任玉成 王蒙 李俊峰

石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院

0 引言

宿舍是學(xué)生們學(xué)習(xí)、休息的主要場(chǎng)所，與辦公建筑相比，宿舍在室內(nèi)氣流、污染物排放等多方面有很大的區(qū)別。嚴(yán)寒地區(qū)高校宿舍里夏季學(xué)生們通常采用開(kāi)門(mén)、窗來(lái)通風(fēng)換氣[1-3]。有些學(xué)生三分之二的時(shí)間呆在宿舍里，因此良好的宿舍通風(fēng)會(huì)對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)效率和健康狀況起著非常重要的作用[4-5]。

本文采用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，問(wèn)卷調(diào)查和數(shù)值模擬相結(jié)合的方式，對(duì)學(xué)生宿舍內(nèi)自然通風(fēng)狀態(tài)下氣流組織狀況及室內(nèi)人員熱舒適性進(jìn)行研究。利用CFD 軟件對(duì)某學(xué)生宿舍內(nèi)外窗在不同風(fēng)速下，門(mén)和門(mén)上窗在不同開(kāi)啟狀態(tài)時(shí)，氣流組織狀況進(jìn)行模擬，并進(jìn)一步分析氣流狀況。本研究對(duì)改善宿舍內(nèi)的環(huán)境，提高宿舍內(nèi)活動(dòng)人員的熱舒適性，降低學(xué)生室內(nèi)熱環(huán)境不滿(mǎn)意率，降低吹風(fēng)感等方面具有積極意義[6-8]。

1 研究對(duì)象

選取嚴(yán)寒地區(qū)某學(xué)生宿舍樓為研究對(duì)象，該宿舍樓共6 層，南北朝向。學(xué)生宿舍為典型的4 人間宿舍，該宿舍為標(biāo)準(zhǔn)的上鋪下桌式4 人間，有一扇門(mén)，其正對(duì)面為窗戶(hù)，宿舍兩側(cè)各兩張床，床下為書(shū)桌，另有散熱器一組，公共照明用熒光燈一盞，小型風(fēng)扇一臺(tái)。

2 研究方法

2.1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

測(cè)試時(shí)間為2019 年 7 月6 日 -7 月10 日，為學(xué)校的考試期間，學(xué)生在宿舍學(xué)習(xí)的時(shí)間更多一些。測(cè)試選取了178 間宿舍，有經(jīng)常在宿舍學(xué)習(xí)習(xí)慣的232 名學(xué)生進(jìn)行調(diào)查問(wèn)卷。測(cè)試的內(nèi)容主要有室內(nèi)外空氣溫濕度、室內(nèi)外風(fēng)速。室內(nèi)測(cè)點(diǎn)布置在桌面（距地1.0 m）以及床鋪（距地1.65 m）處。其中，Z=1.0 m 為宿舍內(nèi)學(xué)生在書(shū)桌學(xué)習(xí)時(shí)的平均高度，該平面可視作研究宿舍內(nèi)人員所處區(qū)域流場(chǎng)的代表平面。Z=1.65 m 的平面為通過(guò)實(shí)際測(cè)量的床鋪距地的距離，通過(guò)選取該平面能夠真實(shí)地反映出宿舍內(nèi)學(xué)生休息時(shí)氣流在該平面的分布情況。

測(cè)試所使用的設(shè)備參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 測(cè)試設(shè)備參數(shù)表

2.2 問(wèn)卷調(diào)查

評(píng)價(jià)室內(nèi)熱舒適性以及風(fēng)速對(duì)室內(nèi)人員舒適性影響的很重要的一個(gè)方法是問(wèn)卷調(diào)查。對(duì)男生宿舍232 名大一至大四的學(xué)生進(jìn)行調(diào)查問(wèn)卷，年齡在18～22歲之間。為保證調(diào)查結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性，從宿舍樓1 層至6 層，南向和北向的宿舍均有受試者接受調(diào)查。同時(shí)在調(diào)查對(duì)象選擇過(guò)程中，選擇身體健康狀況良好，身體質(zhì)量指數(shù)在標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)的學(xué)生。調(diào)查內(nèi)容包括宿舍內(nèi)學(xué)生對(duì)熱環(huán)境的總體評(píng)價(jià)以及宿舍內(nèi)不舒適的癥狀等。

