周靜娜,謝立輝,劉圣武,周文武,廟詩祥
(1.安徽省建筑科學(xué)研究設(shè)計(jì)院,安徽 合肥 230032;2.中建三局第二建設(shè)工程有限責(zé)任公司,安徽 合肥 230071)
隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高,人們對(duì)生活環(huán)境有了越來越高的要求,因此集中空調(diào)系統(tǒng)在住宅中的應(yīng)用也越來越廣泛[1]。為了進(jìn)一步提升室內(nèi)空氣質(zhì)量,天棚輻射、置換通風(fēng)等技術(shù)也逐漸被應(yīng)用于高端住宅中,大大增強(qiáng)了建筑環(huán)境的安全性、健康性和舒適性[2]。
本文以合肥市“當(dāng)代花園”住宅小區(qū)項(xiàng)目為研究對(duì)象,利用PHOENICS軟件,針對(duì)天棚輻射、置換通風(fēng)等技術(shù)在住宅中的實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行分析,得出室內(nèi)溫度、風(fēng)速的分布情況,進(jìn)一步了解天棚輻射和置換通風(fēng)技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用于住宅項(xiàng)目的特點(diǎn),有助于為今后工程設(shè)計(jì)提供參考依據(jù),起到一定的指導(dǎo)作用[3]。
合肥市“當(dāng)代花園”住宅小區(qū)項(xiàng)目采用天棚輻射采暖及制冷,夏季輻射制冷水溫為18℃~21℃,冬季輻射供暖水溫為31℃~28℃。新風(fēng)由熱回收空調(diào)機(jī)組供給。室內(nèi)采用地板送風(fēng),起居室、客廳和臥室通過墊層內(nèi)風(fēng)管獲得較為新鮮的空氣,回風(fēng)口位于廚房和衛(wèi)生間內(nèi),具體位置如圖1和圖2所示,送回風(fēng)口形式如圖3和圖4所示。
圖1 1#住宅標(biāo)準(zhǔn)層通風(fēng)平面圖
圖2 1#住宅標(biāo)準(zhǔn)層天棚管平面圖
圖3 地板送風(fēng)口
圖4 回風(fēng)口
本文利用PHOENICS軟件對(duì)合肥市“當(dāng)代花園”住宅小區(qū)項(xiàng)目1#住宅的標(biāo)準(zhǔn)層進(jìn)行模擬計(jì)算。由于標(biāo)準(zhǔn)層兩個(gè)戶型布局基本一致,故選取西側(cè)的戶型為代表進(jìn)行建模分析。模型依據(jù)暖通施工圖進(jìn)行建模,建筑層高3m,新風(fēng)口位于地面,尺寸為310mm×160mm,回風(fēng)口尺寸為φ75mm。
為簡(jiǎn)化計(jì)算,模型假設(shè)條件為:房間為密閉空間,除新風(fēng)管和天棚管外,不考慮其它內(nèi)部熱源的影響[4]。建筑模型如圖5所示。
圖5 建筑模型圖
為使模擬結(jié)果更接近于實(shí)際運(yùn)行情況,模型邊界條件的輸入值均以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值為準(zhǔn)。
①建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的邊界條件:考慮到室外氣象條件對(duì)建筑室內(nèi)環(huán)境的影響,采用紅外測(cè)溫儀對(duì)所有外墻、外窗的內(nèi)表面溫度進(jìn)行多次多點(diǎn)測(cè)量,發(fā)現(xiàn)外墻內(nèi)表面溫度與室內(nèi)溫度基本一致,而外窗受太陽輻射影響,與室內(nèi)的溫度差距較大,且不同朝向的外窗溫度也有差距,說明外窗是影響室內(nèi)環(huán)境的主要影響因素,因此模型中也主要考慮外窗的影響,取多次測(cè)量的內(nèi)表面溫度平均值作為邊界條件輸入到軟件中。內(nèi)圍護(hù)結(jié)構(gòu)視為絕熱。
②采用風(fēng)速儀和溫度計(jì),對(duì)送風(fēng)口的風(fēng)速、溫度進(jìn)行測(cè)量,將測(cè)量結(jié)果作為邊界條件輸入到軟件中。
③采用紅外測(cè)溫儀對(duì)頂棚的內(nèi)表面溫度進(jìn)行多次多點(diǎn)測(cè)量,取測(cè)量的平均值作為邊界條件輸入到軟件中。
