被动式住宅气流组织形式对室内热舒适性影响模拟分析
吴珊 宗妍
摘? 要：随着被动式建筑的发展，降低能耗的同时，室内环境舒适性的问题逐渐受到关注，选择合理的气流组织形式，可以有效提高室内环境热舒适性。该文选取某被动式住宅的一个房间，分析气流组织形式的不同对热舒适性的影响，利用Airpak软件进行数值模拟，给出室内环境PPD指标、空气流速、空气龄的分布状况。模拟结果显示，上送上回式气流组织形式的人员不满意率更低，室内空气换气效果较好，可以营造更好的室内热舒适性。
关键词：被动式建筑;气流组织;热舒适性;数值模拟
中图分类号：TU834? ? ? ? ? ? ? 文献标志码：A
1 物理模型及边界条件
该文利用Airpak软件，对气流组织形式以及室内环境热舒适性影响进行模拟研究，在对该问题的数值模拟过程中，为了模拟结果更清晰且具有推广意义，对该问题研究过程中一些非决定性因素，做出以下简化假设：首先，选取建筑物的围护结构满足我国对被动式住宅围护结构保温性能的规定，密闭性良好，漏风系数很小，可以忽略不计，忽略冷风渗透气流对室内环境的影响;其次，室内空气流动近似为稳态流动，流态为稳定湍流，室内空气可以看作牛顿不可压缩流体，物性参数为常数，这样大大减少了计算步数，且大部分空调房间室内气流的流态为稳定湍流，做此简化不影响结论的推广应用;最后，忽略辐射换热的影响，即在模拟计算中，不考虑房间各维护结构间的辐射换热，不考虑被动式住宅得到的太阳辐射热量，固体壁面上满足无滑移条件。
根据选取的被动式住宅房间的实际尺寸，简化模型，房间大小为4.8 m×4 m×3 m，边界类型是绝热;一扇窗户，模型尺寸为0.9 m×1.2 m，冬季室外计算温度-18 ℃，边界类型为定温;送风口尺寸1.1 m×1.1 m，冬季送风温度取24 ℃，风速为2 m/s;回风口尺寸1.1 m×1.1 m，边界类型为自由出流。热源有：一盏荧光灯，模型尺寸为0.5 m×0.5 m×0.2 m，
荧光灯功率为70 W/盏，边界类型为定热流量;一张床，模型尺寸为1.8 m×2 m×0.5 m，边界类型为定热流量;一台计算机，模型尺寸为0.5 m×0.5 m× 0.5 m，散热功率为120 W/台，边界类型为定热流量;一个人员，模型尺寸为0.3 m×0.25 m×1.2 m，散热功率为85 W/人，边界类型为定热流量。出于简化计算的考虑，计算机、站立的人员、荧光灯均简化为正方体模型，减少计算步数，结果显示直观;送风口、回风口布置在房间对角位置。为了对比2种气流组织形式对室内环境热舒适性的影响，该文建立2个物理模型，模型1为上送上回式气流组织;模型2为上送下回式气流组织。
2 模拟结果分析
根据房间高度3 m，选择1.5 m处为人体平均感受区域，即房间Y=1.5 m平面为模拟研究的界面，对比2个模型的人员不满意百分比-PPD分布图，可以看出，2个模型中的相同点是，以外窗窗口处为中心，向房间中心区域发展，人员不满意率逐渐降低，越靠近窗口人员不满意率越高，紧靠窗口位置，人员不满意率甚至达到100%，这是由于冬季北方地区温度较低，窗户的传热系数较大，窗户散热导致的窗边温度较低，靠近窗口处人员的散热量大，人员会有明显寒冷的感觉，舒适性较差，不满意度较高。模型1即上送上回式气流组织形式，PPD分布云图较为均匀，PPD平均值最低，人员对室内环境的满意度最高，室内环境热舒适性较好，说明上送上回式气流组织形式，房间内空气的扰动性较好，从PPD分布的均匀情况可以看出，无空气滞留区域;模型2即上送下回式气流组织形式，较模型1人员不满意率有所增加，从PPD云图分布上看到，房间中心区域人员不满意率较低，房间没有布置风口的2个角落的周围人员不满意率较高，值得注意的是，在房间一侧的内墙附近较大区域内，人员不满意率都很高，从PPD分布图上也可以看出，人员不满意率增加的区域为房间两侧，这是由于上送下回的气流组织形式对室内气流的扰动性较差，造成仅在模型房间中心对角区域扰动性较强，其他区域容易出现空气滞留区，空气流动性差，通风换气效果较差，室内环境热舒适性较差。
因此，从人员不满意率分布云图上可以直观看出，从人员对室内环境热舒适性的主观满意度角度分析，上送上回气流组织形式，具有较高的人员满意度，下面还对室内空气流速、空气龄进行模拟分析，从客观角度对比2种气流组织形式的优劣。
对比2个模型的风速分布云图，可以看出共同点是，在房间中心区域空气流速较高，符合空气动力学原理，中心区域距离风口较近，空气流速较高，换气效果较好;以中心区域向对角范围扩散，风速按照一定规律衰减，到最远处，风速接近0，也就是容易形成空气滞留区。模拟1的室内平均风速较模型2的高一些，风速分布云图显示，模型2在房间的2个角落处较大范围的风速为0，有明显的空气滞留区，通风换气效果差。风速分布云图显示的结果与人员不满意率云图相对应，风速接近0的空气滞留区，人员不满意率较高，因此，采用上送上回式比上送下回式，室内空气流速分布均匀，空气滞留区少，人员满意度高，室内环境热舒适性好。
对比2个模型的空气龄分布，可以看出共同点是，在房间中心区域空气龄较低，符合空气动力学原理，中心区域换气效果较好;以中心区域向对角范围扩散，空气龄逐渐升高，换气效率降低，总体规律和风速分布云图相同，说明风速较高，换气效率较高，空气龄的值对应较低，换气效果较好。模型1，空气龄整体分布值低一些，说明上送上回气流组织形式，排污能力强，换气效率高，且空气龄分布更均匀，同时注意到模型2的空气龄分布均匀性差，在贴壁范围内空气龄较高，通风换气效率低，空气质量差，因此，上送上回气流组织形式，空气龄分布的均匀性优于上送下回气流组织形式，同时空气龄平均值较低，排污能力强，换气效率较高，通風效果好，室内环境热舒适性较好。
3 结论
综合风速分布、空气龄分布、人员不满意百分百比-PPD分布结果，模型1即上送上回气流组织形式，人员对室内环境热舒适性的满意度较高，空气风速平均0.21 m/s，空气滞留区较小，满足人员需求，具有较低的空气龄数值，排污能力强，换气效率高，通风换气效果较好，室内环境热舒适性满足人员需求。另外，通过对比PPD值分布云图、风速分布云图、空气龄分布云图，容易看出，当室内空气流速较高时，空气龄较低，排污能力较强，通风换气效果较好，随之人员对室内环境的不满意率降低，室内环境热舒适性较好，更加验证了模拟结果的可靠性。通过对比分析模拟结果及数据，不难得出结论：对同一房间，在相同通风换气条件下，上送上回气流组织形式会减少人员的不满意百分比，空气风速满足人员需求，无空气滞留区，空气龄分布均匀且平均值低，换气效率高，室内环境热舒适性较高，因此，被动式住宅宜采用上送上回气流组织形式，更好地满足人员舒适性的需求。
参考文献
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