基于CFD數(shù)值模擬的室內(nèi)風(fēng)環(huán)境研究

吳 楨

(安徽工程大學(xué) 建筑工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000)

在全球推行可持續(xù)性發(fā)展的大環(huán)境下，綠色建筑越來越受到重視。國家標(biāo)準(zhǔn)《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50378-2014)[1]中規(guī)定綠色建筑是指在全壽命期內(nèi)，最大限度地節(jié)約資源(節(jié)能、節(jié)地、節(jié)水、節(jié)材)、保護(hù)環(huán)境、減少污染，為人們提供健康、適用和高效的使用空間以及與自然和諧共生的建筑。而自然通風(fēng)指的是利用自然風(fēng)壓、空氣溫差、空氣密度差等對(duì)室內(nèi)等區(qū)域進(jìn)行通風(fēng)輸氣的方式。與復(fù)雜、耗能的空調(diào)技術(shù)相比，自然通風(fēng)是能夠適應(yīng)氣候的一項(xiàng)廉價(jià)而成熟的節(jié)能減排技術(shù)措施?！豆步ㄖ?jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB50189-2015)[2]等國家標(biāo)準(zhǔn),《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ134-2010)[3]等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),以及《安徽省居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[4]等各地方標(biāo)準(zhǔn)中都對(duì)建筑設(shè)計(jì)中的自然通風(fēng)設(shè)計(jì)做出明確的規(guī)定和要求。因此，室內(nèi)的自然通風(fēng)設(shè)計(jì)是綠色建筑設(shè)計(jì)很重要的一環(huán)。自然通風(fēng)的研究方法主要有風(fēng)洞試驗(yàn)[5]、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和計(jì)算流體力學(xué)[6](Computational Fluid Dynamics，簡(jiǎn)稱CFD)模擬方法。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展和流體計(jì)算模型的完善和提高，CFD數(shù)值模擬精度越來越高，成為建筑風(fēng)環(huán)境模擬的有效工具[7]。眾多國內(nèi)外學(xué)者也將數(shù)值模擬方法和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)以及風(fēng)洞試驗(yàn)進(jìn)行了對(duì)比分析[8]，完全驗(yàn)證了CFD軟件的精度可行性和時(shí)效可行性。對(duì)于室內(nèi)的自然通風(fēng)，影響因素非常多：戶型所在樓群位置、戶型設(shè)計(jì)、開窗大小和位置等等?？蒲袑W(xué)者們已經(jīng)做了很多相關(guān)研究并得到諸多結(jié)論：饒永[9]等通過改變外窗形態(tài)得到增大外窗的寬高比會(huì)改善室內(nèi)自然通風(fēng)的結(jié)論；孫波[10]等通過數(shù)值模擬室內(nèi)的自然通風(fēng)對(duì)布局設(shè)計(jì)提出了指導(dǎo)意見。就居住者來講，以上所述影響因素不容易改變，而文中所選研究對(duì)象的陽臺(tái)的裝修開窗情況最能影響室內(nèi)風(fēng)場(chǎng)且是可干預(yù)因素。另外，《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》中對(duì)室外風(fēng)環(huán)境主要依據(jù)風(fēng)壓和風(fēng)速進(jìn)行評(píng)價(jià)打分，對(duì)室內(nèi)風(fēng)環(huán)境主要依據(jù)窗地比進(jìn)行評(píng)價(jià)打分，這種評(píng)價(jià)指標(biāo)比較籠統(tǒng)粗糙。對(duì)室內(nèi)風(fēng)場(chǎng)的評(píng)價(jià)，科研學(xué)者們大都采用了風(fēng)速和空氣齡，李先庭[11]等用示蹤氣體和數(shù)值模擬等方法研究了通風(fēng)房間的空氣齡，并提出用空氣齡是評(píng)價(jià)室內(nèi)空氣品質(zhì)的一個(gè)重要指標(biāo)。蘇醒[12]等提出用人體熱舒適評(píng)價(jià)室內(nèi)自然通風(fēng)效果更客觀。

研究基于CFD數(shù)值模擬技術(shù)的Fluent軟件，分析了某熱門戶型的室內(nèi)風(fēng)場(chǎng)和空氣齡分布，對(duì)比研究了陽臺(tái)裝修情況對(duì)室內(nèi)風(fēng)場(chǎng)的影響，探討了建筑設(shè)計(jì)中陽臺(tái)對(duì)自然通風(fēng)的影響規(guī)律。并提出用不均勻系數(shù)衡量室內(nèi)風(fēng)場(chǎng)的均勻度并對(duì)自然通風(fēng)環(huán)境進(jìn)行評(píng)價(jià)。研究對(duì)象是蕪湖市某高校內(nèi)住宅小區(qū)的住宅戶型。所選戶型為正南朝向，戶型方正，為市面上熱門戶型。戶型圖如圖1所示。

