基于Airpak的某建筑工地活動板房室內(nèi)熱環(huán)境數(shù)值模擬

狄育慧,高亞茹,蔣 婧

(西安工程大學(xué) 城市規(guī)劃與市政工程學(xué)院,陜西 西安 710600)

0 引 言

隨著城鎮(zhèn)化發(fā)展和人口增長迅速,我國建筑業(yè)迅猛發(fā)展,大量的臨時建筑應(yīng)用于永久性建筑物、構(gòu)筑物及道路橋梁、交通設(shè)施等的建設(shè)及使用過程中?；顒影宸孔鳛榕R時建筑廣泛應(yīng)用于建筑工地的辦公和居住。

學(xué)者們對活動板房進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[1-2]對活動板房進(jìn)行了現(xiàn)場實測,得出活動板房室內(nèi)環(huán)境全年相對惡劣,嚴(yán)重影響了人們的身體健康;文獻(xiàn)[3-4]以建筑工地宿舍為研究對象,通過測試與計算得出板房壁厚在70～90 mm范圍內(nèi)經(jīng)濟性最佳;文獻(xiàn)[5]通過對鄭州地區(qū)夏季建筑工地活動板房內(nèi)熱環(huán)境的實測與數(shù)據(jù)分析,得出室內(nèi)空氣溫濕度、壁面溫度的變化規(guī)律及其與室外熱環(huán)境的關(guān)系。但目前研究主要集中在活動板房室內(nèi)熱環(huán)境的實測分析,對人體舒適性考慮較少,且缺少與常規(guī)建筑進(jìn)行對比分析。

Airpak軟件是HVAC領(lǐng)域的一種可靠的模擬工具,可以模擬不同空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)氣流組織形式下的溫度場、速度場、預(yù)測平均投票數(shù)(predicted mean vote,PMV)場、預(yù)計不滿意者的百分比(predicted percentage of dissatisfied,PPD)場[6-7]。本文采用Airpak3.0對西安市某建筑工地的活動板房臨時辦公室進(jìn)行數(shù)值模擬,從溫度場、速度場、PMV場以及PPD場等角度與常規(guī)建筑的辦公室進(jìn)行對比,分析板房室內(nèi)環(huán)境對工作人員熱舒適感的影響程度。

1 物理模型及模擬方法

1.1 物理模型

選取西安市某建筑工地活動板房臨時辦公室為研究對象,房間尺寸大小為6 000 mm×3 000 mm×2 300 mm,板房外墻、內(nèi)墻和屋面由0.5 mm彩鋼板+49 mm巖棉夾心板+0.5 mm彩鋼板組成。與之對比的常規(guī)建筑辦公室的外墻為370 mm混凝土砌塊墻,內(nèi)面白灰粉刷,門窗均為常規(guī)鋁合金防盜門。房間空調(diào)為柜式空調(diào),放置于右側(cè)墻體中間,出風(fēng)口百葉上下活動,空調(diào)送風(fēng)量1 600 m3/h,送風(fēng)溫度25 ℃,送風(fēng)風(fēng)速0.2 m/s[8]。夏季室外干球溫度35.2 ℃。在活動板房內(nèi),工作人員主要以坐姿為主進(jìn)行辦公活動,因此PMV-PPD計算選擇人員靜坐情況,不計人體對外做功[9-10]。一般活動板房圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱惰性較小,故考慮室外太陽輻射對室內(nèi)熱環(huán)境的影響。GB 50736—2012《民用建筑供暖通風(fēng)與空調(diào)設(shè)計規(guī)范》規(guī)定,夏季設(shè)計工況中東西南北4個朝向的太陽輻射強度分別為372 、176 、294、176 W/m2。某建筑工地活動板房臨時辦公室物理模型如圖1所示,活動板房內(nèi)工位從左到右,從上到下依次編號為1～8。

圖1 某建筑工地活動板房臨時辦公室

活動板房室內(nèi)各主要物體具體參數(shù)及邊界條件見表1,其中尺寸表示各物體所占室內(nèi)空間大小。

表1 室內(nèi)物體具體參數(shù)及邊界條件

1.2 數(shù)學(xué)模型

為了便于計算,假設(shè)活動板房臨時辦公室室內(nèi)空氣是不可壓縮流體[11],室內(nèi)空氣流動為穩(wěn)態(tài)流動且空氣為輻射透明介質(zhì),忽略門窗等漏風(fēng)的影響,活動板房氣密性良好。活動板房內(nèi)的空氣流動遵循控制方程組[12],即

1) 連續(xù)性方程

(1)

