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        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

        2019-01-20 02:42:06吳珊宗妍
        中國新技術(shù)新產(chǎn)品 2019年22期
        關(guān)鍵詞:氣流組織數(shù)值模擬

        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

        [1]黃壽元,趙伏軍,李剛.基于Airpak的夏季空調(diào)室內(nèi)熱環(huán)境數(shù)值模擬研究[J].湖南科技大學學報,2011,26(2):11-17.

        [2]鐘武.夏季辦公室空調(diào)房間氣流組織的數(shù)值模擬[J].制冷與空調(diào),2011,25(3):304-308.

        [3]薛秀春.世博園里的超低能耗建筑—“漢堡之家” 探秘[J]. 廣西城鎮(zhèn)建設, 2010 (3): 47-48.

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