王燁, 孫鵬寶, 胡文婷, 王靖文

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不同壁面邊界條件下冬季自然通風(fēng)數(shù)值研究

王燁1,2, 孫鵬寶1, 胡文婷1, 王靖文1

(1.蘭州交通大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.蘭州交通大學(xué) 鐵道車輛熱工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730070)

為獲得建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱邊界條件對冬季自然通風(fēng)數(shù)值結(jié)果的影響，本文對蘭州地區(qū)某地板供暖民用住宅圍護(hù)結(jié)構(gòu)分別實(shí)施等熱流和等壁溫邊界條件，采用FLUENT軟件中的Realizablek-ε湍流模型，對不同邊界條件下的自然通風(fēng)及室內(nèi)污染物濃度場進(jìn)行了對比分析。結(jié)果表明：同一開窗方式時(shí)，等熱流和等壁溫邊界條件對不同時(shí)段的通風(fēng)時(shí)長的確定幾乎沒有影響；進(jìn)風(fēng)溫度不同，不同壁面熱邊界條件下通風(fēng)效率的計(jì)算結(jié)果存在較大差異，不同房間內(nèi)污染物的時(shí)空分布變化并不一致；等壁溫邊界條件所得室內(nèi)PMV值比等熱流所得室內(nèi)PMV值偏低，進(jìn)風(fēng)溫度越高，這一影響越顯著。

自然通風(fēng)；非穩(wěn)態(tài)傳熱；地板供暖；熱邊界條件；室內(nèi)空氣質(zhì)量；通風(fēng)效率；數(shù)值模擬

數(shù)值模擬技術(shù)由于其高效、快捷的優(yōu)勢已被廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域的科學(xué)研究中。而邊界條件設(shè)置合理與否，對于數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性非常關(guān)鍵。在強(qiáng)化傳熱技術(shù)及其工程應(yīng)用的研究中，由于強(qiáng)化傳熱的最終目標(biāo)是提高傳熱效率，系統(tǒng)所涉及的固壁往往是導(dǎo)熱系數(shù)很高的材料，計(jì)算結(jié)果對邊界條件的敏感性很高[1-4]。文獻(xiàn)[5]以翅片效率為評價(jià)指標(biāo)得到了翅片管換熱器數(shù)值設(shè)計(jì)中對翅片表面實(shí)施不同熱邊界的具體條件。而建筑節(jié)能技術(shù)領(lǐng)域中的傳熱問題主要目標(biāo)則是降低圍護(hù)結(jié)構(gòu)等位置的傳熱量，對相關(guān)問題的數(shù)值研究也存在邊界條件的設(shè)置問題。

近年來，隨著國家對建筑節(jié)能目標(biāo)的不斷提升，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱惰性越來越大，室內(nèi)環(huán)境參數(shù)對室外環(huán)境參數(shù)變化的敏感性也趨于降低。文獻(xiàn)[6]對實(shí)際氣候條件下的不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)耦合熱濕傳遞過程進(jìn)行了數(shù)值和實(shí)驗(yàn)研究。文獻(xiàn)[7]在非穩(wěn)定傳熱條件下研究了具有多層結(jié)構(gòu)的混凝土地板系統(tǒng)中各組成層的厚度、數(shù)量、位置等對地板傳熱延遲效應(yīng)的影響。文獻(xiàn)[8]分別在恒定和變化的邊界條件下，研究了濕傳遞過程對建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度的影響，發(fā)現(xiàn)如果考慮這一熱質(zhì)傳遞過程，會(huì)對室內(nèi)空氣起到冷卻作用。文獻(xiàn)[9]對不同地板溫度、墻體內(nèi)表面溫度、窗戶尺寸等條件下的地板供暖和集中供暖室內(nèi)熱環(huán)境進(jìn)行了數(shù)值分析，對比了兩種供暖方式下室內(nèi)溫度場的均勻性以及忽視輻射換熱所導(dǎo)致的誤差。但關(guān)于寒冷地區(qū)冬季自然通風(fēng)數(shù)值模擬中壁面熱邊界條件對計(jì)算結(jié)果的影響研究，還未見報(bào)道。

