基于phoenics在大學教室通風效果的模擬分析

惠大好 狄育慧

基于phoenics在大學教室通風效果的模擬分析

惠大好 狄育慧

（西安工程大學城市規劃與市政工程學院 西安 710048）

采用phoenics2016進行數值計算，通過-湍流模擬的方法確定方案的可實施性。模擬大學教室應用室內排風（新風從窗戶開啟口進去室內，從排風口排出），根據空氣齡及風場分布情況，通過大學教室送風及排風實測，并對通風效果進行分析；結果表明，模擬排風量為1.7m3/h狀態下大多數學生周圍的空氣齡數值都接近平均值97s，且無室外風速，窗戶全開的情況下，還能達到1.5m/s的送風風速。自然通風窗戶全開狀態下需滿足，送風速度大于0.5m/s的條件才能排除室內污染物。

phoenics2016；數值計算；室內排風；空氣齡；通風效果

0 空氣品質與空氣齡

最近幾十年來，許多國家/地區的室內空氣質量一直不太樂觀，出現一系列的“病態建筑綜合癥”—SBS（Sick Building Syndrome）[1-4]。桑德伯格學者最早在1980年代提出了空氣齡[5]。空氣齡是空氣進入房間的時間。它不僅反映了室內空氣的新鮮度，還反映了去除污染物的能力。它可以全面測量房間通風的效果，并揭示室內空氣的流動形態，它是評估室內空氣質量的重要指標，為合理選擇氣流組織形式提供了依據[6]。空氣齡的物理含義更容易為人們所接受，一般來說，空氣齡數值越小，空氣越新鮮，空氣質量越好。

1 數值模擬

1.1 物理模型

研究對象為某大學的教室，房間尺寸為8m×6.8m×3.5m，北墻有前后兩門（簡化，未畫出）與走廊相連。南墻有2m×1.8m的兩扇窗戶，且每扇窗的尺寸為1m×1.4m。在門的上方分別設排風口，排風口的尺寸為0.4m×0.9m，高度為2m。通風換氣指標6次/h作為換氣次數。經過適當的簡化處理，三維物理模型如圖1所示。

圖1 物理模型

1.2 數值模擬

采用PHOENICS軟件模擬過渡季節該建筑在采用一扇窗戶全開形式時，其室內的通風效果，為該建筑的節能改造提供數據支持。

選用PHOENICS軟件所提供的-湍流模型，該模型計算成本低，在數值計算中波動小、精度高，廣泛應用在低速湍流數值模擬中，并且已經得到大量工程應用的驗證，可靠性高。

1.3 假設條件

為了簡化問題，另作如下假設：（1）房間內空氣不可壓縮；（2）房間內空氣流動為穩態湍流；（3）忽略固體壁面及室內物體間的熱輻射；（4）室內空氣為透明介質；（5）不考慮漏風影響，認為室內氣密性良好。

1.4 邊界條件及求解模型

模擬中，進風口為自由流出邊界條件，進風口按不同高度上的平均風速的經驗公式設置為[7]：

式中，為任一高度處的平均風速，m/s；0為基準高度處的平均風速，m/s；為離地面任意高度，m；0為離地面標準高度，通常取為10m；為與地面粗糙度有關的指數。根據建筑所處環境情況[8]，值取0.2。

數值模擬計算的具體邊界條件見表1。

表1 數值模擬計算邊界條件

1.5 模擬結果處理方法

PHOENICS軟件模擬結果后期處理時，采用Photoshop軟件處理得到的速度場云圖，即選取某一速度的相同色塊，采用面積加權平均法計算室內的平均風速。具體公式如下：

2 數值模擬結果與分析

選取典型截面=1.0m為學生靜坐口鼻高度水平面、=1.2m為學生站立口鼻高度水平面，=0.97為排風口1位置、=1.77為窗戶1處斷截面位置、=5.6為窗戶2處斷截面位置，結果如圖2～3所示。

2.1 空氣齡分布

圖2（a）=1.0m

Fig.2(a)=1.0m

圖2（b）=1.2m

Fig.2(b)=1.2m

圖2（c）=0.97（排風口1處斷截面）

Fig.2(c)=0.97(Broken1 section at the exhaust vent)

圖2（d）=5.6（窗戶2處斷截面）

Fig.2(d)=5.6(Broken2 sections at the window)

2.2 速度場分布

圖3（a）=1.0m

Fig.3(a)=1.0m

圖3（b）=1.2m

Fig.3(b)=1.2m

圖3（c）=1.77（窗戶1處斷截面）

Fig.3(c)=1.77m(Broken1 sections at the window)

圖3（d）=5.6（窗戶2處斷截面）

Fig.3(d)=5.6(Broken2 sections at the window)

