(沈陽(yáng)建筑大學(xué) 遼寧 沈陽(yáng) 110168)

隨著建筑事業(yè)的大力發(fā)展，人類活動(dòng)逐步向室內(nèi)轉(zhuǎn)移，良好的室內(nèi)通風(fēng)有助于人的身體健康。校園建筑的大力發(fā)展，作為同窗這位提供良好的學(xué)習(xí)壞境；在空調(diào)設(shè)備相對(duì)缺少的課室，借助天然力氣把室內(nèi)新鮮空氣增添室外，用以保持室外的熱濕均衡，堅(jiān)持室外相對(duì)平穩(wěn)的舒服狀態(tài)。湖南大學(xué)的潘尤貴，借助對(duì)于長(zhǎng)沙地區(qū)寓居建筑設(shè)計(jì)冬冬季室內(nèi)外熱環(huán)境的實(shí)測(cè)考查，給出來(lái)改善室外熱環(huán)境的辦法。重慶大學(xué)陳啟高、李百戰(zhàn)等等采納熱舒服評(píng)估指標(biāo)PMV—PPD模型和建筑設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)熱模型及流體力學(xué)(CFD)模仿緊密結(jié)合的辦法別離對(duì)于寵幸地域通風(fēng)臥室及埋管空氣流通臥室展開了室內(nèi)氣候及熱舒服模仿剖析，樹立了室外熱環(huán)境模擬和評(píng)估模型，給出了重慶地區(qū)房屋熱舒適指標(biāo)[1]。本文利用流體模擬軟件FLUEN對(duì)沈陽(yáng)某高校自習(xí)室的熱環(huán)境進(jìn)。

一、地理氣象條件與氣流組織

(一)沈陽(yáng)地區(qū)的地理氣象條件

沈陽(yáng)市位于中國(guó)東北地區(qū)的南部、遼寧省的中部，屬于溫帶半濕潤(rùn)大陸性氣候，四季分明，溫差較大，冬季寒冷且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，夏季時(shí)間較短且多雨，春秋兩季氣溫變化迅速：春季多風(fēng)，秋季晴朗。全年氣溫變化范圍在-29～35℃，平均氣溫8℃。全年平均風(fēng)速為3.1m/s，最大風(fēng)速為29.7m/s。

(二)氣流組織

在房間內(nèi)氣體的流動(dòng)模式以及通風(fēng)口所在的位置、通風(fēng)口的模式和通風(fēng)口的大小以及數(shù)目相關(guān)。不同的氣流組織會(huì)形成不同的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)、相對(duì)濕度以及其他相關(guān)空氣參數(shù)的分布，對(duì)人體舒適度產(chǎn)生不同程度的影響。進(jìn)風(fēng)口的入流前提對(duì)于房間內(nèi)速度場(chǎng)的影響一定，而是房間內(nèi)速度場(chǎng)的散布也直接決定著房間內(nèi)溫度場(chǎng)。在氣流組織的擠壓與稀拉兩大準(zhǔn)則中其，稀拉準(zhǔn)則易于逐步形成液體流動(dòng)的漩渦，在漩渦流區(qū)中其的熱濕替換比照顯著，形成了均勻的室內(nèi)氣流場(chǎng)和熱濕度場(chǎng)，更有利于人體與環(huán)境的熱濕交換。因此可見合理的氣流組織設(shè)計(jì)可把高品質(zhì)的空氣送到最需要的地方，同時(shí)使室內(nèi)溫度和氣流速度達(dá)到均勻，避免冷吹風(fēng)和溫差過大，在保證空氣品質(zhì)的同時(shí)滿足人體熱舒適[2]。

(三)人體熱舒適

熱舒適是指人體對(duì)熱環(huán)境的主觀熱反應(yīng)；而熱舒適度是指人們對(duì)客觀熱環(huán)境從生理到心理方面所感受到的滿意程度而進(jìn)行的綜合評(píng)價(jià)。美國(guó)供暖、制冷與空調(diào)工程師協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)(ASHRAE Standard55—1992)[3]中明確定義：熱舒適是指對(duì)熱環(huán)境表示滿意的狀態(tài)。熱舒適度的影響因素分為個(gè)人因素和環(huán)境因素，環(huán)境因素：空氣溫度、濕度、氣流速度以及輻射溫度；個(gè)人因素：人體著裝的熱阻以及人體新陳代謝率。不同的氣流組織會(huì)在室內(nèi)形成不同的速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)，不同的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)對(duì)熱舒適有著不同的影響。