考慮到本項(xiàng)目熱源主要為外窗,因此分析整個(gè)戶型的中間區(qū)域最為穩(wěn)定。PHOENICS軟件模擬結(jié)果如圖6所示,以客廳餐廳的豎向截面為例,室內(nèi)溫度場(chǎng)在垂直方向上有一個(gè)明顯的分層特性,上部區(qū)域溫度高,下部區(qū)域溫度低,整個(gè)立面上(0.1m~2.9m)垂直溫差有4℃左右,人員活動(dòng)區(qū)(0.1m~1.8m)垂直溫差只有1.5℃左右。依據(jù)美國(guó)ASHRA55-92[5]標(biāo)準(zhǔn)建議0.1m和1.8m之間的溫差應(yīng)不大于3℃,說明本項(xiàng)目人員活動(dòng)區(qū)的溫度較為舒適,沒有明顯的“頭熱腳涼”的感覺。
靠近外窗區(qū)域的溫度較高,由于地板送風(fēng)口靠近外窗,因此外窗附近的熱空氣會(huì)快速向上移動(dòng),減小對(duì)室內(nèi)人員活動(dòng)區(qū)的影響。頂棚溫度較低,會(huì)冷卻頂棚附近區(qū)域的空氣溫度,從而減輕了置換通風(fēng)導(dǎo)致的垂直溫差問題,提高室內(nèi)的人員舒適度。
圖6 溫度場(chǎng)截面圖
由圖7~圖11可知,0.1m~1.1m之間,室內(nèi)每個(gè)房間的溫度變化較小,基本均在24.0℃~25.5℃之間,較為舒適。1.1m~2.0m之間,室內(nèi)每個(gè)房間的溫度出現(xiàn)了較為明顯的差異。南向外窗由于太陽輻射得熱較多,溫度較高,導(dǎo)致南向房間的溫度明顯高于其它朝向的房間,西向次之,北向最低。同時(shí)由于客廳有南向陽臺(tái),起到了較好的隔熱作用,所以客廳溫度明顯低于南向臥室的溫度。
圖7 0.1m高度處溫度場(chǎng)
圖8 0.6m高度處溫度場(chǎng)
邊界參數(shù) 表1
為了對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證,采用溫度巡檢儀對(duì)每個(gè)房間的室內(nèi)溫度進(jìn)行實(shí)測(cè),每個(gè)房間測(cè)點(diǎn)布置方式為:在水平方向上設(shè)1個(gè)測(cè)點(diǎn),位于房間正中央;在垂直方向上設(shè)5個(gè)測(cè)點(diǎn),分別距地面0.1m(腳踝處),0.6m(膝部),1.1m(坐姿時(shí)的呼吸區(qū)),1.7m(站立時(shí)的呼吸區(qū)),2.0m(活動(dòng)區(qū)上部)[3]。
圖9 1.1m高度處溫度場(chǎng)
圖10 1.7m高度處溫度場(chǎng)
圖11 2.0m高度處溫度場(chǎng)
圖12 測(cè)點(diǎn)布置圖
將測(cè)量值與模擬值進(jìn)行對(duì)比,由圖13~圖17可知,主臥、客臥豎向溫差最大,其次是書房,再次是客廳餐廳,儲(chǔ)藏室豎向溫差最小,充分體現(xiàn)了朝向差異。由于本項(xiàng)目主要考慮外窗的傳熱,因此0.1m~1.1m溫度變化較小,1.1m以上溫度升高明顯。同時(shí)由于0.1m~1.1m溫度場(chǎng)較為穩(wěn)定,實(shí)測(cè)值與模擬值較為接近,而1.1m以上紊流明顯,溫度場(chǎng)不穩(wěn)定,導(dǎo)致實(shí)測(cè)值與模擬值的差距變大。但是絕對(duì)誤差仍控制在3%以內(nèi),說明模擬值和實(shí)測(cè)值較為吻合,模擬值可基本反映室內(nèi)溫度場(chǎng)情況,模型可靠。
通過模擬值和實(shí)測(cè)值的對(duì)比分析可知,建筑模型已較為完善,模擬結(jié)果基本可反映實(shí)際運(yùn)行情況。因此可針對(duì)不同運(yùn)行工況進(jìn)行模擬分析,進(jìn)一步優(yōu)化天棚輻射、置換通風(fēng)等技術(shù)在住宅中的應(yīng)用效果。
圖13 客廳餐廳溫度實(shí)測(cè)值和模擬值的分析
圖14 主臥溫度實(shí)測(cè)值和模擬值的分析
圖15 客臥溫度實(shí)測(cè)值和模擬值的分析
圖16 書房溫度實(shí)測(cè)值和模擬值的分析
圖17 儲(chǔ)藏室溫度實(shí)測(cè)值和模擬值的分析
