Airpak軟件在被動(dòng)房暖通系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

高建會(huì)

【摘要】本文以經(jīng)德國(guó)被動(dòng)房研究院（PHI）認(rèn)證的被動(dòng)房項(xiàng)目——河北高碑店市奧潤(rùn)順達(dá)被動(dòng)式專家公寓樓某戶型為研究對(duì)象，并結(jié)合Airpak3.0.16軟件對(duì)帶熱交換能量回收功能的新風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行氣流組織模擬研究。

【關(guān)鍵詞】被動(dòng)房;氣流組織;室內(nèi)空氣質(zhì)量;熱舒適性

隨著被動(dòng)房在全世界的迅速發(fā)展，人們的生活環(huán)境、學(xué)習(xí)環(huán)境、工作環(huán)境發(fā)生了巨大的變化。人們逐漸認(rèn)識(shí)到：被動(dòng)房?jī)?nèi)的氣流組織已經(jīng)成為影響室內(nèi)空氣質(zhì)量及熱舒適性的重要因素之一。帶熱交換能量回收功能的新風(fēng)系統(tǒng)是被動(dòng)房的標(biāo)準(zhǔn)配備。在為被動(dòng)房設(shè)計(jì)帶熱交換能量回收功能的新風(fēng)系統(tǒng)時(shí)，通常將送風(fēng)口送風(fēng)氣流當(dāng)做射流處理，通過射流計(jì)算公式計(jì)算送風(fēng)氣流射流參數(shù)，粗略預(yù)測(cè)氣流的分布情況，但是氣流具有不規(guī)則的運(yùn)動(dòng)軌跡、形式變化多樣的特點(diǎn)，傳統(tǒng)的射流經(jīng)驗(yàn)公式并不能預(yù)測(cè)和直觀體現(xiàn)氣流分布的特征。隨著計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（Computational Fluid Dynamics簡(jiǎn)稱CFD）的應(yīng)用與發(fā)展，計(jì)算求解結(jié)果可預(yù)測(cè)和體現(xiàn)氣流的流動(dòng)、傳熱、傳質(zhì)等過程的細(xì)節(jié)，在很大程度上彌補(bǔ)了帶熱交換能量回收功能的新風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中不能預(yù)測(cè)和直觀體現(xiàn)氣流分布而造成的不足。

1. Airpak3.0.16軟件特點(diǎn)

CFD是計(jì)算機(jī)和流體動(dòng)力學(xué)互相結(jié)合的一門學(xué)科，主要從計(jì)算方法出發(fā)，利用計(jì)算機(jī)快速的計(jì)算能力求解流體控制方程得到結(jié)果，并在后處理器中顯示。隨著計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用和迅速發(fā)展，CFD不僅得到了飛速發(fā)展，而且逐漸成為產(chǎn)品開發(fā)研究中的重要工具。Airpak軟件是CFD軟件中的一員，Airpak3.0.16軟件為目前最高版本。

Airpak3.0.16是一種準(zhǔn)確、快速且易于使用的氣流組織模擬工具，已經(jīng)在住宅通風(fēng)、廚房通風(fēng)、工業(yè)空調(diào)、工業(yè)通風(fēng)、建筑外部風(fēng)環(huán)境、車間廠房等設(shè)計(jì)中得到了應(yīng)用。在住宅通風(fēng)方面，主要對(duì)室內(nèi)溫度場(chǎng)、室內(nèi)空氣調(diào)節(jié)區(qū)風(fēng)速、空氣齡、PPD、PMV等進(jìn)行氣流組織模擬。它不僅提供了簡(jiǎn)化氣流建模技術(shù)，同時(shí)網(wǎng)格的快速劃分功能與Fluent解算器相結(jié)合，根據(jù)計(jì)算求解結(jié)果進(jìn)行后處理，展示氣流組織各種流動(dòng)特性，可為設(shè)計(jì)師在短時(shí)間內(nèi)提供解決方案。從而減少設(shè)計(jì)成本，降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，縮短設(shè)計(jì)周期。

