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

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構滿足我國對被動式住宅圍護結構保溫性能的規(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構間的輻射換熱，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，更加驗證了模擬結果的可靠性。通過對比分析模擬結果及數(shù)據(jù)，不難得出結論：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

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