式中:ui為xi方向的平均速度分量;ρ為空氣密度。

2) 動量方程

(2)

式中:uj為xj方向的平均速度分量;Ui和Uj分別為脈動速度分量;p為空氣壓力;μ為動力黏度。

3) 能量方程

(3)

式中:H和H′分別表示靜焓和脈動靜焓;cp表示定壓比熱容。

流體的流動和傳熱常用的湍流模型有標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型、零方程模型和RNG方程模型。研究表明,使用零方程模型模擬的準(zhǔn)確率比其他模型更高且與實驗結(jié)構(gòu)吻合度好[13-15]。室內(nèi)零方程模型指不需要微分方程而是用代數(shù)關(guān)系式把湍流黏性系數(shù)與均值聯(lián)系起來的模型,即將湍流黏度歸結(jié)為當(dāng)?shù)仄骄俣群烷L度尺度的函數(shù),與湍流的特性參數(shù)無關(guān)[16-17]。最著名的零方程模型是Prandtl提出的混合長度模型[18]。即

(4)

式中:vt為湍流運動黏性系數(shù),m2/s;lm為混合長度,m。

活動板房室內(nèi)的空氣流動采用混合長度湍流模型,利用Boussinesq渦黏性假設(shè)評估雷諾應(yīng)力和通量。

1.3 網(wǎng)格劃分

模型采用六面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,其中各軸向方向節(jié)點間距離不大于最大尺寸的1/20。 對燈具,電腦等熱源以及進(jìn)回風(fēng)口處進(jìn)行局部加密,以更準(zhǔn)確地反映活動板房內(nèi)的氣流組織變化。當(dāng)網(wǎng)格的Face Alignment以及Quality均大于0.15,且網(wǎng)格越接近1其質(zhì)量越好,計算結(jié)果精度越高[19-20],故確保絕大數(shù)網(wǎng)格Face Alignment以及Quality均接近1時,保證結(jié)果具有一定的準(zhǔn)確性。

1.4 計算模型驗證

為了檢驗數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性,采用MI6401熱舒適儀在0.6 m高度(腿部對熱舒適性的判斷區(qū))和1.5 m高度(室內(nèi)人員頭頂上方感知溫度區(qū))處進(jìn)行溫度的測定,并選取溫度穩(wěn)定時的測試數(shù)據(jù)與模擬得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,各工位0.6 m和1.5 m高度模擬溫度與實測溫度對比結(jié)果見表2。

表2 各工位模擬溫度與實測溫度對比

通過對比0.6 m和1.5 m高度的模擬溫度和實測溫度,發(fā)現(xiàn)兩者相差很小,變化規(guī)律也基本一致。在0.6 m高度,最大誤差為6.85%,最小誤差為4.95%,平均誤差為5.84%;在1.5 m高度,最大誤差為6.31%,最小誤差為3.81%,平均誤差為5.05%。2個高度的誤差均為可接受范圍,模型可靠性較好。

2 模擬結(jié)果對比

溫度場指物質(zhì)系統(tǒng)內(nèi)各個點上溫度的集合,速度場指由每一時刻、每一點上的速度矢量組成的物理場。在辦公環(huán)境中室內(nèi)人員大多數(shù)時間以坐姿進(jìn)行辦公活動,因此室內(nèi)人員頭頂上方感知溫度區(qū)為距離地面高約1.5 m,腿部對熱舒適性的判斷區(qū)距離地面約0.6 m[21]。PMV值根據(jù)人體熱平衡計算生成用來表征人體熱反應(yīng)(冷熱感)的評價指標(biāo)[22-23],采用ASHRAE七級分度指標(biāo):-3冷、-2涼、-1稍涼、0中性、1稍暖、2暖、3熱,其中-1到1屬于舒適性指標(biāo)。PPD值為預(yù)計處于熱環(huán)境中的群體對熱環(huán)境不滿意的投票平均數(shù),20%以內(nèi)為可接受范圍[24-25]。主要對距離地面0.6、1.5 m處的溫度場、速度場、PMV場以及PPD場進(jìn)行模擬分析。

