Airpak软件在被动房暖通系统中的应用研究

    高建会

    

    

    

    【摘要】本文以经德国被动房研究院（PHI）认证的被动房项目——河北高碑店市奥润顺达被动式专家公寓楼某户型为研究对象，并结合Airpak3.0.16软件对带热交换能量回收功能的新风系统进行气流组织模拟研究。

    【关键词】被动房;气流组织;室内空气质量;热舒适性

    随着被动房在全世界的迅速发展，人们的生活环境、学习环境、工作环境发生了巨大的变化。人们逐渐认识到：被动房内的气流组织已经成为影响室内空气质量及热舒适性的重要因素之一。带热交换能量回收功能的新风系统是被动房的标准配备。在为被动房设计带热交换能量回收功能的新风系统时，通常将送风口送风气流当做射流处理，通过射流计算公式计算送风气流射流参数，粗略预测气流的分布情况，但是气流具有不规则的运动轨迹、形式变化多样的特点，传统的射流经验公式并不能预测和直观体现气流分布的特征。随着计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics简称CFD）的应用与发展，计算求解结果可预测和体现气流的流动、传热、传质等过程的细节，在很大程度上弥补了带热交换能量回收功能的新风系统设计中不能预测和直观体现气流分布而造成的不足。

    1. Airpak3.0.16软件特点

    CFD是计算机和流体动力学互相结合的一门学科，主要从计算方法出发，利用计算机快速的计算能力求解流体控制方程得到结果，并在后处理器中显示。随着计算机的广泛应用和迅速发展，CFD不仅得到了飞速发展，而且逐渐成为产品开发研究中的重要工具。Airpak软件是CFD软件中的一员，Airpak3.0.16软件为目前最高版本。

    Airpak3.0.16是一种准确、快速且易于使用的气流组织模拟工具，已经在住宅通风、厨房通风、工业空调、工业通风、建筑外部风环境、车间厂房等设计中得到了应用。在住宅通风方面，主要对室内温度场、室内空气调节区风速、空气龄、PPD、PMV等进行气流组织模拟。它不仅提供了简化气流建模技术，同时网格的快速划分功能与Fluent解算器相结合，根据计算求解结果进行后处理，展示气流组织各种流动特性，可为设计师在短时间内提供解决方案。从而减少设计成本，降低设计风险，缩短设计周期。

    Airpak3.0.16调用 Fluent解算器进行流体动力学计算以及热环境处理时，解算器结合具体的计算模型可提供完整的多种类型的网格，同时允许计算中使用非结构化网格求解形状复杂的模型。图1为Airpak3.0.16软件计算流程。

    2.模型建立

    本文以经德国被动房研究院（PHI）认证的被动房项目河北高碑店市奥润顺达被动式专家公寓楼某户型为研究对象（见图2），采用Airpak3.0.16软件对带热交换能量回收功能的新风系统进行气流组织模拟。被动房专家公寓楼某户型室内带热交换能量回收功能的新风系统，采用由河北绿色建筑科技有限公司专为被动房研发的环境一体机暖通系统。此环境一体机不仅可以向室内提供新风，还可以提供冷热源，承担所需冷热负荷。客厅、卧室等公共区域设置新风风口;卫生间设置集中回风风口;餐厅设置循环风风口;厨房、设备间不设置新风风口、回风风口、循环风风口。

    客厅、卧室的新风口采用双层百叶侧送风方式，可利用贴附式效应增大气流的射流长度。环境一体机暖通系统采用平衡式送风模式，送入客厅、卧室内的空气经过门下缝隙进入溢流区，然后通过集中回风风口进入环境一体机，同新风进行热交换后排出。环境一体机暖通系统与智能电气控制系统相结合，使室内达到“恒温、恒湿、恒氧、恒静、恒洁”的健康舒适状态。

    2.1 条件设置

    Airpak3.0.16软件对环境一体机暖通系统进行气流组织模拟，送风边界条件为机械式送风，回风边界条件为机械式回风，送风风口温度、墙体温度根据实际进行设置。主要边界条件温度设置见表1。

    2.2网格划分

    网格划分质量的高低直接影响计算精准度和显示结果，对于最终解决方案至关重要。为了获取高质量的网格需要将Max X size、Max Y size和Max Z size最大值设置为约房间尺寸的1/20，同时所有送风风口进行网格局部加密处理。网格划分结果如图3所示。

    3. 处理結果及分析

    3.1室内温度场模拟结果

    被动房在冬季制热工况下室内温度要求≥20℃[2]，从模拟结果中可得出，冬季制热工况在空气调节区（通常是指离地面高度为2m以下的区域）[4]内室内温度为20.25℃─21.25℃（见图4），满足要求。被动房在夏季制冷工况下室内温度要求≤25℃[2]，从模拟结果中可得出，夏季制冷工况在空气调节区（通常是指离地面高度为2m以下的区域）内室内温度为23.75℃─24.75℃（见图5），满足要求。

    3.2室内空气调节区风速模拟结果

    根据“被动式超低能耗居住建筑节能设计标准”对室内空气调节区（通常是指离地面高度为2m以下的区域）风速要求<0.15m/s[1]，从模拟结果中可得出，冬季制热工况室内空气调节区（通常是指离地面高度为2m以下的区域）风速<0.11m/s（见图6），满足要求;夏季制冷工况室内空气调节区（通常是指离地面高度为2m以下的区域）风速<0.22m/s（见图7），不满足要求。

    3.3空气龄模拟结果

    被动房室内换气次数要求≥0.3h-1[2]，换算成空气龄指标≤12000s，从模拟结果中可得出，冬季制热工况空气龄<2500s（见图8），满足要求;夏季制冷工况空气龄<3000s（见图9），满足要求。

    3.4 PPD-PMV模拟结果

    根据“ISO 7730建筑热湿环境标准”要求，以预计不满意百分比PPD、预计平均得票数PMV来表述热环境和热舒适度指标。对PPD的数值要求：PPD<10%;PMV的数值要求：-0.5<pmv<0.5