冬季高校宿舍陽臺對室內環境影響的模擬研究

安法潤，陸萬鵬，*，劉吉營，2，苗紀奎，孔昊辰

(1.山東建筑大學 熱能工程學院，山東 濟南 250101；2.山東格瑞德集團有限公司，山東 德州 253000；3.山東建筑大學 建筑城規學院，山東 濟南 250101；4.山東建大和盛建設項目管理有限公司，山東 濟南 250101)

0 引言

目前，國內高校宿舍的通風換氣大多采用自然通風的方式，由于冬季氣溫較低，宿舍人員為了減少熱量耗散選擇少開窗或者不開窗，這嚴重影響了宿舍空氣的流通，導致宿舍通風量和環境狀況并沒有達到預期目標[1]。宿舍通風量過低對于呼吸道疾病的傳播有顯著影響[2]，利用自然通風可以大大改善冬季宿舍室內環境[3]。陽臺會影響室內外氣流廓線和室內空氣流速，從而改變室內熱舒適性。高校宿舍作為人員相對密集的住所，通風量的微弱變化更容易影響室內人員的學習和生活。李崢嶸等[4]通過計算流體力學(Computational Fluid Dynamics，CFD)模擬研究了陽臺對低層建筑自然通風的影響，表明對單側通風建筑迎風面房間，陽臺能夠提高某些房間的自然通風性能，而對背風面房間的自然通風會產生不利影響。張潔等[5]利用有限元分析軟件ANSYS Fluent對有無陽臺的公寓進行了氣流組織和換氣次數的模擬，表明公寓陽臺對來流的空氣有一定程度的阻礙作用。皮魁升[6]研究了夏熱冬暖地區典型陽臺類型對室內自然通風的影響，指出房間內的通風效果與風向角及陽臺的敞開情況密切相關。IZADYAR等[7]研究表明陽臺深度對平均室內空氣品質的影響顯著依賴于建筑的朝向。

PHOENICS是典型計算流體動力學軟件，可用于求解三維空間可壓縮及不可壓縮流體的穩態、非穩態流動。CONTAM是多區域室內空氣質量和通風分析軟件，通過模擬可以確定建筑物的通風量、污染物濃度和個體暴露。王長鵬[8]采用PHOENICS軟件模擬不同面積房間的分散式與集中式外窗布局下的室內風環境的效果，模擬結果表明在窗墻比固定的情況下，分散式布窗的通風效果優于集中式布窗。HAN等[9]將CFD風環境模擬、CONTAM多區域氣流模擬和EnergyPlus能耗模擬軟件相結合，比較不同空氣滲入率計算方法對建筑能量模擬的準確性，指出在能源模擬中，應選擇CFD多區域耦合方法估計滲透率，以考慮建筑結構、天氣剖面、周圍地形和遮蔽效果的復雜性。HERRING等[10]將CONTAM多區域建筑模擬工具與室外分散模型相結合，評估風壓輸入的保真度及室內模型的復雜度如何影響研究大樓的預測換氣率?？梢钥闯觯S多研究采用了將CONTAM與其他軟件相結合的方法。

雖然前人做了很多研究，但是目前關于陽臺對室內通風影響的研究數據不足，難以支持對陽臺進行合理的改進[11]。關于高校宿舍陽臺對室內通風以及環境影響的研究更少[12]，而此類建筑人口密度較高，更應獲得一定的關注。在將CONTAM應用于氣流模擬時，需要準確的風壓系數，PHOENICS可以提供這些參數，同時PHOENICS需要CONTAM所得風速參數。因此，文章以高校宿舍為切入點，旨在通過PHOENICS仿真模擬和CONTAM通風模擬相結合，重點探究高校宿舍陽臺、宿舍位置、樓間距等因素對室內通風影響，及陽臺對室內熱環境的影響。