Airpak3.0.16調(diào)用 Fluent解算器進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算以及熱環(huán)境處理時(shí)，解算器結(jié)合具體的計(jì)算模型可提供完整的多種類型的網(wǎng)格，同時(shí)允許計(jì)算中使用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格求解形狀復(fù)雜的模型。圖1為Airpak3.0.16軟件計(jì)算流程。

2.模型建立

本文以經(jīng)德國(guó)被動(dòng)房研究院（PHI）認(rèn)證的被動(dòng)房項(xiàng)目河北高碑店市奧潤(rùn)順達(dá)被動(dòng)式專家公寓樓某戶型為研究對(duì)象（見圖2），采用Airpak3.0.16軟件對(duì)帶熱交換能量回收功能的新風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行氣流組織模擬。被動(dòng)房專家公寓樓某戶型室內(nèi)帶熱交換能量回收功能的新風(fēng)系統(tǒng)，采用由河北綠色建筑科技有限公司專為被動(dòng)房研發(fā)的環(huán)境一體機(jī)暖通系統(tǒng)。此環(huán)境一體機(jī)不僅可以向室內(nèi)提供新風(fēng)，還可以提供冷熱源，承擔(dān)所需冷熱負(fù)荷?？蛷d、臥室等公共區(qū)域設(shè)置新風(fēng)風(fēng)口;衛(wèi)生間設(shè)置集中回風(fēng)風(fēng)口;餐廳設(shè)置循環(huán)風(fēng)風(fēng)口;廚房、設(shè)備間不設(shè)置新風(fēng)風(fēng)口、回風(fēng)風(fēng)口、循環(huán)風(fēng)風(fēng)口。

客廳、臥室的新風(fēng)口采用雙層百葉側(cè)送風(fēng)方式，可利用貼附式效應(yīng)增大氣流的射流長(zhǎng)度。環(huán)境一體機(jī)暖通系統(tǒng)采用平衡式送風(fēng)模式，送入客廳、臥室內(nèi)的空氣經(jīng)過門下縫隙進(jìn)入溢流區(qū)，然后通過集中回風(fēng)風(fēng)口進(jìn)入環(huán)境一體機(jī)，同新風(fēng)進(jìn)行熱交換后排出。環(huán)境一體機(jī)暖通系統(tǒng)與智能電氣控制系統(tǒng)相結(jié)合，使室內(nèi)達(dá)到“恒溫、恒濕、恒氧、恒靜、恒潔”的健康舒適狀態(tài)。

2.1 條件設(shè)置

Airpak3.0.16軟件對(duì)環(huán)境一體機(jī)暖通系統(tǒng)進(jìn)行氣流組織模擬，送風(fēng)邊界條件為機(jī)械式送風(fēng)，回風(fēng)邊界條件為機(jī)械式回風(fēng)，送風(fēng)風(fēng)口溫度、墻體溫度根據(jù)實(shí)際進(jìn)行設(shè)置。主要邊界條件溫度設(shè)置見表1。

2.2網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分質(zhì)量的高低直接影響計(jì)算精準(zhǔn)度和顯示結(jié)果，對(duì)于最終解決方案至關(guān)重要。為了獲取高質(zhì)量的網(wǎng)格需要將Max X size、Max Y size和Max Z size最大值設(shè)置為約房間尺寸的1/20，同時(shí)所有送風(fēng)風(fēng)口進(jìn)行網(wǎng)格局部加密處理。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示。

3. 處理結(jié)果及分析

3.1室內(nèi)溫度場(chǎng)模擬結(jié)果

被動(dòng)房在冬季制熱工況下室內(nèi)溫度要求≥20℃[2]，從模擬結(jié)果中可得出，冬季制熱工況在空氣調(diào)節(jié)區(qū)（通常是指離地面高度為2m以下的區(qū)域）[4]內(nèi)室內(nèi)溫度為20.25℃─21.25℃（見圖4），滿足要求。被動(dòng)房在夏季制冷工況下室內(nèi)溫度要求≤25℃[2]，從模擬結(jié)果中可得出，夏季制冷工況在空氣調(diào)節(jié)區(qū)（通常是指離地面高度為2m以下的區(qū)域）內(nèi)室內(nèi)溫度為23.75℃─24.75℃（見圖5），滿足要求。