2.1 溫度場

在0.6 m和1.5 m高度溫度場分布圖像顯示結(jié)果如圖2～3所示。

圖2 常規(guī)建筑溫度場

圖3 活動板房溫度場

從圖2～3可以看出:在0.6 m和1.5 m高度,常規(guī)建筑和活動板房的溫度場分布在人體、電腦等熱源處的溫度均在32 ℃左右,而靠近柜式空調(diào)的區(qū)域溫度最低。常規(guī)建筑的室內(nèi)溫度分布大部分維持在23～29 ℃之間,處于人體舒適范圍。而活動板房的室內(nèi)溫度大部分區(qū)域偏高,工作人員周圍溫度均在30 ℃以上,僅靠近空調(diào)的小部分區(qū)域溫度在29 ℃以下。夏季人體舒適溫度為23～28 ℃之間,活動板房室內(nèi)溫度明顯超過了夏季人體舒適溫度。相較于常規(guī)建筑辦公室,尤其在夏季,由于活動板房大多采用巖棉夾芯板等輕質(zhì)墻體,對照射在外墻上的太陽輻射量的衰減和延遲不明顯,使得壁面溫度過高,室內(nèi)外空氣溫度衰減和延遲過小,室內(nèi)溫度升高,板房室內(nèi)人員易產(chǎn)生燥熱感,舒適度差。

2.2 速度場

在0.6 m和1.5 m高度速度場分布圖像顯示結(jié)果如圖4～5所示。

圖4 常規(guī)建筑速度場

圖5 活動板房速度場

從圖4～5可以看出:在0.6 m和1.5 m高度,常規(guī)建筑和活動板房的速度場大部分處于-0.2～0.2 m/s之間。其中在1.5 m高度,靠近柜式空調(diào)的區(qū)域風(fēng)速較高,超過0.3 m/s。夏季風(fēng)速小于0.3 m/s時為舒適風(fēng)速,且風(fēng)速小于0.2 m/s時最舒適。常規(guī)建筑和活動板房速度場的分布主要受開窗程度和空調(diào)風(fēng)速的影響。本文開窗程度和空調(diào)風(fēng)速條件設(shè)置相同,因此常規(guī)建筑辦公室和活動板房等臨時性辦公室,其位于0.6 m和1.5 m高度處的風(fēng)速差異不大且基本處于人體舒適范圍。

2.3 PMV場

在0.6 m和1.5 m高度PMV場分布圖像顯示結(jié)果如圖6～7所示。

圖6 常規(guī)建筑PMV場

圖7 活動板房PMV場

從圖6～7可以看出:在0.6 m和1.5 m高度,常規(guī)建筑和活動板房在室內(nèi)工作人員辦公區(qū)域PMV值都較高。由于電腦散熱及人體散熱大且該處風(fēng)速較低導(dǎo)致PMV值偏高。常規(guī)建筑辦公室大部分區(qū)域的PMV值在-0.75～0.75之間,PMV值滿足舒適性指標(biāo)。而活動板房工作人員辦公區(qū)域PMV值較高,其中在1.5 m高度PMV值在1.5以上,遠(yuǎn)超出人體舒適性指標(biāo)。

2.4 PPD場

在0.6 m和1.5 m高度PPD場分布圖像顯示結(jié)果如圖8～9所示。

圖8 常規(guī)建筑PPD場

圖9 活動板房PPD場

從圖8～9的PPD可以看出:在0.6 m和1.5 m高度,常規(guī)建筑和活動板房在室內(nèi)人員辦公區(qū)域PPD值都較高,PPD值均在20%以上。在常規(guī)建筑辦公室PPD值的可接受范圍20%內(nèi),常規(guī)建筑辦公室工作人員的不滿意百分比較低?；顒影宸看蟛糠謪^(qū)域的PPD值約在40%,其中在1.5 m高度最高為65%,該區(qū)域的溫度較高且風(fēng)速較低,位于該區(qū)域的人員舒適感降低,不滿意百分比升高。

3 結(jié) 論

1) 通過本文模擬,在夏季室外干球溫度35.2 ℃條件下,活動板房室內(nèi)溫度、PMV以及PPD值整體高于人體舒適范圍,平均溫度為31 ℃,PMV值在0.6 m高度為0.75以上,1.5 m高度為1.5以上。PPD值在40%左右,部分區(qū)域最高為60%。同等模擬條件下,常規(guī)建筑的溫度、PMV以及PPD基本滿足了人體舒適指標(biāo)?；顒影宸亢统Ｒ?guī)建筑辦公室的風(fēng)速大部分小于人體舒適風(fēng)速0.3 m/s。

2) 夏季活動板房等臨時辦公室內(nèi)溫度波動大,容易出現(xiàn)燥熱感,同時適當(dāng)?shù)丶尤胍欢L(fēng)速的通風(fēng)可輕微緩解燥熱感,但通風(fēng)帶走的熱量對室內(nèi)溫度影響很小,室內(nèi)舒適性仍然較差,室內(nèi)人體滿意度不高。