1 研究方法

1.1 耦合模擬策略

利用軟件CONTAM進行通風模擬時，需要準確的氣象參數以及風壓系數文件。使用PHOENICS進行室外風環境模擬可以得出建筑表面風壓，為CONTAM提供風壓系數文件。使用PHOENICS進行室內環境模擬時，需要準確的入口邊界條件，包括風量和風速，可以由CONTAM計算得出。所以文章將PHOENICS和CONTAM進行耦合，室內環境模擬耦合策略如圖1所示。

圖1 室內環境模擬耦合策略圖

具體流程為(1)建立PHOENICS宿舍建筑全尺度模型，模擬室外風環境，得出不同房間的風壓系數；(2)將風壓系數作為必要參數輸入CONTAM，結合其他參數設置，模擬得出宿舍通風量結果，分析通風量結果，得出陽臺對宿舍通風的影響；(3)將CONTAM軟件模擬所得風量和風速作為PHOENICS宿舍內部環境模擬的邊界條件，得出陽臺對宿舍內部環境的影響。

1.2 理論基礎

1.2.1 PHOENICS理論基礎

PHOENICS軟件是模擬傳熱、流動、化學反應、燃燒過程的通用CFD軟件，可用于求解三維空間不可壓縮的穩態流動。

PHOENICS模擬基本控制方程為納維－斯托克斯(N－S)方程，由式(1)表示為

式中φ為待求變量，如溫度、速度等；ρ為密度，kg/m3；u為各個方向的速度，m/s；Γφ為對流項；Sφ為源項；t為時間，s。

室外風環境以及室內空氣流動均為湍流流動，應用RNG k－ε模型，其k－ε兩方程由式(2)和(3)表示為

式中k為湍動能；ak＝aε＝1.39；μeff為擴散系數；Gk為平均速度梯度引起的k的產生項；ε為紊動能耗散率；C′1ε為產生項的系數，由時均應變率等計算得到；C2ε為經驗常數，取1.68。

1.2.2 CONTAM理論基礎

CONTAM是多區域室內空氣質量和通風分析軟件，旨在幫助確定建筑物的通風量、污染物濃度和個體暴露。氣流包括建筑系統滲透、排出和房間之間的氣流速率和壓力差，可以是機械通風、風壓引起的空氣流動、熱壓引起的空氣流動。CONTAM軟件能夠計算建筑物通風量隨時間的變化，評估圍護結構對滲透率的影響，評價室內空氣質量控制技術。

CONTAM軟件采用瞬態模擬，由質量守恒定律得其控制方程由式(4)表示為

式中Vi為區域i的體積，m3；mi為區域i空氣的質量，kg；Fji為區域j和i之間的流量，從j流入i為正值，從i流入j為負值，kg/s；ρi為區域i的空氣密度，kg/m3。

在CONTAM軟件模擬過程中，流體流動由伯努利方程控制，假設房間溫度保持不變，同時考慮風壓和熱壓的影響，則房間內外壓力變化由式(5)表示為

式中ΔPij為房間區域內外壓力差；Pi、Pj分別為區域i和區域j的總壓，Pa；ΔPs為兩區域的熱壓差值，Pa；ΔPw為兩區域的風壓差值，Pa。

由PHOENICS模擬得出建筑外表面壓力后，研究中使用的風壓系數由式(6)表示為

式中ΔP為建筑外表面風壓差，Pa；CP為風壓系數；u0為參考高度處風速，m/s。

1.3 PHOENICS模擬

1.3.1 宿舍樓全尺寸模型

宿舍建筑周圍的風環境由PHOENICS模擬得到，進而得出建筑表面的風壓。建立3棟宿舍樓全尺寸模型，中間一棟為研究對象，每棟建筑高H為18 m、寬W為15 m、東西長L為80 m、邊界距離建筑均為15H?？紤]宿舍樓之間的間距對室外風環境的影響，設計了3種不同樓高(H)與樓間距(D)之比的模型，分別為1∶1、1∶2、1∶3。宿舍樓全尺寸模型及網格劃分如圖2所示。