本文以蘭州某民用住宅為研究對象，采用非穩(wěn)態(tài)傳熱方法計(jì)算得到了通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱流密度及內(nèi)壁面溫度，分別作為壁面熱邊界條件，對冬季自然通風(fēng)進(jìn)行了數(shù)值分析。

1 物理模型和數(shù)學(xué)模型

1.1 物理模型

所研究住宅平面格局如圖1所示，位于8層建筑的中間樓層，輪廓尺寸為：X×Y×Z=10.5m×13.2m×2.9m。其中，1#南側(cè)為客廳、北側(cè)為餐廳，2#、3#、4#房間均為臥室，C1、C2、C3、C4均為外窗。外墻傳熱系數(shù)K=0.46W/(m2·K)，窗戶傳熱系數(shù)Kc=2.2W/(m2·K)，采用地板供暖。

圖1 計(jì)算房間平面示意圖Fig. 1 Physical model of the calculating room

1.2 數(shù)學(xué)模型

自然通風(fēng)時(shí)室內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)屬于非穩(wěn)態(tài)湍流流動(dòng)，控制方程的通用形式為[11]

(1)

式中：通用變量φ的含義及相關(guān)系數(shù)取值見文獻(xiàn)[12]?？諝鉃椴豢蓧嚎s流動(dòng)，密度變化采用Boussinesq假設(shè)。

1.3 邊界條件

1) 入口與出口邊界：將北外窗C1、C2設(shè)為流動(dòng)入口邊界，進(jìn)風(fēng)速度取0.4m/s[13]，進(jìn)風(fēng)溫度取不同通風(fēng)時(shí)段內(nèi)的室外空氣平均溫度；排風(fēng)口C3、C4設(shè)為自由出流出口邊界條件[12]。

2) 壁面邊界：氣固交界面的空氣流動(dòng)取速度無滑移條件。

3) 熱邊界設(shè)置：將通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱流密度平均值設(shè)為該通風(fēng)時(shí)段內(nèi)的等熱流邊界條件，具體數(shù)值見文獻(xiàn)[14]，同一通風(fēng)時(shí)段內(nèi)圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度值見表1。地板供暖的熱流密度為45W/m2。內(nèi)墻、天花板均設(shè)為絕熱邊界。

4) 污染源條件設(shè)置：C7H8沿地板外法線方向向上均勻散發(fā)，根據(jù)文獻(xiàn)[15]對室內(nèi)C7H8允許濃度規(guī)定，結(jié)合散發(fā)時(shí)長以及房間體積，可求得散發(fā)速率為5×10-9kg/s。本文4個(gè)通風(fēng)時(shí)段自然通風(fēng)數(shù)值模擬所需污染物的初始條件確定方法與文獻(xiàn)[12]同。

表1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度

Table1Innersurfacetemperatureofthebuildingenvelopes

圍護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)刻11:0013:0015:0017:00東墻內(nèi)表面17.0517.0717.0917.12西墻內(nèi)表面17.0317.0317.0617.06南墻內(nèi)表面17.0817.1017.1417.19北墻內(nèi)表面17.0017.0117.0317.07南窗內(nèi)表面15.9316.7516.3614.92北窗內(nèi)表面14.6715.4415.5614.86

2 數(shù)值求解方法

2.1 網(wǎng)格劃分及獨(dú)立性驗(yàn)證

對計(jì)算區(qū)域進(jìn)行離散時(shí)考慮進(jìn)、排風(fēng)口處流動(dòng)參數(shù)的高梯度變化，對這些區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行了局部加密處理。網(wǎng)格獨(dú)立性已在文獻(xiàn)[12]中得到了保證。

2.2 數(shù)值方法

求解控制方程時(shí)，速度和壓力耦合問題采用了SIMPLE算法[16]；動(dòng)量方程、能量方程、湍流動(dòng)能方程、湍流動(dòng)能耗散率方程均采用二階迎風(fēng)格式離散。求解控制方程時(shí)的收斂條件與文獻(xiàn)[14]同。