2.3 數(shù)值模擬

2.3.1 物理模型

模擬的學(xué)生宿舍的建筑結(jié)構(gòu)尺寸如表2 所示。為了簡(jiǎn)化模型，房間內(nèi)無(wú)其他的物體，同時(shí)不考慮宿舍內(nèi)走廊的影響。模擬不同風(fēng)速下，門(mén)和門(mén)上窗不同開(kāi)啟狀況時(shí)氣流運(yùn)動(dòng)情況，從而得出宿舍內(nèi)氣流組織情況。為了更加真實(shí)、準(zhǔn)確地模擬出氣流分布情況，本例采用三維建模方式，按照1:1 的比例建立模型，物理模型如圖1 所示。

表2 宿舍建筑結(jié)構(gòu)尺寸

圖1 物理模型圖

2.3.2 數(shù)學(xué)模型

模擬宿舍內(nèi)的空氣流動(dòng)為穩(wěn)定流動(dòng)，空氣看成不可壓縮流體，則控制方程如下：

式中：Ux，Uy，Uz分別為空氣流動(dòng)三個(gè)方向的速度，是總速度是三個(gè)動(dòng)量方程的廣義源項(xiàng)；ρ為 流體密度；p為靜壓。

湍流模型采用室內(nèi)零方程模型：

式中：μt為湍動(dòng)粘度；ρ為流體密度；υ為當(dāng)?shù)卣扯?；L為離最近墻的距離。

模型的邊界條件假定為：初始溫度為 28 ℃，房間墻壁靠近陽(yáng)面一側(cè)的為33 ℃，其余壁面為28 ℃，風(fēng)從窗戶(hù)吹進(jìn)，風(fēng)速為 1 m/s。數(shù)學(xué)模型采用模擬自然對(duì)流和混合對(duì)流的零方程，采用有限容積法離散方程，自然對(duì)流采用一階迎風(fēng)格式，混合對(duì)流采用二階迎風(fēng)格式，速度壓力耦合采用SIMPLE 算法。該模型對(duì)室內(nèi)空氣的模擬具有精度高、耗時(shí)少、收斂速度快、運(yùn)算方便等優(yōu)點(diǎn)。

3 結(jié)果與分析

3.1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果分析

測(cè)試時(shí)間為2019 年 7 月6 日 -7 月10 日，對(duì)宿舍樓室外環(huán)境的溫度、濕度、風(fēng)速進(jìn)行測(cè)量，宿舍室外環(huán)境參數(shù)測(cè)試結(jié)果如表3 所示。

表3 宿舍室外環(huán)境參數(shù)測(cè)試結(jié)果

測(cè)試期間，室外最低溫度為 18.3 ℃，最高溫度為36.4 ℃，平均溫度為 28.5 ℃，經(jīng)過(guò)多次測(cè)量數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在8 點(diǎn)左右室外溫度通常達(dá)到最小值，在 17 點(diǎn)左右溫度通常達(dá)到最大值。室外平均風(fēng)速為1.64 m/s，最大值為3.82 m/s。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，宿舍室內(nèi)環(huán)境參數(shù)測(cè)試結(jié)果如表4 所示。