圖1 戶型圖

1 研究方法

1.1 模擬工況

根據(jù)《中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》[13]，蕪湖地區(qū)夏季主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槟巷L(fēng)，平均風(fēng)速為2.3 m/s。具體模擬工況如表1所示。

表1 模擬工況列表

1.2 幾何模型

研究陽臺(tái)裝修情況對(duì)室內(nèi)風(fēng)場(chǎng)的影響，所以建模并未考慮建筑室外風(fēng)場(chǎng)。而是將南面門窗設(shè)為進(jìn)風(fēng)口，其他面的窗戶設(shè)為出風(fēng)口。假設(shè)房屋主要房間窗均為推拉窗，最大打開面積為窗戶半幅尺寸；廚房衛(wèi)生間等輔助房間窗為外開平開窗，可全開。相應(yīng)工況下幾何模型設(shè)置時(shí)，推拉窗均設(shè)置為a、b兩扇只開a扇，平開窗完全打開。房屋內(nèi)部即為計(jì)算域。因?yàn)榻ㄖＰ头秸?jiǎn)單，在劃分網(wǎng)格時(shí)選擇四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。

1.3 物理模型

建筑室內(nèi)空氣流通問題屬于典型的完全湍流問題，故采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型進(jìn)行數(shù)值模擬，其精度和速度完全能滿足此次模擬所需。

標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的湍動(dòng)能k和耗散率ε方程為如下形式：

(1)

(2)

在FLUENT中，作為默認(rèn)值常數(shù)，C1ε=1.44，C2ε=1.92，Cμ=0.09，湍動(dòng)能k與耗散率ε的湍流普朗特?cái)?shù)分別為σk=1.0，σε=1.3。這些常數(shù)值可以通過調(diào)節(jié)“粘性模型”面板來調(diào)節(jié)。

2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

為了評(píng)價(jià)室內(nèi)自然通風(fēng)效果以及不同房間的通風(fēng)效果，選取人體活動(dòng)高度Z=1.1 m處的風(fēng)速分布圖、空氣齡圖進(jìn)行對(duì)比分析[14]。并對(duì)1.1 m高度整體截面以及主臥、客廳、次臥以及北書房的局部截面的風(fēng)場(chǎng)和空氣齡進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

由于空氣湍流的特點(diǎn)，室內(nèi)空氣流場(chǎng)各點(diǎn)的風(fēng)速、溫度、空氣齡都有差異，為了更好評(píng)價(jià)室內(nèi)自然通風(fēng)效果，引入“不均勻系數(shù)”的概念。統(tǒng)計(jì)學(xué)中，用均方差的大小評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)的離散性，引入的“不均勻系數(shù)”便定義為均方差和平均值的比率。不均勻系數(shù)越大說明數(shù)據(jù)越離散，均勻度越差；系數(shù)越小，結(jié)論則與之相反。

平均值：

(3)

均方差：

(4)

不均勻系數(shù)：

(5)

2.1 風(fēng)速

風(fēng)速一直都是自然通風(fēng)效果最直接且重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)。四種工況下室內(nèi)1.1 m處的風(fēng)速分布如圖2所示。圖2a、圖2b、圖2c、圖2d分別是A、B、C、D四種工況下室內(nèi)1.1 m處的風(fēng)速分布圖。全屋平均風(fēng)速及不均勻系數(shù)如表2所示。從圖2和表2中可以看出，四種工況下，工況A時(shí)室內(nèi)風(fēng)場(chǎng)具有最大風(fēng)速和平均風(fēng)速，B、C次之，D最小。這說明迎風(fēng)面開口增加，室內(nèi)風(fēng)速會(huì)提高。從四種工況的均方差和不均勻系數(shù)可知，B、C工況的均勻性最好，D工況均勻性最差，A工況均勻性處于兩者之間。從云圖中分析該結(jié)果的主要原因是B、C工況下陽臺(tái)開窗大小與其他南面窗戶大小相近，因而風(fēng)速比較均勻。而A工況和D工況陽臺(tái)開窗情況過于極端，所以導(dǎo)致整體風(fēng)場(chǎng)均勻性差。