二、模型的建立與邊界條件的設(shè)立

(一)自然通風(fēng)模型的建立

選取沈陽(yáng)建筑大學(xué)某自習(xí)室為幾何模型，其幾何尺寸X×Y×Z=7.798m×11.740m×3.724m，外墻包含3個(gè)推拉式鋁合金窗戶，尺寸Y×Z=0.765m×1.569m；內(nèi)墻有兩扇門，尺寸Y×Z=0.828m×2.193m，兩扇門之間的距離為9.784m；室內(nèi)課桌81張，尺寸為X×Y×Z=0.415m×0.640m×0.838m；室內(nèi)有燈18個(gè)，尺寸為X×Y×Z=1.25m×0.1m×0.05m。在室內(nèi)選取8個(gè)測(cè)量點(diǎn)，分別是在外側(cè)靠近窗戶處分布3個(gè)(由東至西編號(hào)分別為1～3)，中間位置分布3個(gè)(由西至東編號(hào)分別為4～6)，在內(nèi)測(cè)分布2個(gè)(由東至西編號(hào)分別為7～8)。

圖1 室內(nèi)分布圖

圖2 室內(nèi)測(cè)點(diǎn)分布圖

(二)邊界條件的建立

1.網(wǎng)格的劃分

現(xiàn)階段常見的網(wǎng)格章節(jié)包羅:Hex(六面體章節(jié))，Hex/Wedge(主要應(yīng)由六面體造成，極個(gè)別位置容許有楔形體)。常見的網(wǎng)格類別包羅:Map(規(guī)定的構(gòu)造網(wǎng)格)，Submap(顆構(gòu)造網(wǎng)格)，Cooper(非構(gòu)造網(wǎng)格)，TGrid(混合網(wǎng)格)等等。本文采用的是非結(jié)構(gòu)混合網(wǎng)格，網(wǎng)格大小為0.08，增長(zhǎng)率為1.2，最大網(wǎng)格為0.2，共劃分出2716085個(gè)網(wǎng)格。

2.邊界條件

結(jié)合沈陽(yáng)市自身的氣候特點(diǎn)，教室內(nèi)進(jìn)行自然通風(fēng)時(shí)，室內(nèi)氣流是三維穩(wěn)態(tài)湍流，模擬過程中氣流為低速流動(dòng)的不可壓氣體，選用κ-ε湍流模型進(jìn)行模擬求解。測(cè)試當(dāng)日的氣象條件：晴，空氣溫度29℃，南風(fēng)4級(jí)，相對(duì)濕度47%。則設(shè)置教室窗戶為氣流的速度進(jìn)口，教室的門為氣流的自然流出口。進(jìn)風(fēng)參數(shù)值：環(huán)境溫度27.3℃，氣溫作為0.93m/s，相對(duì)濕度作為57.4%，室外平均輻射環(huán)境溫度作為27℃，室內(nèi)燈作為恒定輸出功率35W。對(duì)室內(nèi)的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)進(jìn)行模擬分析。

(三)參考平面的劃分

選區(qū)三個(gè)水平和三個(gè)豎直參考平面作為研究平面，參考平面ⅠⅡⅢ為水平參考平面，參考平面ⅣⅤⅥ為豎直參考平面。參考平面Ⅰ為人以腳踝所處的平面，即(x,y,z)=(0,0,0.1)(0，10,0.1)(7,10,0.1)；參考平面Ⅱ?yàn)槿嗽谧鴮W(xué)習(xí)情況下腹部所在高度，即(x,y,z)=(0,0,0.6)(0,10,0.6)(7,10,0.6)；參考平面Ⅲ為人在坐著學(xué)習(xí)情況下頭部所在高度，即(x,y,z)=(0,0,1.1)(0,10,1.1)(7,10,1.1)。參考平面Ⅳ(x，y，z)=(0,2.8,0)(0,2.8,3)(5,2.8,3)；參考平面Ⅴ(x，y，z)=(0,5.9,0)(0,5.9,3)(5,5.9,3)；參考平面Ⅵ(x，y，z)=(0，8.9，0)(0,8.9,3)(5,8.9,3)。

三、CFD數(shù)值模擬

為了更為直觀的對(duì)氣流進(jìn)行分析，采用了數(shù)值與模擬相結(jié)合的方法，運(yùn)用了ANSYS中的FLUENT功能模塊的湍流模型。對(duì)于當(dāng)今應(yīng)用最廣泛流體力學(xué)模擬軟件的FLUENT，包含的湍流模型有單方程(Spalart-Allmaras)模型、k-ω(包含Standard κ-ω和SSTκ-ω)模型、雙方程模型(包含標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型、重整化群(RNG)κ-ε模型、可實(shí)現(xiàn)(Realizable)κ-ε模型)、雷諾應(yīng)力模型(RSM)、大渦模擬模型(LES)組以及最新的分離渦模擬(DES)和V2F模型等。由于κ—ε模型的經(jīng)濟(jì)型和穩(wěn)定性，因此，在實(shí)際操作中采取模型為κ—ε模型。另外激活模擬軟件的傳熱計(jì)算功能，用于體現(xiàn)在模擬計(jì)算過程中熱量的傳播。

四、模擬分析

隨著室內(nèi)的分布、朝向、人員活動(dòng)情況、門窗開啟情況以及室外風(fēng)速大小和風(fēng)向的不同，對(duì)室內(nèi)通風(fēng)會(huì)產(chǎn)生不同的影響。根據(jù)所建立的物理模型，文中針對(duì)測(cè)試當(dāng)天的實(shí)際情況進(jìn)行數(shù)值模擬，從而得到了室內(nèi)氣流組織的溫度、速度云圖以及速度矢量圖。