3.2室內(nèi)空氣調(diào)節(jié)區(qū)風(fēng)速模擬結(jié)果

根據(jù)“被動(dòng)式超低能耗居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)”對(duì)室內(nèi)空氣調(diào)節(jié)區(qū)（通常是指離地面高度為2m以下的區(qū)域）風(fēng)速要求<0.15m/s[1]，從模擬結(jié)果中可得出，冬季制熱工況室內(nèi)空氣調(diào)節(jié)區(qū)（通常是指離地面高度為2m以下的區(qū)域）風(fēng)速<0.11m/s（見圖6），滿足要求;夏季制冷工況室內(nèi)空氣調(diào)節(jié)區(qū)（通常是指離地面高度為2m以下的區(qū)域）風(fēng)速<0.22m/s（見圖7），不滿足要求。

3.3空氣齡模擬結(jié)果

被動(dòng)房室內(nèi)換氣次數(shù)要求≥0.3h-1[2]，換算成空氣齡指標(biāo)≤12000s，從模擬結(jié)果中可得出，冬季制熱工況空氣齡<2500s（見圖8），滿足要求;夏季制冷工況空氣齡<3000s（見圖9），滿足要求。

3.4 PPD-PMV模擬結(jié)果

根據(jù)“ISO 7730建筑熱濕環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)”要求，以預(yù)計(jì)不滿意百分比PPD、預(yù)計(jì)平均得票數(shù)PMV來表述熱環(huán)境和熱舒適度指標(biāo)。對(duì)PPD的數(shù)值要求：PPD<10%;PMV的數(shù)值要求：-0.5

從模擬結(jié)果中可得出，冬季制熱工況PPD<6.25%（見圖10），滿足要求;冬季制熱工況-0.25

3.5模擬結(jié)果總結(jié)

通過對(duì)環(huán)境一體機(jī)暖通系統(tǒng)冬季制熱工況和夏季制冷工況進(jìn)行氣流組織模擬，模擬數(shù)值與標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)比得出，室內(nèi)溫度場(chǎng)、冬季制熱工況室內(nèi)空氣調(diào)節(jié)區(qū)風(fēng)速、空氣齡、PPD、PMV滿足要求。夏季制冷工況室內(nèi)空氣調(diào)節(jié)區(qū)風(fēng)速不滿足要求。氣流組織模擬結(jié)果不僅為設(shè)計(jì)師提供了室內(nèi)氣流組織的整體分布狀況，還為設(shè)計(jì)師后期進(jìn)一步優(yōu)化指明了方向。

4. 結(jié)論

Airpak3.0.16軟件對(duì)環(huán)境一體機(jī)暖通系統(tǒng)進(jìn)行氣流組織模擬，可預(yù)測(cè)和直觀體現(xiàn)室內(nèi)氣流分布的特性，通過數(shù)值參數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)比，可分析驗(yàn)證出環(huán)境一體機(jī)暖通系統(tǒng)各個(gè)風(fēng)口的位置、大小、風(fēng)速設(shè)計(jì)的合理性和室內(nèi)空氣質(zhì)量、室內(nèi)熱環(huán)境指標(biāo)的熱舒適性。不僅為環(huán)境一體機(jī)暖通系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及運(yùn)行調(diào)控提供數(shù)據(jù)參照，而且還為合理提高室內(nèi)空氣質(zhì)量和改善室內(nèi)熱環(huán)境提供了依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

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（作者單位：河北綠色建筑科技有限公司）

【中圖分類號(hào)】TU831.3

【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【文章編號(hào)】1671-3362（2020）01-0068-03