表4 宿舍室內(nèi)環(huán)境參數(shù)測(cè)試結(jié)果

室內(nèi)最高溫度為35.6 ℃，最低溫度為 19.2 ℃，平均溫度為28.3 ℃，高于ISO 7730 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的夏季室內(nèi)舒適溫度范圍為t=23.0～26.0 ℃。夏季室內(nèi)風(fēng)速最小值和最大值分別出現(xiàn)在宿舍門(mén)后和宿舍外窗處。實(shí)驗(yàn)測(cè)得外窗處風(fēng)速0.82～2.51 m/s，經(jīng)過(guò)多次測(cè)量數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在8:00 左右風(fēng)速通常達(dá)到最小值，在16:00 左右風(fēng)速通常達(dá)到最大值。室內(nèi)平均風(fēng)速為0.14 m/s，低于ISO 7730 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的夏季平均風(fēng)速v≤0.25 m/s。

3.2 問(wèn)卷調(diào)查結(jié)果分析

對(duì)男生宿舍232 名學(xué)生進(jìn)行調(diào)查問(wèn)卷，調(diào)查宿舍內(nèi)學(xué)生對(duì)熱環(huán)境的總體評(píng)價(jià)以及宿舍內(nèi)不舒適的癥狀，調(diào)查結(jié)果如圖2 所示。

圖2 調(diào)查問(wèn)卷結(jié)果

根據(jù)調(diào)查結(jié)果可以看出，學(xué)生對(duì)宿舍內(nèi)熱環(huán)境總體感覺(jué)較不舒適，不舒適的比例達(dá) 73.2%，僅有 13.1%的學(xué)生感覺(jué)舒適，因此，研究宿舍內(nèi)熱環(huán)境非常有意義。此外，對(duì)學(xué)生在宿舍內(nèi)不舒適的癥狀進(jìn)行了調(diào)查，不舒適的癥狀主要體現(xiàn)在口渴、瞌睡、疲倦、皮膚干燥，有90%的學(xué)生會(huì)有口渴的癥狀，出現(xiàn)瞌睡、疲倦、皮膚干燥的癥狀比例分別為84%、8 1%、7 8%。因此，宿舍內(nèi)的不舒適癥狀也亟待改進(jìn)。

3.3 室內(nèi)平均風(fēng)速和熱舒適性關(guān)系分析

室內(nèi)環(huán)境熱舒適性的評(píng)價(jià)指標(biāo)有多種，用熱環(huán)境的不滿(mǎn)意百分?jǐn)?shù)來(lái)評(píng)價(jià)是其中一種方式。為了不影響受試者的正常休息，測(cè)試時(shí)間選在 8:00-0:00，每隔 2 h對(duì)室內(nèi)的風(fēng)速和受試者對(duì)宿舍內(nèi)熱環(huán)境的不滿(mǎn)意率進(jìn)行測(cè)試和調(diào)查，測(cè)試結(jié)果如圖3 所示。

圖3 室內(nèi)平均風(fēng)速和熱環(huán)境不滿(mǎn)意百分?jǐn)?shù)的關(guān)系

由圖3 可以看出，室內(nèi)平均風(fēng)速與熱環(huán)境不滿(mǎn)意百分?jǐn)?shù)成反比關(guān)系。根據(jù)ISO 7730 中所規(guī)定的人員不滿(mǎn)意率的允許范圍，吹風(fēng)感引起的不滿(mǎn)意率為 20%。因此，僅在 14:00-20:00 之間，室內(nèi)人員的不滿(mǎn)意率符合規(guī)范要求。在該環(huán)境下，風(fēng)速為 0.2～0.45 m/s 范圍內(nèi)，室內(nèi)人員的舒適度高。其余測(cè)試時(shí)間段內(nèi)，室內(nèi)人員不滿(mǎn)意率較高，反映出人員較不舒適。

3.4 模擬結(jié)果及評(píng)價(jià)分析

通過(guò)模擬外窗在不同風(fēng)速狀態(tài)下，門(mén)上窗和門(mén)的開(kāi)、關(guān)狀態(tài)對(duì)室內(nèi)氣流產(chǎn)生的影響，分8 種情況，如表5 所示。表中的風(fēng)速為靠近室外的窗打開(kāi)時(shí)，在外窗處的風(fēng)速。

表5 不同送風(fēng)氣流狀態(tài)下，門(mén)上窗和門(mén)的開(kāi)、關(guān)狀態(tài)

