被動式住宅氣流組織形式對室內(nèi)熱舒適性影響模擬分析

吳珊 宗妍

摘? 要：隨著被動式建筑的發(fā)展，降低能耗的同時，室內(nèi)環(huán)境舒適性的問題逐漸受到關(guān)注，選擇合理的氣流組織形式，可以有效提高室內(nèi)環(huán)境熱舒適性。該文選取某被動式住宅的一個房間，分析氣流組織形式的不同對熱舒適性的影響，利用Airpak軟件進行數(shù)值模擬，給出室內(nèi)環(huán)境PPD指標、空氣流速、空氣齡的分布狀況。模擬結(jié)果顯示，上送上回式氣流組織形式的人員不滿意率更低，室內(nèi)空氣換氣效果較好，可以營造更好的室內(nèi)熱舒適性。

關(guān)鍵詞：被動式建筑;氣流組織;熱舒適性;數(shù)值模擬

中圖分類號：TU834? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

1 物理模型及邊界條件

該文利用Airpak軟件，對氣流組織形式以及室內(nèi)環(huán)境熱舒適性影響進行模擬研究，在對該問題的數(shù)值模擬過程中，為了模擬結(jié)果更清晰且具有推廣意義，對該問題研究過程中一些非決定性因素，做出以下簡化假設：首先，選取建筑物的圍護結(jié)構(gòu)滿足我國對被動式住宅圍護結(jié)構(gòu)保溫性能的規(guī)定，密閉性良好，漏風系數(shù)很小，可以忽略不計，忽略冷風滲透氣流對室內(nèi)環(huán)境的影響;其次，室內(nèi)空氣流動近似為穩(wěn)態(tài)流動，流態(tài)為穩(wěn)定湍流，室內(nèi)空氣可以看作牛頓不可壓縮流體，物性參數(shù)為常數(shù)，這樣大大減少了計算步數(shù)，且大部分空調(diào)房間室內(nèi)氣流的流態(tài)為穩(wěn)定湍流，做此簡化不影響結(jié)論的推廣應用;最后，忽略輻射換熱的影響，即在模擬計算中，不考慮房間各維護結(jié)構(gòu)間的輻射換熱，不考慮被動式住宅得到的太陽輻射熱量，固體壁面上滿足無滑移條件。

根據(jù)選取的被動式住宅房間的實際尺寸，簡化模型，房間大小為4.8 m×4 m×3 m，邊界類型是絕熱;一扇窗戶，模型尺寸為0.9 m×1.2 m，冬季室外計算溫度-18 ℃，邊界類型為定溫;送風口尺寸1.1 m×1.1 m，冬季送風溫度取24 ℃，風速為2 m/s;回風口尺寸1.1 m×1.1 m，邊界類型為自由出流。熱源有：一盞熒光燈，模型尺寸為0.5 m×0.5 m×0.2 m，

熒光燈功率為70 W/盞，邊界類型為定熱流量;一張床，模型尺寸為1.8 m×2 m×0.5 m，邊界類型為定熱流量;一臺計算機，模型尺寸為0.5 m×0.5 m× 0.5 m，散熱功率為120 W/臺，邊界類型為定熱流量;一個人員，模型尺寸為0.3 m×0.25 m×1.2 m，散熱功率為85 W/人，邊界類型為定熱流量。出于簡化計算的考慮，計算機、站立的人員、熒光燈均簡化為正方體模型，減少計算步數(shù)，結(jié)果顯示直觀;送風口、回風口布置在房間對角位置。為了對比2種氣流組織形式對室內(nèi)環(huán)境熱舒適性的影響，該文建立2個物理模型，模型1為上送上回式氣流組織;模型2為上送下回式氣流組織。

