何 軍，張偉林，高 珂，劉曉鳳，張京京

（安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽合肥 230601）

被動(dòng)式建筑空氣齡和熱舒適度的數(shù)值分析

何 軍，張偉林，高 珂，劉曉鳳，張京京

（安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽合肥 230601）

為研究地下室和通風(fēng)井以及通風(fēng)井開口面積對(duì)被動(dòng)式建筑室內(nèi)空氣齡和熱環(huán)境的影響。我們利用計(jì)算流體力學(xué)軟件PHOENICS對(duì)上述情況進(jìn)行模擬研究。 模擬結(jié)果表明：設(shè)置地下室和通風(fēng)井將有利于室內(nèi)空氣品質(zhì)的提升和熱環(huán)境的改善；建筑單獨(dú)設(shè)置通風(fēng)井對(duì)空氣齡的影響較大，對(duì)熱環(huán)境的影響較小 ；當(dāng)通風(fēng)井開口面積與橫截面積之比分別為2/3、1/2、1/3時(shí)，取通風(fēng)井開口面積與橫截面積之比為1/2，則一樓空氣齡和室內(nèi)熱環(huán)境為最佳。

被動(dòng)式建筑，地下室；通風(fēng)井；熱環(huán)境；空氣齡

0 引 言

自然通風(fēng)是指依靠室外風(fēng)力造成的風(fēng)壓和室內(nèi)外空氣溫度差造成的熱壓，促使空氣流動(dòng)，使得建筑室內(nèi)外空氣交換，進(jìn)而提升室內(nèi)空氣品質(zhì)，改善居住環(huán)境[1]。與機(jī)械通風(fēng)相比，自然通風(fēng)作為一種傳統(tǒng)、有效、簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)的調(diào)節(jié)室內(nèi)環(huán)境的建筑手段。2000年，Khedari、Boonsri和Hirunlabh通過實(shí)驗(yàn)研究了太陽能煙囪降低建筑室內(nèi)得熱的可行性以及對(duì)通風(fēng)口風(fēng)速的影響。結(jié)果表明，太陽能煙囪在使用的時(shí)候，房間溫度向周圍環(huán)境的溫度接近，表明太陽能煙囪可以帶走室內(nèi)多余熱量并且確保熱舒適性。通過開窗和開門帶走室內(nèi)多余熱量、確保熱舒適性比使用太陽能煙囪的效率低[2]。2009年，Sompop Punyasompun等調(diào)查研究了一幢運(yùn)用了太陽能煙囪的高層建筑。結(jié)果表明，多樓層建筑運(yùn)用太陽能煙囪可以有效降低能耗；運(yùn)用了太陽能煙囪的建筑其室內(nèi)溫度比為設(shè)置太陽能煙囪的建筑室內(nèi)溫度低5 ℃[3]。

在現(xiàn)代建筑中，自然通風(fēng)更是在優(yōu)化室內(nèi)環(huán)境、節(jié)約能源以及提高人體舒適度方面有著其特有的優(yōu)點(diǎn)。夏季時(shí)，設(shè)計(jì)、構(gòu)造合理的建筑可以利用自然通風(fēng)保證建筑室內(nèi)獲得足夠的新鮮空氣并帶走多余熱量。這種通風(fēng)不需要消耗動(dòng)力，節(jié)省能源，節(jié)省設(shè)備投資和運(yùn)行費(fèi)用，因而是一種經(jīng)濟(jì)有效的節(jié)能方式。但是設(shè)置通風(fēng)井并不是沒有隱患的，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，室內(nèi)空氣溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于室外，此時(shí)煙囪效應(yīng)更加明顯，誘導(dǎo)更多的新鮮空氣進(jìn)入室內(nèi)，加劇了火災(zāi)的危害，這一點(diǎn)需要在設(shè)計(jì)得到考慮。