圖2 宿舍樓PHOENICS全尺寸模型圖

1.3.2 宿舍房間模型

宿舍內部模型分為有陽臺和無陽臺兩種類型，宿舍整體尺寸均6.0 m×3.2 m×3 m(長×寬×高)，其中陽臺面積為4.8 m2。門為關閉狀態，滲透通風為門下方設置的面積較小的開口。外窗分為兩部分，一部分設置為入口邊界，另一部分設置為無風速開口。內窗設置為1 m×0.1 m。房間內設置兩臺鑄鐵散熱器，每臺散熱器整體高為55 cm、寬為35 cm、厚度為10 cm。每臺散熱器距離地板20 cm，距離墻壁10 cm。宿舍房間模型及網格劃分如圖3所示。

圖3 某典型宿舍模型圖

1.3.3 參數設置

室外風環境模擬風速采用濟南冬季室外平均風速2.9 m/s，考慮不同來流方向對建筑表面風壓的影響，研究對來流方向為0°、30°、60°、90°、120°、150°、180°、210°、240°、270°、300°和330°等12種工況進行了模擬，得到來流方向不同時建筑周圍風環境以及建筑表面風壓。以30°風速方向為例，一層東南位置某房間外墻表面風壓系數，如圖4所示。

圖4 一層東南側宿舍外墻表面風壓系數圖

宿舍內部環境模擬時室外溫度設定為0℃，散熱器表面溫度為60℃。外窗入口設置4種開窗面積分別為0.044、0.088、0.132、0.176 m2；開口設置4種開窗面積分別為0.052、0.104、0.156、0.208 m2；對應不同外窗開窗寬度(Window Width，WW)分別為0.08、0.16、0.24、0.32 m。用CONTAM模擬所得風速為:有陽臺時0.16～0.24 m/s，平均風速為0.21 m/s；無陽臺時0.24～0.30 m/s，平均風速為0.29 m/s。入口風速有陽臺時設置為0.21 m/s，無陽臺時設置為0.29 m/s。內墻傳熱系數為1.557 W/(m2·K)，外墻傳熱系數為0.548 W/(m2·K)。

1.4 CONTAM模擬

1.4.1 宿舍樓模型

CONTAM軟件中宿舍模型同樣為有陽臺和無陽臺兩種類型，每種工況宿舍尺寸相同，宿舍樓模型如圖5所示。有陽臺房間的氣流通道為門、內窗和外窗，無陽臺房間的氣流通道為門和窗。門窗均采用雙向流路徑，樓梯間設計單向流的孔口路徑。每棟樓有6層，每層有56個房間，其中包括活動室和學生宿舍。文章重點研究學生宿舍的通風狀況，簡化了模型，并將房間分為6個區域，具體劃分如圖5(b)所示。

圖5 宿舍樓CONTAM模型圖

1.4.2 參數設置

房間溫度設定為20℃。氣象參數按照GB 50736—2012《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》要求[13]，風速設置同1.3.3，風向采用冬季最多方向E[13]。雙向流路徑時，流動指數為0.78，外窗開度寬度為0.08 m。CONTAM中所需要的風壓由式(6)計算得出，同一區域的風壓文件相同。

1.5 評價標準

研究結果的評價標準主要有兩個方面:(1)宿舍人員密度≤0.4人/m2，最小新風量為26 m3/h[13]，宿舍為自然通風，新風量等同于通風量，默認為4人間時，通風量不宜≤104 m3/h；(2)冬季宿舍熱舒適的評價標準主要為溫度，供暖室內溫度不低于18℃[13]。

1.6 模擬驗證

1.6.1 PHOENICS全尺寸驗證

參照MENG等[14]的研究進行模擬以驗證PHOENICS全尺寸模型邊界條件和參數設置的準確性。對于計算區域的大小，橫向邊界和頂部邊界距離建筑設置5H以上，入口邊界與建筑之間的距離設置為與風洞內光滑地面覆蓋的迎風區域相對應，出流邊界應與建筑物保證10H以上的距離。對比分析如圖6(a)所示，模擬與實驗結果平均誤差低于8%，驗證了全尺寸數值模擬的準確性。