2.3 模擬工況

文獻(xiàn)[14]的研究表明：從舒適性的角度考慮，窗戶C1、C2、C3的開啟度均為0.1m寬(關(guān)閉窗戶C4)時(shí)為最佳通風(fēng)工況[12]。為對比分析不同通風(fēng)時(shí)段在不同壁面熱邊界條件下的室內(nèi)相關(guān)參數(shù)分布，采用這一窗戶開關(guān)方式，增加13:00、15:00、17:00為另外3個(gè)通風(fēng)時(shí)段的起始時(shí)刻，從而組成4個(gè)對比通風(fēng)工況，如表2所示。采用與文獻(xiàn)[14]相同的通風(fēng)工況確定原則，經(jīng)計(jì)算可得各工況通風(fēng)時(shí)長為：

1) 等熱流邊界：工況1、2、3、4通風(fēng)時(shí)長分別為51.0、54.6、56.8、58.6min；

2) 等壁溫邊界：工況1、2、3、4通風(fēng)時(shí)長分別為52.5、55.0、58.3、58.4min。

表2 自然通風(fēng)模擬工況

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 通風(fēng)效率對比

根據(jù)式(2)可對不同通風(fēng)時(shí)長時(shí)室內(nèi)污染物的排除效果進(jìn)行評價(jià)：

(2)

式中:η為通風(fēng)效率；Cg為工作區(qū)平均濃度，kmol/m3；CP為排風(fēng)口濃度，kmol/m3；CS為進(jìn)風(fēng)口濃度，kmol/m3。

對于工況1～4，Cg取Z=1.1m平面上的C7H8平均濃度值，同樣的方法得到排風(fēng)口對應(yīng)時(shí)長的污染物平均濃度CP，取CS=0。圖2為進(jìn)風(fēng)溫度最低的工況1和進(jìn)風(fēng)溫度最高的工況3在兩種熱邊界條件下的通風(fēng)效率計(jì)算結(jié)果。

圖2 通風(fēng)效率比較Fig.2 Comparison of ventilation efficiency

對于工況1，等熱流邊界條件時(shí)，通風(fēng)效率隨時(shí)間由較快上升變?yōu)榫徛陆担缺跍剡吔鐥l件時(shí)，通風(fēng)10min后通風(fēng)效率變化較平坦，基本上維持在95%左右。對于工況3，等熱流邊界條件下通風(fēng)效率隨時(shí)間呈現(xiàn)出了先上升后下降的趨勢，轉(zhuǎn)折點(diǎn)在17.5min左右，等壁溫條件下通風(fēng)效率隨時(shí)間呈現(xiàn)出了下降的趨勢，而且，通風(fēng)12.5min后其值均低于等熱流的情況。兩工況的進(jìn)風(fēng)溫度不同，空氣的運(yùn)動(dòng)粘性不同，經(jīng)計(jì)算得到工況3的雷諾數(shù)為工況1的雷諾數(shù)的0.97倍，這意味著工況1中慣性力對流動(dòng)的主導(dǎo)作用較工況3更為明顯，而污染物的擴(kuò)散、遷移過程與流體的流動(dòng)狀態(tài)、溫度分布密切相關(guān)。所以，無論哪種邊界條件，工況1時(shí)室內(nèi)污染物遷移的速率要大于工況3，體現(xiàn)為排風(fēng)口污染物濃度與工作區(qū)濃度的相對比值也比工況3高。這也正是速度場、溫度場與污染物濃度場間存在強(qiáng)烈耦合關(guān)系的體現(xiàn)。

工況1在兩種壁面熱邊界條件下的通風(fēng)效率差異要遠(yuǎn)大于工況3的情況，這說明壁面熱邊界條件對不同的進(jìn)風(fēng)溫度下通風(fēng)效率的影響程度不同。進(jìn)風(fēng)溫度是通風(fēng)過程中室外的即時(shí)空氣溫度以直接的熱/質(zhì)交換的方式影響室內(nèi)流場、溫度場和污染物濃度場，而通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱流密度和內(nèi)壁面溫度則是室外氣象參數(shù)經(jīng)過圍護(hù)結(jié)構(gòu)的衰減、延遲效應(yīng)后以邊界條件的方式來影響室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的。這就引發(fā)這樣一個(gè)工程實(shí)際問題：對于冬季這樣短時(shí)間自然通風(fēng)對室內(nèi)空氣品質(zhì)改善效果的評價(jià)中，采用哪種邊界條件更客觀、更合理。