模擬結(jié)果分析中截取兩個(gè)典型的平面，Z=1.0 m和Z=1.65 m 兩個(gè)平面，通過(guò)選取該平面能夠真實(shí)地反映出宿舍內(nèi)學(xué)生休息時(shí)氣流在該平面的分布情況。

限于篇幅，本文僅選取部分模擬圖進(jìn)行參考比較。通過(guò)對(duì)模型的模擬計(jì)算，得出了宿舍門(mén)和門(mén)上窗同時(shí)關(guān)閉情況下的風(fēng)速度矢量圖如圖4 所示。

圖4 狀態(tài)1 速度矢量圖

從圖4 可以看出，外窗風(fēng)速v=1 m/s 時(shí)，門(mén)和門(mén)上窗保持關(guān)閉狀態(tài)，在Z=1.0 m 剖面，氣流進(jìn)入后呈直線運(yùn)動(dòng)，碰到墻壁后往兩側(cè)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，在距離窗戶(hù)較近處（0＜X＜1）的兩側(cè)出現(xiàn)了漩渦，距離窗戶(hù)較遠(yuǎn)的左右兩張床位處風(fēng)速較小，通風(fēng)換氣效果不理想。為了改善室內(nèi)氣流狀況，將宿舍門(mén)上窗開(kāi)啟，模擬結(jié)果如圖5 所示。由圖5 中可以看出，當(dāng)外窗風(fēng)速v=1 m/s 時(shí)，門(mén)仍保持關(guān)閉狀態(tài)，開(kāi)啟門(mén)上窗，在Z=1 m 的剖面上，氣流速度變化不大，因?yàn)殚T(mén)上窗在距地 2 m處，與Z=1 m 的平面相距較遠(yuǎn)，其開(kāi)啟對(duì)Z=1 m 的影響較小。而在Z=1.65 m 平面，氣流從窗戶(hù)進(jìn)入，往門(mén)方向運(yùn)動(dòng)，形成了對(duì)流，氣流的擴(kuò)散速度比門(mén)上窗關(guān)上時(shí)大，對(duì)上部的氣流也產(chǎn)生一個(gè)動(dòng)力，使得整個(gè)房間內(nèi)新鮮空氣的范圍明顯比關(guān)上門(mén)上窗時(shí)大。

圖5 狀態(tài)2 速度矢量圖

為了研究外窗風(fēng)速對(duì)宿舍內(nèi)氣流狀況的影響，外窗風(fēng)速設(shè)為 2 m/s，對(duì)狀態(tài) 6 進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果如圖6 所示。由圖中可以看出，外窗風(fēng)速為2 m/s 狀態(tài)下，當(dāng)門(mén)上窗開(kāi)啟時(shí)，在Z=1 m 和Z=1.65 m 的剖面上，氣流擾動(dòng)增加，產(chǎn)生的速度漩渦更加明顯，同時(shí)門(mén)上窗附近氣流速度也相應(yīng)增加。

圖6 狀態(tài)6 速度矢量圖

經(jīng)測(cè)量，人員經(jīng)常活動(dòng)區(qū)的范圍大約為 1＜X＜ 4 m，為進(jìn)一步分析不同狀態(tài)下人員活動(dòng)范圍內(nèi)氣流組織狀況，做了以下幾個(gè)方面的比較：

1）將狀態(tài) 1 與狀態(tài) 2 進(jìn)行比較，模擬結(jié)果如圖 7所示。由模擬結(jié)果知，門(mén)保持關(guān)閉狀態(tài)，門(mén)上窗的開(kāi)、關(guān)對(duì)Z=1.65 m 剖面的氣流狀況有明顯的改變，在X=5.4 m 處，速度由 0.05 m/s 增加到約 1 m/s。而對(duì)Z=1.0 m 剖面的氣流狀況改變不明顯，速度由 0.05 m/s增加到約0.25 m/s。原因是門(mén)上窗距地面2 m，且門(mén)上窗面積較小，因此對(duì)Z=1.0 m 剖面的氣流影響較小。人員活動(dòng)范圍內(nèi)，Z=1.0 m 剖面處，在 3＜X＜4 m 處，風(fēng)速小于0.1 m/s，在此活動(dòng)區(qū)內(nèi)的人員感受到的室外新鮮空氣較少。Z=1.65 m 剖面處，風(fēng)速大小約為 0.3＜v＜0.5 m/s，因此滿(mǎn)足人體舒適性要求。