本節根據模擬結果分析過渡季節該建筑在采用一扇窗戶全開形式時室內的通風效果。在評價通風效果時選用=1.0m，即以學生坐姿頭部位置作為分析截面；=1.2m即以學生站立頭部位置作為z軸高度處分析截面；=0.97，排風口1位置作為分析截面，=1.77，窗戶1處斷截面位置作為分析截面；=5.6窗戶2處斷截面位置作為分析截面。

評價指標有兩個：（1）空氣齡作為室內健康通風的評價指標，空氣齡300s[9]內時室內通風較好。（2）根據文獻[8]，在工作時的舒適風速為0.25～1.0m/s，把該風速范圍占據的面積比例作為評價室內氣流效果的技術指標。

從圖2（a），2（b）得知，隨著高度的增加，空氣齡數值有一定范圍的減小趨勢，再結合圖2（c）與2（d）可知，靠窗戶位置的空氣齡較小；靠排風口側墻的中間位置及靠窗戶側的教室前后角處空氣齡數值最大，大于160s；平均空氣齡數值在97s左右，大多數學生周圍的空氣齡數值都接近平均值，在人員活動范圍內渦流較少，通風效果較為理想。

3 實測驗證

為了驗證CFD模型及模擬結果的準確性，現場進行大學教室速度場的測試，現場測試于2019年5月20號14:00~18:00進行。測試儀器為手持式熱線風速儀。

圖4（a） 送風狀態下對應的排風值

Fig.4(a) The corresponding exhaust air value under the supply air condition

圖4（b） 排風值為1.7m3/h的送風模擬模擬

Fig.4(b) Supply air simulation with exhaust air value of 1.7m3/h

圖4（a）為，實測窗戶全開，僅門上方的通風窗條件下的對應的排風風速。圖4（b）為，本文模擬方法下的送風值（排風值為1.7m3/h）。從圖4（a）中可以發現當窗戶全開時，風速需達到0.5m/s以上才能達到稀釋室內空氣污染物的目的。所以自然通風在教室應用效果有限。

4 結論

應用數值模擬軟件PHOENICS對某中學教師進行模擬，得出了以下結論：

（1）以6次/h作為通風換氣次數，模擬效果較好。

（2）根據圖2～3的結果可以得知，利用室內排風可以有效的改善室內的氣流組織，減少空氣齡數值，使得空氣在室內停留的時間較短，有利于改善室內的空氣品質。

[1] 朱穎心.建筑環境學(第二版)[M].北京:中國建筑工業出版社,2005.

[2] NIOSH, NIOSH(National Institute for Occupational Safety and Healthy)進行的辦公建筑IAQ調查分析結果[R].NIOSH,1993.

[3] Bearg, W David. Indoor air quality and HVAC systems[R]. Lewis Publishers, 1993:12-20.

[4] 馬仁民.國外非工業建筑室內空氣品質研究動態[J].暖通空調,1999,29(2):38-41.

[5] M sandberg, M Sjoberg. The use of moments for assessing air quantity in ventilated rooms[J]. Building and Environment, 1983,18(4):181-197.

[6] 王偉晗,黃志甲,許強生.不同氣流組織形式下空氣齡的實驗研究[J].建筑熱能通風空調,2006,25(2):79-82.

[7] 張華玲,周甜甜.低碳建筑在方案階段的自然通風模擬設計[J].工業建筑,2012,42(2):1-4.

[8] GB 50736-2012,民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范[S].北京:中國建筑工業出版社,2012.

[9] 朱唯,狄育慧,王萬江,等.室內環境與自然通風[J].建筑科學與工程學報,2006,23(1):90-94.

Ventilation Effect Simulation Analysis Based on PHOENICS in University Classroom

Hui Dahao Di Yuhui

( College of Urban Planning and Municipal Engineering, Xi 'an Polytechnic University, Xi'an, 710048 )

Numerical simulation was carried out by PHOENICS2016 and the feasibility of the scheme was determined by k-turbulence simulation. It simulated the indoor exhaust in a university classroom (fresh air enters the room through the open window and is discharged through the exhaust outlet). According to the air age and wind field distribution, the air supply and exhaust in a university classroom were measured and the ventilation effect was analyzed. The results show that the air age values around most students are close to the average 97s at the simulated exhaust air volume of 1.7m3/h, and there is no outdoor wind speed. When the Windows are fully open, the air supply wind speed of 1.5m/s can be reached. Only when the natural ventilation window is fully open can indoor pollutants be removed if the air supply speed is greater than 0.5m/s.

phoenics2016; numerical calculation; indoor exhaust; air age; ventilation effect

TU834.3+3

A

1671-6612（2021）01-078-04

惠大好（1994-），男，在讀碩士研究生，E-mail：huizhihua@163.com

狄育慧（1964-），女，教授，E-mail：470836165@qq.com

2020-06-05