3.2 污染物濃度場對比

圖3為工況1和工況3在進(jìn)風(fēng)窗口中軸線(X=1.15m)縱截面上C7H8濃度分布比較。對于工況1，兩種壁面熱邊界條件下表現(xiàn)出了相似的污染物分布特征：沿地面外法線方向，C7H8濃度由低到高呈層狀分布，地面附近區(qū)域C7H8濃度梯度較大。但等壁溫條件下該截面上的污染物濃度水平明顯要高于等熱流時(shí)的情況，南墻實(shí)施等壁溫條件時(shí)導(dǎo)致來自北墻的“冷氣湖”范圍有所縮小，在北外墻上部和天花板所成的角落處所形成的污染物滯留現(xiàn)象也明顯要比等熱流條件時(shí)顯著。這與不同壁面熱邊界條件導(dǎo)致的熱滯留區(qū)的溫度場特征有關(guān)。對于工況3，等壁溫條件下該截面的污染物分布更趨均勻，南外墻和地面所成的污染物低濃度區(qū)域遠(yuǎn)小于等熱流的情況，這是室內(nèi)流場與污染物濃度場間耦合關(guān)系的體現(xiàn)。無論哪種邊界條件，工況3的污染物濃度均高于對應(yīng)邊界條件下工況1的污染物濃度水平，這是因?yàn)檫M(jìn)入室內(nèi)較高溫度的空氣與室內(nèi)污染物的動(dòng)量交換更加充分，加劇了污染物的擴(kuò)散速率。這也是冬季自然通風(fēng)中對通風(fēng)時(shí)段進(jìn)行選擇必須考慮的問題。

圖3 X=1.15 m截面C7H8濃度場 Fig.3 C7H8 concentration profile in X=1.15 m section

圖4為不同壁面邊界條件時(shí)工況1和工況3在Y=3.0m橫截面(包含了3#房間、4#房間以及客廳部分區(qū)域)上的C7H8濃度分布比較。對于工況1，由圖4(a)、(b)可知，在等熱流邊界條件時(shí)1#房間形成了明顯的污染物分層現(xiàn)象，而等壁溫條件時(shí)污染物分層有所減弱。而且，等壁溫條件時(shí)1#房間內(nèi)的污染物分布更趨均勻。兩種邊界條件所得1#房間內(nèi)污染物濃度均未超過室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求的上限值2.17×10-9kmol/m3。4#房間內(nèi)的污染物濃度在等壁溫條件下比等熱流條件下更趨均勻，沿高度方向污染物濃度水平也低于等熱流情況。3#房間靠近地面區(qū)域的污染物濃度梯度在等壁溫條件下要低于等熱流條件下的值，靠近天花板附近區(qū)域在等壁溫條件下未發(fā)現(xiàn)漩渦區(qū)導(dǎo)致的污染物集聚現(xiàn)象。顯然，相比于等熱流壁面邊界條件，等壁溫壁面邊界條件的實(shí)施使得1#房間內(nèi)該截面上的污染物濃度整體上偏高，而使得3#和4#房間內(nèi)該截面上的污染物濃度整體上偏低。

對于工況3，由圖4(c)、(d)可知，在等壁溫邊界條件時(shí)1#房間內(nèi)污染物濃度比等熱流邊界條件時(shí)的污染物濃度整體上有所偏高。而等壁溫邊界條件時(shí)3#房間、4#房間內(nèi)污染物濃度比等熱流邊界條件時(shí)的污染物濃度整體上有所偏低，這與工況1的情況一致。而且，相比于等熱流邊界條件，等壁溫邊界條件時(shí)3#房間、4#房間內(nèi)污染物分布更趨均勻。