1.6.2 PHOENICS室內模擬驗證

參照HORIKIRI等[15]的研究進行模擬驗證PHOENICS室內模型邊界條件和參數設置的準確性。在其研究中，引入熱舒適溫度Tcomfort來評價房間的熱舒適，并將結果統一成無量綱數值θ以便比較，對比分析如圖6(b)所示，模擬與實驗結果平均誤差低于5%，驗證了室內環境模擬的準確性。

1.6.3 CONTAM模擬驗證

CONTAM通風模擬部分參照ZHU等[16]的研究進行驗證。選擇低通風量建筑中的3個房間，分別比較了關閉門窗、只開門、只開窗3種情況下的通風量，比較結果如圖6(c)所示。模擬與實驗結果平均誤差低于7%，驗證了研究邊界條件和參數設置的準確性，為進一步模擬奠定了基礎。

圖6 實驗與模擬結果對比圖

2 模擬結果及分析

2.1 陽臺對宿舍通風量的影響

有無陽臺時不同房間的通風量狀況如圖7所示。有陽臺時宿舍通風量明顯低于無陽臺時，這可能是內墻對氣流組織的影響。有陽臺時宿舍的最大、最小通風量分別為75.34、56.19 m3/h；無陽臺時宿舍最大、小通風量分別為94.61、81.83 m3/h。有無陽臺時最大通風量均不滿足室內通風量標準，這可能跟開窗大小有關。兩種情況下，最大通風量均在7:00左右，最小通風量在16:00—18:00。有陽臺時宿舍24 h通風量的變化程度大于無陽臺時。有無陽臺時通風量的差值如圖8所示，在通風量最大的時刻，有無陽臺通風量差值最小；相反，在通風量最小的時刻，該差值最大。不同位置的房間有無陽臺的通風量差值不同，東北側房間通風量差值大于西北側房間。

圖7 有無陽臺時三樓西北側房間的通風量圖

圖8 東北和西北側房間有無陽臺時通風量之差圖

2.2 宿舍建筑特征對通風量的影響

2.2.1 宿舍位置對通風量的影響

受盛行風向以及建筑布局等因素的影響，同一樓層不同位置房間的通風量有所不同。如圖9所示，有陽臺時不同位置的宿舍通風量的差別較大，其中東北和西南位置的宿舍通風量最大，平均通風量為64.3 m3/h；正北和正南位置的宿舍通風量最小，平均通風量為60.87 m3/h。無陽臺時不同位置的宿舍通風量的差別較有陽臺時小，其中正北和正南位置的宿舍通風量最大，平均通風量為91.24 m3/h；東北和西南位置的宿舍通風量最小，平均通風量為88.76 m3/h。在建筑對角位置的宿舍通風量大致相同。由上可知，陽臺對于南北側宿舍通風量的影響最大，對東北側和西南側宿舍通風量的影響最小。受盛行風的影響，東北、西南側宿舍室內外壓差較大，這在一定程度上削弱了陽臺對氣流的阻礙作用。而南北側宿舍受到相鄰建筑的影響，盛行風受阻擋，導致室內外壓差較小，陽臺對通風量的影響較為明顯。

圖9 不同位置房間有無陽臺時的通風量箱形圖

2.2.2 宿舍樓層對通風量的影響

隨著建筑高度的變化，建筑內外壓差發生變化，通風量也會不同。有無陽臺時不同樓層房間的通風量如圖10所示。有陽臺時一層宿舍通風量最小，平均通風量為60.87 m3/h；六層通風量最大，平均為72.08 m3/h，并且隨樓層的增高，宿舍通風量的增加較均勻，宿舍最大與最小通風量相差值為29.23 m3/h。無陽臺時一至三層宿舍通風量逐漸減小，三層宿舍通風量明顯低于其他樓層，三層平均通風量為85.7 m3/h，四至六層宿舍通風量逐漸增加，六層平均通風量為96.21 m3/h，宿舍最大通風量與最小通風量相差19.58 m3/h。分析發現無陽臺時三層通風量最小，主要由于無陽臺時宿舍樓內壓力受中和面的影響較大，陽臺的布置削弱了樓內中和面的影響，使得壓力變化有了緩沖。