圖2 四種工況下室內(nèi)1.1 m處的風(fēng)速分布圖

表2 全屋平均風(fēng)速及不均勻系數(shù)

工況平均值均方差不均勻系數(shù)A-1.11.711.580.92B-1.10.820.670.82C-1.10.610.520.85D-1.10.430.431.01

為了考察主要使用房間(主臥、客廳、次臥和書房)的風(fēng)環(huán)境，此處選出4個(gè)房間的局部風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并對(duì)局部房間的風(fēng)速均值和不均勻系數(shù)進(jìn)行了計(jì)算對(duì)比，結(jié)果如表3所示。

從主要房間的局部風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)來看，陽臺(tái)開窗對(duì)南面主要使用房間的影響規(guī)律類似于對(duì)房屋整體平均風(fēng)速的影響：陽臺(tái)開窗越大，風(fēng)速越大。但陽臺(tái)開窗情況對(duì)南面臥室的影響幅度很小，對(duì)客廳和北面房間的影響較大。從表3中不均勻系數(shù)可以看出，陽臺(tái)開窗對(duì)南北面的幾個(gè)房間影響不大，對(duì)陽臺(tái)直對(duì)的客廳影響較大，因?yàn)殛柵_(tái)開窗情況直接影響“穿堂風(fēng)”效果。

表3 主要房間平均風(fēng)速及不均勻系數(shù)

2.2 空氣齡

空氣齡是指空氣質(zhì)點(diǎn)的空氣齡，是空氣質(zhì)點(diǎn)自進(jìn)入房間至達(dá)到室內(nèi)某點(diǎn)所經(jīng)歷的時(shí)間?？諝恺g反映了室內(nèi)空氣的新鮮程度，它可以綜合衡量房間的通風(fēng)換氣效果，是評(píng)價(jià)室內(nèi)空氣品質(zhì)的重要指標(biāo)。在進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，進(jìn)風(fēng)口的空氣齡為0，空氣齡越大意味著空氣的置換時(shí)間越長(zhǎng)。1.1 m高度處不同工況下房屋的空氣齡分布圖如圖3所示。為了衡量室內(nèi)空氣齡分布的均勻程度，對(duì)圖3中各質(zhì)點(diǎn)空氣齡進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，得到了全屋整體的空氣齡平均值和不均勻系數(shù)以及主要使用房間的平均值和不均勻系數(shù)，分別如表4、表5所示。從圖3和表4可以看出，陽臺(tái)開窗越大，室內(nèi)整體空氣齡越小，通風(fēng)情況越好；開窗面墻角存在局部空氣齡增大的問題；B、C工況下室內(nèi)空氣齡分布較A、D工況下更均勻。

從表5中可以看出，加大陽臺(tái)開窗面積能有效減小房屋局部房間空氣齡，效果顯著；陽臺(tái)開窗情況對(duì)局部房間的空氣齡分布均勻度影響不大；北書房平均空氣齡相對(duì)南面房間較大，但分布更均勻。

圖3 1.1 m高度處不同工況下房屋的空氣齡分布圖

表4 全屋空氣齡平均值及不均勻系數(shù)

工況平均值/min均方差不均勻系數(shù)A8.774.020.39B24.2013.990.58C36.8021.000.34D78.5927.500.35

表5 主要房間空氣齡平均值及不均勻系數(shù)

3 結(jié)論

通過以上對(duì)陽臺(tái)的封閉情況進(jìn)行室內(nèi)風(fēng)場(chǎng)和空氣齡的數(shù)值分析，根據(jù)各種工況下三維流動(dòng)場(chǎng)內(nèi)的速度場(chǎng)和空氣齡場(chǎng)，可以得到以下結(jié)論：該戶型屬于南北通透戶型，在南北面均開窗的情況下，“穿堂風(fēng)”效果明顯。南北面的門窗若能對(duì)齊，“穿堂風(fēng)”增強(qiáng)。對(duì)陽臺(tái)進(jìn)行封閉處理，即使大開窗依然會(huì)減低室內(nèi)的平均風(fēng)速、加大室內(nèi)的平均空氣齡也就是室內(nèi)的空氣置換速度。陽臺(tái)封閉且開窗大小和其他進(jìn)風(fēng)口窗戶大小相近時(shí)，室內(nèi)風(fēng)場(chǎng)最均勻。南開窗房間的自然通風(fēng)效果比北開窗房間要好。