圖4 Y=3.0 m截面C7H8濃度場 Fig.4 C7H8 concentration profile in Y=3.0 m section

圖5為不同壁面邊界條件時(shí)，工況1在Z=1.1m水平面上的C7H8濃度分布比較?？梢钥闯?，等熱流邊界條件時(shí)，靠近客廳西墻附近區(qū)域C7H8濃度沿著墻體呈帶狀分布。這是因?yàn)槭彝獾牡蜏貧怏w進(jìn)入室內(nèi)后，絕大部分很快下沉并與地面附近的污染物進(jìn)行熱質(zhì)交換，只有少部分氣體在客廳西北角落處形成了回流區(qū)，與主流區(qū)新鮮空氣的熱質(zhì)交換遠(yuǎn)不及其他區(qū)域充分[14]。所以，隨著低溫氣體自北朝南方向運(yùn)動(dòng)，有一部分污染物便被“壓制”在了回流區(qū)及客廳西墻附近區(qū)域[17]。但等壁溫邊界條件時(shí)卻沒有捕捉到回流區(qū)及其對污染物空間分布的這一影響特征。兩種壁面邊界條件時(shí)客廳絕大部分區(qū)域空氣質(zhì)量符合文獻(xiàn)[15]要求。

2#房間內(nèi)污染物的分布受壁面邊界條件影響較弱，兩種壁面邊界條件時(shí)2#房間絕大部分區(qū)域污染物濃度分布均勻，且未超過室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求的上限值2.17×10-9kmol/m3。

相比較等熱流邊界條件，等壁溫條件更明顯地捕捉到了4#房間北墻內(nèi)側(cè)的污染物集聚特征，這可能與溫度場以及該區(qū)域的回流對污染物擴(kuò)散過程影響有關(guān)[14]。但兩種壁面邊界條件下4#房間內(nèi)污染物濃度均未超標(biāo)。

3#房間內(nèi)污染物的分布受壁面邊界條件影響顯著：等熱流邊界條件時(shí)3#房間內(nèi)污染物濃度梯度大，流場結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而等壁溫邊界條件時(shí)該房間內(nèi)污染物濃度分布較均勻。

圖6為不同壁面邊界條件時(shí)工況3在Z=1.1m水平面上的C7H8濃度分布比較。

由圖6可以看出，等熱流邊界條件時(shí)，客廳西北角落處污染物集聚顯著，污染物濃度自北向南呈現(xiàn)出了明顯的遞減特征。而等壁溫條件時(shí)則捕捉到了新風(fēng)進(jìn)入后向兩側(cè)的回流結(jié)構(gòu)，致使在客廳的東北角落處也有污染物集聚，污染物濃度自北向南更趨均勻，其值整體上要高于等熱流情況。壁面邊界條件對2#房間內(nèi)污染物的分布影響顯著：等熱流邊界條件時(shí)2#房間污染物高濃度區(qū)域在靠近東南角處，且已超標(biāo)，而等壁溫邊界條件時(shí)2#房間內(nèi)的污染物濃度整體上有較大幅度下降，捕捉到了房間西北角落處的冷空氣回流現(xiàn)象。等熱流壁面邊界條件時(shí)，3#和4#房間內(nèi)污染物濃度差異很小且均未超標(biāo)，而等壁溫邊界條件的實(shí)施使得4#房間內(nèi)該截面上的污染物濃度整體上偏低，同時(shí)捕捉到了4#房間東南角處的漩渦。

綜上，同一通風(fēng)工況，實(shí)施不同壁面熱邊界條件時(shí)，不同房間內(nèi)污染物分布變化并不一致。

圖5 Z=1.1 m截面C7H8濃度場(工況1) Fig.5 C7H8 concentration profile in Z=1.1 m section (case 1)

圖6 Z=1.1 m截面C7H8濃度場(工況3) Fig.6 C7H8 concentration profile in Z=1.1 m section (case 3)

3.3 舒適性評價(jià)比較

舒適性是居住者對客觀環(huán)境的主觀反映，是室內(nèi)流場、溫度場、相對濕度以及居住者自身?xiàng)l件綜合作用的結(jié)果[14]。

通常采用預(yù)測平均值PMV指標(biāo)對住宅內(nèi)熱舒適性進(jìn)行評價(jià)，按下式確定：

PMV=(0.303e-0.036M+0.028){M-W-3.05×10-3×

[5 733-6.99(M-W)-Pa]-0.42(M-W-

58.15)-1.7×10-5M(5 867-Pa)-0.001 4×

M(307-Ta)-3.96×10-8fcl(Tskin4-Tr4)-

fclhc(Tskin-Ta)}

(3)