圖10 不同樓層北側房間的通風量圖

2.2.3 宿舍樓間距對通風量的影響

不同宿舍樓間距時，宿舍樓北側房間的通風量對比如圖11所示。由圖11(a)可知，有陽臺時樓間距對四至六層宿舍的通風量影響較小，在樓高與樓間距之比為1∶3時，二、三層宿舍通風量略大于其他兩種情況。由圖11(b)可知，無陽臺時一至三層在樓高與樓間距之比為1∶3時，四至六層在樓高與樓間距之比為1∶2時，通風量最大。因此，樓高比樓間距為1∶2或1∶3時，更有利于宿舍通風，在建設宿舍時，結合實際情況，可以優先選擇這兩種布局形式。

圖11 不同樓間距時北側房間的通風量箱形圖

2.3 陽臺對宿舍內溫度分布影響

評價環境舒適與否的重要因素之一是環境溫度，冬季溫度的重要性更為突出。宿舍內外窗開窗寬度均為0.08 m時，x－z面高度方向溫度分布如圖12所示?？梢钥闯?，有陽臺時，陽臺溫度變化較為劇烈，溫度分層現象比較明顯。在高度1.1 m處，居住區域平均溫度約為17.95℃，滿足冬季室內供暖要求溫度。無陽臺時，居住區域平均溫度約為14.15℃，比有陽臺時低約4℃，低于冬季室內供暖要求溫度。宿舍有陽臺時，可以有效地將冷空氣限制在陽臺區域，使冷熱空氣進行混合，從而流入居住區域的空氣溫度變化較小。無陽臺時居住區域更容易受到窗口氣流的影響，冷空氣直接流入房間，由于密度大而下降，在地板附近與室內熱空氣進行混合，導致地面附近有明顯的溫度波動，這會導致室內人員腳踝與上肢體感溫差較大，加劇不舒適感。

圖12 外窗開窗寬度為0.08 m時宿舍溫度分布圖

此外，還分析了開窗寬度的影響。外窗開窗其他寬度時宿舍居住區域1.1 m處平均溫度對比見表1。WW為0.16 m時平均溫度比WW為0.08 m時降低約0.53℃。隨著開窗寬度的增加，無陽臺時宿舍內溫度的降低比有陽臺時更顯著。開窗導致的溫度下降會使室內人員傾向不開窗行為，那么通風量會隨之下降，空氣品質將無法保證。

表1 不同工況時宿舍平均溫度表

3 結論

文章利用PHOENCIS和CONTAM耦合計算方法，重點分析宿舍陽臺、位置、樓層等因素對高校宿舍室內通風狀況影響，及陽臺和開窗寬度對室內熱環境的影響。得到以下結論:

(1)宿舍陽臺對人員活動區內通風量有明顯影響，有陽臺時平均通風量比無陽臺時低22.48 m3/h。有陽臺時，東北和西南側宿舍通風量最大，南北側宿舍通風量最??；而無陽臺時，東北和西南側宿舍通風量最小，南北側宿舍通風量最大。陽臺的設置，使得通風量整體降低的同時，在同樓層不同位置的房間也存在較大差異。

(2)有陽臺時，宿舍樓層越高，通風量越大；無陽臺時，一至三層宿舍通風量逐漸減小，四至六層宿舍通風量逐漸增加，三層宿舍通風量明顯低于其他樓層。樓高與樓間距之比為1∶2或1∶3時，對宿舍通風較為有利。

(3)有陽臺時宿舍居住區域溫度梯度較小，并且在高度1.1 m處其平均溫度高于無陽臺時；陽臺的布置使得居住區域的熱環境更好。在同樣的供暖溫度下，有陽臺時室內居住區域溫度基本滿足室內供暖要求溫度，而無陽臺時不滿足。