本項(xiàng)目設(shè)計(jì)供回水水溫為18℃~21℃,頂棚溫度為21℃,設(shè)計(jì)工況詳見圖19。
由圖18可知,當(dāng)頂棚溫度下降1℃時(shí),雖然頂部溫度有所下降,但是人員活動(dòng)區(qū)溫度不及設(shè)計(jì)工況下穩(wěn)定,且溫度太低,易結(jié)露,也不節(jié)能。
圖18 頂棚溫度為20℃時(shí)溫度場(chǎng)
圖19 頂棚溫度為21℃時(shí)溫度場(chǎng)(設(shè)計(jì)工況)
圖20 頂棚溫度為22℃時(shí)溫度場(chǎng)
圖21 頂棚溫度為23℃時(shí)溫度場(chǎng)
由圖20和圖21可知,當(dāng)頂棚溫度上升1℃時(shí),溫度分層現(xiàn)象明顯加重,人員活動(dòng)區(qū)溫度雖不及設(shè)計(jì)工況下舒適,但也在可接受范圍內(nèi)。當(dāng)頂棚溫度上升2℃時(shí),會(huì)有明顯的“頭熱腳涼”感覺,室內(nèi)舒適度較差。
本項(xiàng)目設(shè)計(jì)送風(fēng)風(fēng)速為0.22m/s,設(shè)計(jì)工況詳見圖22。置換通風(fēng)設(shè)計(jì)風(fēng)速一般為0.2m/s~0.5 m/s,因此本文分別對(duì)0.3 m/s和0.4m/s的工況進(jìn)行分析。
圖22 送風(fēng)風(fēng)速為0.22m/s時(shí)溫度場(chǎng)(設(shè)計(jì)工況)
圖23 送風(fēng)風(fēng)速為0.3m/s時(shí)溫度場(chǎng)
圖24 送風(fēng)風(fēng)速為0.4m/s時(shí)溫度場(chǎng)
由圖22~圖24可知,由于本項(xiàng)目送風(fēng)口位置靠近外窗,風(fēng)速越大,外窗處的熱空氣越快向上移動(dòng),對(duì)室內(nèi)的溫度影響越小,室內(nèi)溫度越低。同時(shí)整體溫度分層的界限也會(huì)越高,則下部區(qū)域舒適度更高。但風(fēng)速越大,靠近送風(fēng)口位置的吹風(fēng)感越強(qiáng),噪聲也越大,舒適度降低。
本項(xiàng)目天棚管溫度和送風(fēng)風(fēng)速均設(shè)計(jì)合理,室內(nèi)溫度滿足舒適度要求,但是每個(gè)房間的舒適度略有差異,南向臥室人員活動(dòng)區(qū)域的垂直溫差在2℃~3℃左右,其它房間的垂直溫差均在1.5℃左右,因此南向臥室的室內(nèi)溫度場(chǎng)可優(yōu)化。
圖25 1.7m高度處溫度場(chǎng)(設(shè)計(jì)工況)
考慮到增大送風(fēng)風(fēng)速,可減弱外窗的傳熱影響,同時(shí)升高溫度分層界限,因此將南向主臥送風(fēng)風(fēng)速調(diào)整為0.3m/s,其它房間風(fēng)速不變,如圖25和圖26所示,1.7m高度處南向主臥的溫度明顯降低,人員活動(dòng)區(qū)垂直溫差也降至1.5℃左右,室內(nèi)舒適度改善明顯。
通過對(duì)合肥市“當(dāng)代花園”住宅小區(qū)項(xiàng)目天棚輻射+置換通風(fēng)系統(tǒng)的室內(nèi)應(yīng)用效果進(jìn)行實(shí)測(cè)和模擬分析后,得出以下結(jié)論:
①天棚輻射+置換通風(fēng)系統(tǒng)在住宅項(xiàng)目中應(yīng)用效果良好,整個(gè)立面上(0.1m~2.9m)垂直溫差有4℃左右,人員活動(dòng)區(qū)(0.1m~1.8m)垂直溫差只有1.5℃左右,沒有明顯的“頭熱腳涼”的感覺;
②天棚管供回水水溫為18/21℃時(shí),較為合理,若考慮節(jié)能因素,供回水水溫最多只能再提升1℃,超過1℃,室內(nèi)舒適度將大幅度降低;
圖26 1.7m高度處溫度場(chǎng)(優(yōu)化后)
③設(shè)計(jì)送風(fēng)風(fēng)速在0.2m/s~0.3m/s時(shí),較為合理,若風(fēng)速再增大,吹風(fēng)感明顯;
④考慮到住宅戶型朝向的差異,南向有陽臺(tái)的客廳、西向和北向的房間舒適度較好,南向有外窗的臥室舒適度相對(duì)較差,建議適當(dāng)增加南向臥室的送風(fēng)風(fēng)速,以提高室內(nèi)舒適度。