式中：M為人體代謝率，W/m2，人體靜坐時(shí)取58.15W/m2；W為人體所做機(jī)械功，取0；Pa為水蒸氣分壓力，Pa，按下式確定：

Pa=1 000φaexp[16.653 6-4 030.183/(Ta-38)]

(4)

式中：φa為相對濕度，%；Ta為室內(nèi)空氣溫度，K；fcl為穿衣人體與裸體表面積之比，%，按下式確定：

fcl=1+0.15Icl

(5)

式中：Icl為服裝熱阻，冬季一般取1clo；Tskin為著裝人體外表面平均溫度，K；Tr為室內(nèi)平均輻射溫度，K；hc為對流換熱系數(shù)，W/(m2·K)。hc按下式確定：

(6)

式中：v為空氣流速，m/s。

不滿意百分比預(yù)測指標(biāo)PPD與PMV關(guān)系如下

PPD=

100-95exp(-(0.033 53PMV4+0.217 9PMV2))

(7)

圖7給出了工況1～4沿房間高度不同水平面上的舒適性評價(jià)結(jié)果。圖中顯示兩種工況的舒適性變化規(guī)律相似：PMV值沿房間高度方向逐漸增大，這與室內(nèi)溫度分層密切相關(guān)。根據(jù)PMV-PPD的熱舒適評價(jià)指標(biāo)及ISO7730標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，同時(shí)考慮我國的實(shí)際經(jīng)濟(jì)狀況，取PPD≤20%[18-19]，此時(shí)對應(yīng)的PMV= -0.75～+0.75。所以，根據(jù)我國對舒適性要求的PMV值以及文獻(xiàn)[18]中關(guān)于熱感覺的7級(jí)標(biāo)度(-3冷，-2涼，-1稍涼，0不冷不熱，+l稍暖，+2暖，+3熱)的規(guī)定，在等熱流邊界條件時(shí)，工況1通風(fēng)過程的PMV值自0.1～1.7m高度間均小于0，在等壁溫邊界條件時(shí)PMV值均小于-0.5，兩者間差異較?。还r3在等熱流邊界條件時(shí)在0.1～1.7m高度間-0.3

圖7 PMV平均值比較 Fig. 7 Comparison of average value of PMV in vertical direction

綜上，采用等壁溫邊界條件所得兩種工況下的PMV值均偏低，但對工況1的評價(jià)結(jié)果影響較小，而對工況3的評價(jià)結(jié)果影響顯著。這種由于邊界條件引起的評價(jià)結(jié)果的差異，對于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的方案論證非常關(guān)鍵。具體到工程應(yīng)用方面，就是優(yōu)先考慮主要功能的房間內(nèi)參數(shù)的變化，兼顧次要房間，利用實(shí)驗(yàn)方法獲得各圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱參數(shù)，根據(jù)這些參數(shù)的時(shí)空變化規(guī)律判斷屬于哪一種類型的邊界更合理，然后將這種邊界條件在數(shù)值模擬中給予實(shí)施，就會(huì)得到更接近物理實(shí)際的預(yù)測結(jié)果。

3.4 本文研究局限性分析

寒冷地區(qū)住宅冬季主要依靠冷風(fēng)滲透的方式實(shí)現(xiàn)通風(fēng)換氣。自然通風(fēng)是在保證室內(nèi)采暖溫度和舒適性前提下改善室內(nèi)空氣品質(zhì)的一種措施。本文研究旨在比較數(shù)值模擬中不同壁面邊界條件對計(jì)算結(jié)果的影響。通風(fēng)期間進(jìn)入室內(nèi)的新風(fēng)量會(huì)引起熱負(fù)荷增加。本文確定的幾種方案的通風(fēng)時(shí)長是同時(shí)考慮室內(nèi)采暖溫度下限值和污染物濃度上限值雙重條件得到的，而且，未考慮通風(fēng)期間的圍護(hù)結(jié)構(gòu)冷風(fēng)滲透對室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的影響。所以，實(shí)際情況下的通風(fēng)時(shí)長可能會(huì)比本文所得結(jié)果短，窗戶開度也要根據(jù)居住者的實(shí)際感受來調(diào)節(jié)，以免過多的冷風(fēng)進(jìn)入室內(nèi)引起室內(nèi)溫度急劇下降導(dǎo)致居住者的不適感。本文采用數(shù)值模擬的方法研究自然通風(fēng)對住宅冬季室內(nèi)空氣質(zhì)量的改善效果，只是一種理論上的探索，要將所得結(jié)論用于工程實(shí)際，還必須從現(xiàn)場測試中獲得大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及經(jīng)驗(yàn)性操作方式，形成適合于當(dāng)?shù)貧夂驐l件的自然通風(fēng)模式。