圖7 狀態(tài)1 與狀態(tài)2 在不同平面速度分布情況

2）將狀態(tài) 1 與狀態(tài) 3 進(jìn)行比較，模擬結(jié)果如圖 8所示。由模擬結(jié)果知，門(mén)上窗保持關(guān)閉狀態(tài)，門(mén)的開(kāi)、關(guān)對(duì)Z=1.65 m 和Z=1.0 m 剖面的氣流狀況均有明顯的改變，Z=1.65 m 剖面上最大速度達(dá)到約 1.9 m/s，Z=1.65 m 剖面上最大速度也達(dá)到1.6 m/s。但是在人員活動(dòng)范圍內(nèi)，僅在 1＜X＜1.5 m 處，風(fēng)速大小約為0.5＜v＜0.8 m/s，在此較小的活動(dòng)區(qū)內(nèi)人員感受到一定的吹風(fēng)感；其余活動(dòng)區(qū)風(fēng)速均保持約 0.3 m/s，滿(mǎn)足人體舒適性要求。

圖8 狀態(tài)1 與狀態(tài)3 在不同平面速度分布情況

3）將狀態(tài) 3 與狀態(tài) 4 進(jìn)行比較，模擬結(jié)果如圖 9所示。由模擬結(jié)果知，門(mén)保持開(kāi)啟狀態(tài)，門(mén)上窗的開(kāi)、關(guān)對(duì)Z=1.65 m 和Z=1.0 m 平面的氣流狀況均有所改變。Z=1.0 m 剖面上最大的速度達(dá)到約2.0 m/s，Z=1.65 m 剖面上最大速度也達(dá)到1.6 m/s。此外，當(dāng)門(mén)開(kāi)啟時(shí)，門(mén)上窗的開(kāi)、關(guān)對(duì)人員經(jīng)常活動(dòng)區(qū)內(nèi)的氣流速度影響不大。

圖9 狀態(tài)3 與狀態(tài)4 在不同平面速度分布情況

4）將狀態(tài)2 與狀態(tài)6 進(jìn)行比較，模擬結(jié)果如圖10所示。由模擬結(jié)果知，門(mén)保持關(guān)閉、門(mén)上窗保持開(kāi)啟狀態(tài)，當(dāng)外窗風(fēng)速達(dá)到2 m/s 時(shí)，對(duì)1＜X＜4 m 的區(qū)域內(nèi)的氣流速度有一定的提高。在Z=1.65 m 剖面處該區(qū)域內(nèi)最低速度由 0.35 m/s 增加到 0.65 m/s；Z=1.0 m 剖面該區(qū)域內(nèi)最低速度由 0.25 m/s 增加到 0.6 m/s。因此，這會(huì)給宿舍內(nèi)人員帶來(lái)一定的吹風(fēng)感，會(huì)感覺(jué)不舒適。