室內(nèi)自然通風(fēng)形成的主要原因是風(fēng)壓、熱壓差帶動(dòng)室內(nèi)空氣進(jìn)行流動(dòng)[4]。建筑物外部風(fēng)壓、熱壓差以及門窗開孔的形狀、大小和位置對(duì)于室內(nèi)自然通風(fēng)的形成以及通風(fēng)效果有著顯著影響。太陽能煙囪強(qiáng)化室內(nèi)自然通風(fēng)，是利用熱壓實(shí)現(xiàn)室內(nèi)自然通風(fēng)的典型。太陽能煙囪是將煙囪技術(shù)和太陽能熱作用相結(jié)合，利用熱壓通風(fēng)原理實(shí)現(xiàn)建筑室內(nèi)自然通風(fēng)，不需要消耗動(dòng)力，因而屬于被動(dòng)式通風(fēng)。

被動(dòng)式通風(fēng)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)力是風(fēng)和溫度，即風(fēng)壓和熱壓。建筑物室內(nèi)外風(fēng)速和溫度的差異引起室內(nèi)外風(fēng)壓差和熱壓差，由此產(chǎn)生自然通風(fēng)。作用在建筑物上的風(fēng)壓，其大小主要取決于風(fēng)速、風(fēng)向和建筑物形狀。與風(fēng)壓通風(fēng)相比，在常變的和不良的外界風(fēng)環(huán)境下，熱壓通風(fēng)更能適應(yīng)室內(nèi)自然通風(fēng)的需求。設(shè)計(jì)實(shí)用的熱壓通風(fēng)系統(tǒng)能創(chuàng)造良好、舒適的熱環(huán)境，有利于減少對(duì)制熱制冷設(shè)備的使用，為使用者節(jié)約開支，同時(shí)還可以減少“建筑綜合征”的發(fā)生[5-7]。

目前很多學(xué)者對(duì)太陽能煙囪流道內(nèi)的空氣流動(dòng)特性進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)、模擬和理論研究，主要針對(duì)煙囪流道內(nèi)空氣溫度變化和流速變化情況以及通風(fēng)量進(jìn)行相關(guān)研究，而針對(duì)地下室和通風(fēng)井對(duì)建筑通風(fēng)效果的研究較少。本文將通過被動(dòng)房是否設(shè)置地下室、通風(fēng)井以及通風(fēng)井開口面積的變化，研究三者對(duì)被動(dòng)房室內(nèi)自然通風(fēng)的影響。

1 空氣齡和熱舒適度指標(biāo)

空氣齡是指空氣質(zhì)點(diǎn)自進(jìn)入房間至到達(dá)室內(nèi)某點(diǎn)所經(jīng)歷的時(shí)間，可以通過它綜合分析房間的室內(nèi)空氣的新鮮程度和通風(fēng)換氣效果，是評(píng)價(jià)建筑室內(nèi)空氣品質(zhì)的重要指標(biāo)。

熱舒適度是指人們從生理上與心理上對(duì)熱環(huán)境的滿意程度的綜合評(píng)價(jià)。同時(shí)個(gè)體差異會(huì)對(duì)同一熱舒適度呈現(xiàn)不同結(jié)果，因此熱舒適度受各種因素及條件的影響。影響熱舒適度的主要因素有六種：室內(nèi)風(fēng)速、人體活動(dòng)量、衣著情況、空氣濕度、空氣溫度以及熱輻射溫度[8]。

目前最通用的評(píng)價(jià)和描述熱環(huán)境的指標(biāo)是Fanger 提出的PMV-PPD指標(biāo)。PMV(預(yù)測(cè)平均投票)是人體熱感覺的度量尺度，反映了同一環(huán)境下絕大多數(shù)人的冷熱感覺。根據(jù)人體熱感覺不同，P M V劃分為7個(gè)標(biāo)尺，如表1所示。P M V值=0的情況下熱環(huán)境滿足大多數(shù)人對(duì)冷熱的要求，但是由于個(gè)體之間心理、生理之間的差異，仍有少數(shù)人對(duì)該熱環(huán)境不滿意，因此提出預(yù)測(cè)不滿意百分率PPD，以表示人群對(duì)該熱環(huán)境的不滿意程度。

表1 人體熱感覺

本文用熱舒適評(píng)價(jià)指標(biāo)PMV-PPD來分析合肥地區(qū)被動(dòng)式建筑在夏季自然通風(fēng)狀態(tài)下的室內(nèi)熱舒適狀況。Fanger熱舒適度計(jì)算公式如下：