2 模擬結(jié)果分析

根據(jù)房間高度3 m，選擇1.5 m處為人體平均感受區(qū)域，即房間Y=1.5 m平面為模擬研究的界面，對比2個模型的人員不滿意百分比-PPD分布圖，可以看出，2個模型中的相同點是，以外窗窗口處為中心，向房間中心區(qū)域發(fā)展，人員不滿意率逐漸降低，越靠近窗口人員不滿意率越高，緊靠窗口位置，人員不滿意率甚至達到100%，這是由于冬季北方地區(qū)溫度較低，窗戶的傳熱系數(shù)較大，窗戶散熱導致的窗邊溫度較低，靠近窗口處人員的散熱量大，人員會有明顯寒冷的感覺，舒適性較差，不滿意度較高。模型1即上送上回式氣流組織形式，PPD分布云圖較為均勻，PPD平均值最低，人員對室內(nèi)環(huán)境的滿意度最高，室內(nèi)環(huán)境熱舒適性較好，說明上送上回式氣流組織形式，房間內(nèi)空氣的擾動性較好，從PPD分布的均勻情況可以看出，無空氣滯留區(qū)域;模型2即上送下回式氣流組織形式，較模型1人員不滿意率有所增加，從PPD云圖分布上看到，房間中心區(qū)域人員不滿意率較低，房間沒有布置風口的2個角落的周圍人員不滿意率較高，值得注意的是，在房間一側(cè)的內(nèi)墻附近較大區(qū)域內(nèi)，人員不滿意率都很高，從PPD分布圖上也可以看出，人員不滿意率增加的區(qū)域為房間兩側(cè)，這是由于上送下回的氣流組織形式對室內(nèi)氣流的擾動性較差，造成僅在模型房間中心對角區(qū)域擾動性較強，其他區(qū)域容易出現(xiàn)空氣滯留區(qū)，空氣流動性差，通風換氣效果較差，室內(nèi)環(huán)境熱舒適性較差。

因此，從人員不滿意率分布云圖上可以直觀看出，從人員對室內(nèi)環(huán)境熱舒適性的主觀滿意度角度分析，上送上回氣流組織形式，具有較高的人員滿意度，下面還對室內(nèi)空氣流速、空氣齡進行模擬分析，從客觀角度對比2種氣流組織形式的優(yōu)劣。

對比2個模型的風速分布云圖，可以看出共同點是，在房間中心區(qū)域空氣流速較高，符合空氣動力學原理，中心區(qū)域距離風口較近，空氣流速較高，換氣效果較好;以中心區(qū)域向?qū)欠秶鷶U散，風速按照一定規(guī)律衰減，到最遠處，風速接近0，也就是容易形成空氣滯留區(qū)。模擬1的室內(nèi)平均風速較模型2的高一些，風速分布云圖顯示，模型2在房間的2個角落處較大范圍的風速為0，有明顯的空氣滯留區(qū)，通風換氣效果差。風速分布云圖顯示的結(jié)果與人員不滿意率云圖相對應，風速接近0的空氣滯留區(qū)，人員不滿意率較高，因此，采用上送上回式比上送下回式，室內(nèi)空氣流速分布均勻，空氣滯留區(qū)少，人員滿意度高，室內(nèi)環(huán)境熱舒適性好。

對比2個模型的空氣齡分布，可以看出共同點是，在房間中心區(qū)域空氣齡較低，符合空氣動力學原理，中心區(qū)域換氣效果較好;以中心區(qū)域向?qū)欠秶鷶U散，空氣齡逐漸升高，換氣效率降低，總體規(guī)律和風速分布云圖相同，說明風速較高，換氣效率較高，空氣齡的值對應較低，換氣效果較好。模型1，空氣齡整體分布值低一些，說明上送上回氣流組織形式，排污能力強，換氣效率高，且空氣齡分布更均勻，同時注意到模型2的空氣齡分布均勻性差，在貼壁范圍內(nèi)空氣齡較高，通風換氣效率低，空氣質(zhì)量差，因此，上送上回氣流組織形式，空氣齡分布的均勻性優(yōu)于上送下回氣流組織形式，同時空氣齡平均值較低，排污能力強，換氣效率較高，通風效果好，室內(nèi)環(huán)境熱舒適性較好。

3 結(jié)論

綜合風速分布、空氣齡分布、人員不滿意百分百比-PPD分布結(jié)果，模型1即上送上回氣流組織形式，人員對室內(nèi)環(huán)境熱舒適性的滿意度較高，空氣風速平均0.21 m/s，空氣滯留區(qū)較小，滿足人員需求，具有較低的空氣齡數(shù)值，排污能力強，換氣效率高，通風換氣效果較好，室內(nèi)環(huán)境熱舒適性滿足人員需求。另外，通過對比PPD值分布云圖、風速分布云圖、空氣齡分布云圖，容易看出，當室內(nèi)空氣流速較高時，空氣齡較低，排污能力較強，通風換氣效果較好，隨之人員對室內(nèi)環(huán)境的不滿意率降低，室內(nèi)環(huán)境熱舒適性較好，更加驗證了模擬結(jié)果的可靠性。通過對比分析模擬結(jié)果及數(shù)據(jù)，不難得出結(jié)論：對同一房間，在相同通風換氣條件下，上送上回氣流組織形式會減少人員的不滿意百分比，空氣風速滿足人員需求，無空氣滯留區(qū)，空氣齡分布均勻且平均值低，換氣效率高，室內(nèi)環(huán)境熱舒適性較高，因此，被動式住宅宜采用上送上回氣流組織形式，更好地滿足人員舒適性的需求。

參考文獻

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