圖3ⅠⅡⅢ平面的速度矢量圖

每個(gè)測(cè)點(diǎn)的風(fēng)壓不同，其測(cè)點(diǎn)周圍的氣體流動(dòng)的方向不同，根據(jù)空氣流動(dòng)基本原理中的風(fēng)壓平衡定律可知：測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓為正時(shí)，測(cè)點(diǎn)周圍的空氣流動(dòng)為順時(shí)針方向；測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓為負(fù)時(shí)，測(cè)點(diǎn)周圍空氣流動(dòng)方向?yàn)槟鏁r(shí)針方向。在Ⅰ和Ⅱ平面內(nèi)的氣流在進(jìn)氣氣流的末端開始向四周發(fā)散，在遇到墻壁的阻擋情況下氣流改變流動(dòng)方向；由于Ⅱ平面位于教室課桌的下部平面一下，受到可做的阻擋和反射作用，在個(gè)別地方的氣流稍顯混亂；由于Ⅲ平面的位置處在進(jìn)風(fēng)口底部所處平面的上方，受近期氣流的影響較大，進(jìn)氣氣流的速度較大，兩側(cè)的氣流速度較小，因此在近期氣流的兩側(cè)形成漩渦，渦流流動(dòng)的方向?yàn)閾炱饸饬鞯淖髠?cè)為逆時(shí)針方向，右側(cè)為順時(shí)針方向。渦流的形成加大室內(nèi)的熱濕交換效率，明顯增強(qiáng)室內(nèi)的熱舒適性。

表1 室內(nèi)各測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓

圖4ⅠⅡⅢ平面的速度分布云圖

表2 室內(nèi)各測(cè)點(diǎn)風(fēng)速表

室內(nèi)各個(gè)測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速不同，整體呈現(xiàn)出外側(cè)速度小，內(nèi)測(cè)速度大。由于平面Ⅰ和Ⅱ位于進(jìn)風(fēng)口底部所在平面的下方，平面Ⅰ和Ⅱ內(nèi)的風(fēng)速大小受到進(jìn)氣風(fēng)速的影響和室內(nèi)布置的影響。兩個(gè)平面內(nèi)均出現(xiàn)風(fēng)速不均的現(xiàn)象，且最大風(fēng)速小于0.2m/s，未使人感到有吹風(fēng)感，其中Ⅱ平面受課桌的影響較大，平面內(nèi)呈現(xiàn)的風(fēng)速不均現(xiàn)象更加明顯；在平面Ⅲ位于進(jìn)風(fēng)口底部所在平面的上側(cè)，氣流在室內(nèi)形成“穿堂風(fēng)”，在氣流末端的速度為0.5m/s，大于0.3m/s，因此在氣流入口處至氣流末端會(huì)使人產(chǎn)生強(qiáng)烈的吹風(fēng)感，使人感到不適。

圖5 ⅠⅡⅢ平面內(nèi)的溫度分布云圖

表3 室內(nèi)各測(cè)點(diǎn)溫度分布表

圖6ⅣⅤⅥ平面內(nèi)的溫度分布圖

由平面Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ可以看出，室內(nèi)不同高度的溫度分布不同，由底部往上溫度升高，最大溫差為0.8℃。由平面Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ可以看出，在每個(gè)平面上，四周的溫度高于中間的溫度。可見，室內(nèi)總體溫度分布呈現(xiàn)環(huán)形分布，環(huán)形外部的玩電腦不眼低于環(huán)形內(nèi)部的溫度，同時(shí)，有浮生力的作用，熱氣流上升，使得近地面溫度偏低，在垂直于地面的方向上會(huì)形成溫度梯度，當(dāng)溫度梯度過大時(shí)，會(huì)使人產(chǎn)生不舒適感。

五、結(jié)論

通過模擬可以得出，在自然送風(fēng)情況下，室內(nèi)在Ⅰ平面溫度分布基本一致(除四周靠近墻壁處溫度較低外)，風(fēng)度分布相對(duì)合理，無(wú)使人產(chǎn)生吹風(fēng)感的區(qū)域；在Ⅱ平面內(nèi)溫度分布在四周大部分區(qū)域溫度偏低于中間位置小部分區(qū)域溫度，風(fēng)速分布相對(duì)合理，無(wú)使人感到吹風(fēng)感的區(qū)域；在Ⅲ平面內(nèi)除了在進(jìn)風(fēng)口區(qū)域的風(fēng)速較大，給人以吹風(fēng)感，其他地方的氣流速度分布比較合理，由于進(jìn)氣溫度高于室內(nèi)溫度，所以室內(nèi)大部分區(qū)域溫度與外界相近。

此次模擬僅對(duì)于初夏室內(nèi)自然通風(fēng)，其他情況下的通風(fēng)還需要進(jìn)一步的研究。