4 結(jié)論

采用Realizablek-ε模型數(shù)值分析了不同壁面熱邊界條件對蘭州某民用住宅冬季自然通風(fēng)相關(guān)參數(shù)的影響，得到了如下主要結(jié)論：

1) 冬季自然通風(fēng)數(shù)值模擬中，壁面熱邊界條件對不同通風(fēng)時(shí)段的通風(fēng)時(shí)長確定幾乎沒有影響。

2) 等壁溫邊界條件所得通風(fēng)效率比等熱流所得通風(fēng)效率偏低，對進(jìn)風(fēng)溫度較低工況的影響要大于對進(jìn)風(fēng)溫度較高工況的影響。

3) 同一通風(fēng)工況，實(shí)施不同壁面熱邊界條件時(shí)，不同房間內(nèi)污染物分布變化并不一致。

4) 等壁溫邊界條件所得室內(nèi)PMV值比等熱流所得室內(nèi)PMV值偏低，對進(jìn)風(fēng)溫度較低工況的影響要小于對進(jìn)風(fēng)溫度較高工況的影響。

5) 建筑自然通風(fēng)數(shù)值模擬中，如何合理設(shè)置邊界條件決定計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況接近的程度。這需要大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)做支撐，這也是我們下一步要做的工作。

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Numericalstudyonthenaturalventilationinwinterunderdifferentwallboundaryconditions

WANGYe1,2,SUNPengbao1,HUWenting1,WANGJingwen1

(1.SchoolofEnvironmentalandMunicipalEngineering,LanzhouJiaotongUniversity,Lanzhou730070,China; 2.KeyLaboratoryofRailwayVehicleThermalEngineering,MinistryofEducationofChina,LanzhouJiaotongUniversity,Lanzhou730070,China)

Tostudytheinfluenceofthermalboundaryconditionsofbuildingenvelopeonthenumericalresultsofnaturalventilationinwinter,theboundaryconditionsoftheuniformheatfluxandtheuniformwalltemperatureareappliedforthesurroundingstructureofaresidenceapplyingfloorheatinginaregionofLanzhou.Therealizablek-εturbulentmodelintheFLUENTsoftwareisadoptedtonumericallyanalyzethenaturalventilationandthepollutantconcentrationfield.Theresultsshowthattheventilationtimeisbarelyaffectedbythewallboundaryconditionsunderthesamewindow-openedsituation.However,thenumericalresultsoftheventilationefficiencyandtheindoorpollutantprofilearesignificantlyaffectedbythewallboundaryconditions.Thepredictedmeanvote(PMV)valueoftheuniformwalltemperatureforthesamewindowsituationandadifferentinletairtemperatureislowerthanthatoftheuniformheatflux.Moreover,theinfluenceofthewallboundaryconditiononthePMVvalueismoresignificantfortheinletairwithahighertemperature.

naturalventilation;unsteadyheattransfer;floorheating;thermalboundarycondition;indoorairquality;ventilationefficiency;numericalsimulation

2015-09-09.

日期：2016-09-28.

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51266004,51476073)；甘肅省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(1308RJZA151).

王燁(1972-), 男，教授，博士生導(dǎo)師，博士.

王燁，E-mail:wangye@mail.lzjtu.cn.

10.11990/jheu.201509036

TU

A

王燁, 孫鵬寶, 胡文婷, 等. 不同壁面邊界條件下冬季自然通風(fēng)數(shù)值研究[J]. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào), 2016, 37(11): 1606-1612.WANGYe,SUNPengbao,HUWenting,etal.Numericalstudyonthenaturalventilationinwinterunderdifferentwallboundaryconditions[J].JournalofHarbinEngineeringUniversity, 2016, 37(11): 1606-1612.

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