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室内空气逆时间反演与通风热回收

刘娣  
【摘要】:本文根据建筑通风安全、室内气态有害物传播控制、建筑空调能源节约、室内空气环境改善等实际工程需要,从反演辨识通风室内单个污染源和多组污染源、反演求解湍流室内壁面热源、研制热管热回收空调设备、分析热回收空调室内环境、PIV水洞模型实验瞬态污染物扩散等多方面地开展了创新研究工作。 首先,室内气态污染物的控制有赖于及时发现污染源位置或污染物散发途径。近似逆时间反演方法可以通过任意时刻的室内气态污染物分布有效地辨识污染源的空间位置。近似逆时间反演方法通过将时间取负,对污染物动态输运方程增加四阶稳定项来保证逆时间模拟的收敛性能;与此同时,额外增加的稳定项值必须控制得足够小,从而不损害逆时间反演模拟的准确性。具体概述如下, 近似逆时间反演了三维低能耗置换通风室内单个污染源的空间位置。首先正向模拟分析了通风强度、污染源空间位置、污染物扩散特性等因素对室内气态污染物空间输运过程的影响;接着,依据近似逆时间反演方法,将正向模拟所得的室内污染物浓度分布作为初始条件,取时间步长为负值,详细讨论了入口风速、污染源位置、污染物扩散时间以及污染物扩散特性等对近似逆时间反演结果的影响。 近似逆时间反演了二维低能耗通风室内多组污染源空间位置。首先数值模拟了包含多组污染源和热源的置换通风室内流体对流过程,探讨了送风强度、热源强度、污染物扩散特性和污染源位置等对室内气态污染物动态输运过程的影响;接着,基于近似逆时间反演方法同时反演辨识室内多组污染源的空间位置,并详细讨论送风速度、热源强度、污染物扩散性能、扩散时间等对反演结果的影响。 其次,室内空气环境的人工控制和设计依然有赖于反演分析室内空气对流过程,即由最终状态决定初始状态或边界条件。真实的建筑通风室内流体流动均为湍流,因此需要求解相应的室内湍流对流反演问题。本文首先分别探讨了置换通风和混合通风模式作用下的通风室内空气湍流对流行为,并依据Reynolds数和Grashof数的变化,数值模拟了从受迫对流主导至自然对流主导的室内空气各种流动状态,并比较了混合通风和置换通风模式作用的室内热源散热性能。定义了湍流能量流线或湍流热线,它不仅能表达室内湍流热输运路径,而且也阐释了时均湍流热流的系统总能守恒特性。接着,运用共轭梯度法推导了耦合受迫对流和自然对流的灵敏度方程和伴随方程,对流反演求解了通风室内壁面热源的空间分布,并分析了送风速度、热源强度、壁面热源空间分布以及测量误差等因素对室内湍流对流反演精度和准确度的影响。 再次,室内空气环境的改善需要引入大量的室外新风,由此将增加空调建筑的能源消耗,致使空调建筑节能与室内空气环境改善相冲突。本文引入热管热回收空调器,它完全或部分取消了再热负荷,并将增加室内新风量和改善室内空气质量。即此,本文相应开展了分离型热管运行性能实验、热回收空调器冬季除霜分析和热回收空调室内空气环境模拟等研究,具体包括, 设计了分离型热管热回收空调设备,并分析了设备运行性能。在不改变空调器现有配置的基础上,增加了用于回收空调排风余热的闭式两相流分离型热管换热装置,构建了热管热回收空调器。基于空调实验平台和数学模型,探讨了热管水力直径、蒸汽温度对分离型热管充液率的上运行边界和下运行边界的影响。实验室样机测试和数学分析表明该分离型热管可以提升空调的热回收效率;探讨了热回收空调器在冬季运行时的结霜行为。重点分析了管翅式热回收空调蒸发器在强迫对流条件下的非定常热特性,并分析经过热回收器换热后的混合空气温度、相对湿度和空气质量流量等因素对传热系数、霜层厚度和空气侧压降的影响,为优化热回收空调器冬季运行性能提供了理论依据; 模拟分析了热回收空调器对通风建筑室内空气环境的影响。考虑热回收设备对热量回收和污染物过滤的双重作用,直接模拟通风热回收室内空气流动和气态污染物对流输运过程,详细讨论了空调送风速度、新风比、空调器净化效率和室内热源强度对室内气态污染物平均浓度和污染源表面污染物扩散率的影响。研究表明,热回收空调设备预处理了室外新风,不仅稀释了室内污染物,而且降低了新风能耗,从而能够有效地调和室内空气环境与建筑空调能耗这对尖锐的矛盾。 最后,采用CFD数值模拟和PIV非接触式模型实验方法探讨了气态污染物在通风室内瞬态扩散过程。纳米微粒饱和溶液沿水平送水管距离入口300mm处送入实验水箱(通风房间),同步控制激光器片源发出频率和CCD相机拍摄频率,动态PIV拍摄实验模型内纳米微粒浓度变化,定性得出置换通风室内污染物动态输运过程,为建筑室内污染物稀释和排放提供有效的实验数据,并验证数值模拟结果。


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