣流流動復雜，存在較多的渦流和回流區(qū)域，RNGk-ε模型能夠更好地模擬這些復雜流動現(xiàn)象，提供更符合實際情況的模擬結果。k-ω模型基于湍動能k和比耗散率ω的輸運方程來描述湍流，其中比耗散率ω定義為湍流耗散率ε與湍動能k的比值。k-ω模型的控制方程如下：湍動能k方程：\frac{\partial(\rhok)}{\partialt}+\frac{\partial(\rhou_ik)}{\partialx_i}=\frac{\partial}{\partialx_j}(\Gamma_k\frac{\partialk}{\partialx_j})+G_k-Y_k比耗散率ω方程：\frac{\partial(\rho\omega)}{\partialt}+\frac{\partial(\rhou_i\omega)}{\partialx_i}=\frac{\partial}{\partialx_j}(\Gamma_{\omega}\frac{\partial\omega}{\partialx_j})+G_{\omega}-Y_{\omega}+D_{\omega}其中，\Gamma_k和\Gamma_{\omega}分別為k和ω的擴散系數(shù)，G_k和G_{\omega}分別為k和ω的生成項，Y_k和Y_{\omega}分別為k和ω的耗散項，D_{\omega}為交叉擴散項。k-ω模型在近壁區(qū)域具有較好的模擬精度，適用于邊界層流動的模擬。在層狀通風的模擬中，當需要重點關注送風口、排風口附近以及墻壁等邊界層區(qū)域的氣流特性時，k-ω模型能夠更準確地描述這些區(qū)域的湍流流動，提供更詳細的信息。綜合考慮蘭州地區(qū)典型辦公室的層狀通風特點以及模擬精度和計算效率的要求，本研究選擇RNGk-ε模型。蘭州地區(qū)的辦公室空間相對規(guī)整，但在層狀通風過程中，由于送風口和排風口的設置以及室內熱源的影響，氣流會產(chǎn)生一定的旋轉和復雜的流動結構。RNGk-ε模型能夠有效考慮這些因素，在保證一定計算效率的同時，更準確地模擬室內氣流的湍流特性，為研究層狀通風對室內空氣品質及熱環(huán)境的影響提供更可靠的結果。3.3.3邊界條件設定邊界條件的設定對于數(shù)值模擬的準確性至關重要，它直接影響到模擬結果的可靠性和真實性。在本研究中，主要涉及速度入口、壓力出口、壁面等邊界條件以及初始條件的設定。速度入口邊界條件用于定義送風口處的氣流速度、溫度和污染物濃度等參數(shù)。在蘭州地區(qū)典型辦公室的層狀通風模擬中，根據(jù)實際情況，送風口的風速設定為0.5m/s，這一速度既能保證新鮮空氣能夠在室內下部區(qū)域形成穩(wěn)定的空氣湖，又不會產(chǎn)生過大的氣流擾動。送風口的溫度根據(jù)不同季節(jié)進行設定，冬季為20℃，夏季為26℃，以模擬不同季節(jié)的室內熱環(huán)境需求。對于污染物濃度，假設送風口處的空氣為清潔空氣，即甲醛、顆粒物、揮發(fā)性有機物等污染物濃度均為0。通過準確設定速度入口邊界條件，可以模擬新鮮空氣進入室內的初始狀態(tài)，為后續(xù)研究室內空氣品質和熱環(huán)境的變化提供基礎。壓力出口邊界條件用于定義排風口處的壓力和回流條件。在模擬中，排風口設置為壓力出口，表壓力設定為0Pa，即與大氣壓力相等。這意味著排風口處的空氣能夠在壓力差的作用下順利排出室外。