其中，M為人體新陳代謝產(chǎn)熱率；W為人體活動(dòng)需熱率；H為干熱損失；Ec為皮膚蒸發(fā)換熱；Cres為呼吸對(duì)流換熱；Eres為呼吸對(duì)流換熱。

PPD和PMV值的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖1。

圖1 PPD值和PMV值的對(duì)應(yīng)關(guān)系

2 模擬分析

2.1 計(jì)算模型設(shè)計(jì)

通過以某被動(dòng)式示范建筑是否有地下室、通風(fēng)井，以及通風(fēng)井的大小這三個(gè)因素為變量，利用PHOENICS軟件分析三者對(duì)室內(nèi)空氣質(zhì)量和熱環(huán)境的影響。所選模型幾何尺寸為20.9 m×11.4 m×14.4 m；層數(shù)為二層，樓層高為3.8 m；通風(fēng)井高度為6.8 m，本案所用通風(fēng)井具備采光功能，故寬度設(shè)置為2.4 m。模型計(jì)算時(shí)，忽略外墻兩側(cè)的門窗，如圖2。

PHOENICS是由英國(guó)CHAM公司開發(fā)的世界上第一套計(jì)算流體與計(jì)算傳熱學(xué)商業(yè)CFD （Computational Fluid Dynamics）軟件，可以模擬計(jì)算流動(dòng)、傳熱、化學(xué)反應(yīng)以及燃燒過程。與其他CFD軟件相比，PHOENICS的設(shè)計(jì)理念是最大限度地向用戶開放程序，使得用戶可以根據(jù)工程需要任意修改添加用戶程序和用戶模型，最大程度地方便用戶解決多種多樣的工程難題；在模型選擇方面，PHOENICS向用戶提供20多種湍流模型、燃燒模型、多種多相流模型、輻射模型、多流體模型供用戶選擇。PHOENICS針對(duì)不同領(lǐng)域?yàn)槠溟_發(fā)了專用模塊，以滿足不同使用需要，如用于暖通建筑行業(yè)的FLAIR模塊和用于電子元件散熱的HOTBOX模塊。

圖2 模型示意圖

2.2 工況設(shè)置

通過對(duì)有無地下室、有無通風(fēng)井以及通風(fēng)井開口面積的大小這三個(gè)因素來設(shè)置模擬工況。因本文主要研究通風(fēng)井和地下室對(duì)建筑在無風(fēng)、通風(fēng)不良情況下的影響，根據(jù)“蒲福風(fēng)級(jí)”的定義（無風(fēng)時(shí)，風(fēng)級(jí)為0，距離地面10 m處風(fēng)速為0~0.2 m/s，陸地上煙氣垂直上升，海面上平靜如鏡），故設(shè)置距離地面1.5 m處最大來流風(fēng)速為0.1 m/s。各工況如表2所示。

表2 工況設(shè)置

以上各工況來流風(fēng)采用風(fēng)向垂直門口所在墻體的均勻流，環(huán)境溫度為30 ℃。地下室對(duì)室內(nèi)的四個(gè)開口位于一層客廳和會(huì)議室南北外墻下，方向垂直于樓地面，大小分別為2.0 m×0.2 m、1.5 m×0.2 m、1.0 m×0.2 m、1.5 m×0.2 m，合計(jì)開口面積為1.2 ㎡，溫度為18 ℃。通風(fēng)井東、南、西三個(gè)壁面分別設(shè)置100 W/㎡、700 W/㎡、100 W/㎡的熱流密度。建筑墻體熱工設(shè)置為絕熱。

2.3 數(shù)值模擬與分析

本文采用空氣齡、PMV-PPD指標(biāo)分別來評(píng)價(jià)被動(dòng)式建筑室內(nèi)空氣狀況和室內(nèi)熱環(huán)境。計(jì)算各種工況下測(cè)點(diǎn)處PMV、PPD、風(fēng)速、空氣齡，各個(gè)工況設(shè)置計(jì)算步數(shù)為1000步。所有云圖均是取自人行高度即1.5 m高度處，一樓監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于起居室中央，二樓監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于客臥室中央，相關(guān)云圖見圖3~圖8，相關(guān)數(shù)據(jù)如表3。