圖10 狀態(tài)2 與狀態(tài)6 在不同平面速度分布情況

3.5 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、問(wèn)卷調(diào)查與模擬結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)不同送風(fēng)氣流狀態(tài)下室內(nèi)平均風(fēng)速與學(xué)生熱環(huán)境不滿(mǎn)意百分?jǐn)?shù)的測(cè)試分析結(jié)果如圖11 所示。由圖 11 可知，在狀態(tài) 4 的環(huán)境下，室內(nèi)熱環(huán)境不滿(mǎn)意率最低，僅為8%，符合規(guī)范的要求。因此，可認(rèn)為該環(huán)境狀態(tài)下，室內(nèi)人員是舒適的。通過(guò)模擬和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，可以看出，室內(nèi)平均風(fēng)速與學(xué)生熱環(huán)境不滿(mǎn)意率成反比關(guān)系，在一定范圍內(nèi)風(fēng)速越大，室內(nèi)人員熱舒適性越高，當(dāng)超過(guò)一定風(fēng)速時(shí)，室內(nèi)人員熱舒適性又會(huì)降低，室內(nèi)人員會(huì)感到一定的吹風(fēng)感。

圖11 不同送風(fēng)氣流狀態(tài)下室內(nèi)平均風(fēng)速與學(xué)生熱環(huán)境不滿(mǎn)意百分?jǐn)?shù)的關(guān)系

通過(guò)模擬和實(shí)驗(yàn)測(cè)試綜合分析，得出夏季較適宜的室內(nèi)宿舍平均氣流速度 0.28～0.32 m/s，該數(shù)值略高于 ISO 7730 標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的，夏季平均風(fēng)速v≤0.25 m/s。而目前宿舍風(fēng)速達(dá)不到該標(biāo)準(zhǔn)，因此需要采取一些措施，比如設(shè)置空調(diào)來(lái)降低室內(nèi)溫度或者采用風(fēng)扇機(jī)械送風(fēng)方式等，從而提高室內(nèi)熱舒適性。

4 結(jié)論

本文采用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，問(wèn)卷調(diào)查和數(shù)值模擬相結(jié)合的方式，對(duì)學(xué)生宿舍內(nèi)自然通風(fēng)狀態(tài)下氣流組織狀況及室內(nèi)人員熱舒適性進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論：

1）測(cè)試期間自然通風(fēng)狀態(tài)下，室內(nèi)平均風(fēng)速為0.14 m/s，風(fēng)速低于熱舒適標(biāo)準(zhǔn)的要求值。

2）通過(guò)對(duì)學(xué)生進(jìn)行問(wèn)卷調(diào)查，學(xué)生對(duì)宿舍內(nèi)熱環(huán)境總體感覺(jué)較不舒適，不舒適的比例達(dá) 73.2%，不舒適的癥狀主要體現(xiàn)在口渴、瞌睡、疲倦、皮膚干燥等。

3）通過(guò)模擬，得出宿舍內(nèi)門(mén)和門(mén)上窗的開(kāi)、關(guān)對(duì)宿舍氣流有很大影響。門(mén)上窗的開(kāi)、關(guān)對(duì)Z=1.0 m 剖面的氣流影響不大，但對(duì)改善Z=1.65 m 剖面的氣流狀況起著非常重要的作用，因此在床鋪上休息時(shí)，為保持宿舍內(nèi)良好的氣流狀況建議長(zhǎng)期打開(kāi)門(mén)上窗。同時(shí)，在宿舍內(nèi)學(xué)習(xí)時(shí)，為保持工作面上的良好氣流組織，建議適當(dāng)開(kāi)啟門(mén)。

4）通過(guò)模擬發(fā)現(xiàn)，外窗風(fēng)速在v=1 m/s 時(shí)，可以較好地滿(mǎn)足宿舍內(nèi)人員活動(dòng)區(qū)內(nèi)熱舒適性，而當(dāng)風(fēng)速增大到2 m/s 時(shí)，雖然宿舍內(nèi)整體氣流有所改進(jìn)，但人員活動(dòng)區(qū)內(nèi)風(fēng)速稍大，產(chǎn)生吹風(fēng)感，人員不舒適性增強(qiáng)。

5）夏季自然通風(fēng)狀態(tài)下，為提高宿舍內(nèi)活動(dòng)人員的熱舒適性，降低學(xué)生室內(nèi)熱環(huán)境不滿(mǎn)意率，宿舍內(nèi)較適宜的平均氣流速度為0.28～0.32 m/s。