同時，考慮到可能存在的回流現(xiàn)象，設置回流條件為充分發(fā)展流動，即回流的空氣速度和溫度等參數(shù)與排風口處的主流空氣具有相似的特性。這樣的壓力出口邊界條件設定能夠合理地模擬室內空氣的排出過程，保證模擬結果的準確性。壁面邊界條件主要包括無滑移邊界條件和熱邊界條件。無滑移邊界條件假設壁面處的流體速度為0，即空氣與壁面之間沒有相對滑動。這是基于實際情況，空氣在與墻壁、地面、天花板等固體表面接觸時，會受到表面摩擦力的作用，速度趨近于0。熱邊界條件則根據(jù)實際情況進行設定，對于外墻，考慮到蘭州地區(qū)的氣候特點，采用對流換熱邊界條件，根據(jù)室外氣象數(shù)據(jù)和圍護結構的熱工性能，計算外墻表面與室外空氣之間的對流換熱系數(shù)，從而確定外墻表面的溫度分布；對于內墻和地面，假設為絕熱邊界條件，即熱量不會通過這些壁面?zhèn)鬟f，以簡化計算過程，同時突出層狀通風對室內熱環(huán)境的影響。初始條件是模擬計算開始時室內空氣的狀態(tài)參數(shù)，包括速度、溫度、壓力和污染物濃度等。在本研究中，初始時刻假設室內空氣處于靜止狀態(tài)，速度為0；溫度根據(jù)不同季節(jié)設定為與室外溫度相近的值，冬季為5℃，夏季為30℃；壓力為標準大氣壓；污染物濃度分布均勻，甲醛濃度為0.08mg/m3（符合國家標準的上限值），顆粒物濃度為0.15mg/m3（參考蘭州地區(qū)室外顆粒物濃度和室內常見濃度水平），揮發(fā)性有機物濃度為0.2mg/m3（根據(jù)相關研究和實際檢測數(shù)據(jù)確定）。通過合理設定初始條件，可以使模擬計算從一個接近實際情況的狀態(tài)開始，保證模擬結果的可靠性和有效性。3.4網(wǎng)格劃分與無關性驗證3.4.1網(wǎng)格劃分方法網(wǎng)格劃分是數(shù)值模擬中的關鍵環(huán)節(jié)，它將連續(xù)的計算域離散為有限數(shù)量的網(wǎng)格單元，直接影響到模擬結果的準確性和計算效率。在ANSYSFluent中，常用的網(wǎng)格劃分方法包括結構化網(wǎng)格和非結構化網(wǎng)格。結構化網(wǎng)格是由規(guī)則排列的網(wǎng)格單元組成，具有規(guī)整的拓撲結構。在二維情況下，結構化網(wǎng)格通常表現(xiàn)為矩形或四邊形網(wǎng)格；在三維情況下，則多為六面體網(wǎng)格。這種網(wǎng)格的優(yōu)點在于網(wǎng)格節(jié)點的排列具有規(guī)律性，便于數(shù)據(jù)存儲和計算。例如，在一個簡單的矩形通風房間模擬中，使用結構化網(wǎng)格可以方便地定義每個網(wǎng)格單元的位置和屬性，使得控制方程的離散化過程相對簡單，計算精度較高。同時，結構化網(wǎng)格在處理邊界條件時也較為方便，能夠準確地描述邊界的幾何形狀和物理特性。然而，結構化網(wǎng)格的局限性在于對復雜幾何形狀的適應性較差。當模擬對象具有不規(guī)則的外形或內部結構時，如含有復雜通風管道的建筑模型，生成結構化網(wǎng)格可能會遇到困難，或者需要對幾何模型進行大量的簡化和處理，這可能會影響模擬的準確性。非結構化網(wǎng)格則由不規(guī)則排列的網(wǎng)格單元組成，常見的單元類型有三角形（二維）、四面體（三維）等。非結構化網(wǎng)格的最大優(yōu)勢在于能夠很好地適應復雜的幾何形狀。對于具有任意形狀的建筑空間和通風系統(tǒng)，非結構化網(wǎng)格可以根據(jù)幾何模型的輪廓自動