圖3 工況1云圖

圖4 工況2云圖

圖5 工況3云圖

圖6 工況4云圖

圖7 工況5云圖

圖8 工況6云圖

表3模擬結(jié)果

模擬顯示，夏季時(shí)有無地下室對(duì)空氣齡和室內(nèi)熱環(huán)境的影響較為明顯。設(shè)置地下室的建筑物一樓室內(nèi)，測(cè)點(diǎn)處空氣齡從1792.16 4 s改善到262.279 s，PMV值從不舒適值1.734改善到舒適值-0.074。說明夏季時(shí)地下室能明顯改善一樓房間的空氣品質(zhì)和舒適度。

夏季晴天,無風(fēng)或者建筑通風(fēng)不良時(shí)，未設(shè)置通風(fēng)井的建筑因風(fēng)壓較小，建筑室內(nèi)實(shí)際的通風(fēng)效果差，室內(nèi)空氣品質(zhì)差，熱舒適度差，不滿意度高。設(shè)置通風(fēng)井的建筑，因熱壓的存在，室內(nèi)自然通風(fēng)得到明顯的改善，測(cè)點(diǎn)處風(fēng)速和平均風(fēng)速均增加，空氣齡下降，室內(nèi)空氣品質(zhì)上升，熱舒適度提高，不滿意度下降。

對(duì)通風(fēng)井開口面積研究表明，在來流風(fēng)速為零的條件下，當(dāng)通風(fēng)井開口面積與截面積之比由2/3減少到1/2時(shí)，一樓測(cè)點(diǎn)風(fēng)速和平均風(fēng)速無明顯變化，測(cè)點(diǎn)空氣齡和平均空氣齡增加，測(cè)點(diǎn)處PPD值和平均PPD值下降，測(cè)點(diǎn)PMV值和平均PMV值更接近PMV=0處，即更加舒適。二樓測(cè)點(diǎn)風(fēng)速和平均風(fēng)速無明顯變化；測(cè)點(diǎn)空氣齡增大較多，平均空氣齡無明顯變化；測(cè)點(diǎn)PPD值增加較小，平均PPD值減少較多；測(cè)點(diǎn)處PMV值絕對(duì)值增大，平均PMV值絕對(duì)值減少。

3 結(jié)論

（1）對(duì)有通風(fēng)井的被動(dòng)式示范建筑同時(shí)有地下室的模擬結(jié)果可以看出，夏季室內(nèi)空氣齡和熱環(huán)境得到了明顯的改善，提高了室內(nèi)空氣品質(zhì)，優(yōu)化了居住環(huán)境。

（2）單獨(dú)設(shè)置通風(fēng)井的建筑可對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的影響較小，但是對(duì)空氣品質(zhì)的提升明顯，強(qiáng)化了無風(fēng)或者通風(fēng)不良時(shí)，建筑內(nèi)部的自然通風(fēng)。

（3）在關(guān)閉外墻門窗，通風(fēng)井開口面積與截面積之比取為1/2，則一樓空氣品質(zhì)和熱環(huán)境為最佳。

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Numerical Simulation Research of Passive Building on Air Age and Thermal Comfort

HE Jun, ZHANG Weilin, GAO Ke, LIU Xiaofeng, ZHANG Jingjing

To study the impact of basement,ventilation shaft and opening area of ventilation shaft of passive building on indoor air age and thermal environment.we use CFD software PHOENICS to study the above situations.The results show that: the air age and indoor thermal environment of the passive building with basement and ventilation shaft are improved. The impact of building setting ventilation shaft alone on air age is big,but that on thermal environment is small.When the ratios of the opening area of ventilation shaft to its cross-sectional area are repectivery two-thirds, half and one third,the air age and indoor thermal environment of the first floor is best when the ratio is half.

passive house,basement,ventilation shaft,thermal environment,air age

TU834.1

A

2095-8382(2016)06-079-05

10.11921/j.issn.2095-8382.20160617

2016-03-08

“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題（2011BAJ03B04）。

何軍（1990-），男，碩士研究生，研究方向：建筑節(jié)能。

(School of Civil Engineering, Anhui Jianzhu University, HeFei, 230601, China)