CFD在住宅室內(nèi)設(shè)計中的應(yīng)用

蘇華東 龔七一

在住宅室內(nèi)設(shè)計中,合理的室內(nèi)氣流組織不僅能營造舒適健康的居室熱環(huán)境,還能降低住宅今后的使用能耗。CFD軟件是計算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics)軟件的簡稱,是專門用來進(jìn)行流場分析、流場計算、流場預(yù)測的軟件。借助CFD軟件對室內(nèi)氣流的模擬,我們可以了解室內(nèi)空氣分布的詳細(xì)情況,并通過分析發(fā)生在流場中的現(xiàn)象,對室內(nèi)設(shè)計進(jìn)行調(diào)整,合理組織室內(nèi)氣流,提升住宅的節(jié)能性和舒適性,從而達(dá)到最佳設(shè)計效果。

1 空調(diào)房間的氣流組織與節(jié)能

一般來講,空調(diào)房間的氣流組織是指通過空調(diào)房間送、回風(fēng)口的選擇和布置,使送入房間的空氣在室內(nèi)合理地流動和分布,從而使空調(diào)房間的溫度、濕度、速度和潔凈度等參數(shù)能很好地滿足生產(chǎn)工藝和人體熱舒適的要求。然而,對于普通住宅而言,房間尺寸較小,一定程度上限制了室內(nèi)空調(diào)器的擺放位置,且室內(nèi)機(jī)位置還受室外機(jī)位置及配管長度的限制。室內(nèi)設(shè)計的原則以根據(jù)不同功能空間內(nèi)人員活動的狀態(tài)特點以及空調(diào)所能擺放的位置來進(jìn)行平面布置,使具體工況條件下的氣流組織重點滿足人員活動密集區(qū)域的熱舒適度要求為準(zhǔn),對于人員活動較少的區(qū)域可放寬其對舒適度的要求,從而降低空調(diào)能耗,提高能源效率,達(dá)到節(jié)能的目的。

2 室內(nèi)設(shè)計方案的CFD模擬

本文以重慶市某小區(qū)七樓一戶型的兩個設(shè)計方案為例,為簡化模型的建立工作,取空間較大、家具陳設(shè)較為復(fù)雜的客廳為研究對象(見圖1,圖2)?？蛷d長、寬、高尺寸分別為6.5 m×6 m×2.8 m,墻面為內(nèi)粉刷,吸聲石膏板吊頂,鄰室、樓道均為空調(diào)房間,不考慮墻面?zhèn)鳠?。該客廳夏季采用海爾柜式空調(diào)制冷,大部分時間人員靜坐于沙發(fā)上。

2.1 物理模型

考慮到計算機(jī)內(nèi)存和計算速度,在不影響計算結(jié)果的前提下,對模型進(jìn)行適當(dāng)簡化:房間玄關(guān)與左邊玻璃平面補(bǔ)齊,因室內(nèi)各處窗戶關(guān)閉,將客廳內(nèi)的兩個門洞以實墻填補(bǔ)?？照{(diào)室內(nèi)機(jī)上部為0.5 m×0.3 m送風(fēng)口,下部為0.5 m×0.5 m回風(fēng)口,送風(fēng)方向與水平面夾角成45°。Airpak 2.1建模如圖3,圖4所示。

2.2 數(shù)學(xué)模型和邊界條件

2.2.1 數(shù)學(xué)模型

CFD技術(shù)在室內(nèi)熱環(huán)境中的應(yīng)用是基于對室內(nèi)不可壓縮氣體質(zhì)量、動量、能量守恒微分方程的離散化處理及其數(shù)值解析[1]。本文是一個紊流的三維穩(wěn)定流場流動問題,基于空氣紊流特性的微觀解析,采用室內(nèi)零方程模型求解方程組,限于篇幅,關(guān)于該模型的詳細(xì)介紹本文不再敘述。為了簡化問題,并作如下假設(shè)[2]:

1)室內(nèi)空氣低速流動,可視為不可壓縮流體且符合Bossinesq假設(shè);2)流動為穩(wěn)態(tài)流動;3)室內(nèi)空氣為輻射透明介質(zhì);4)不考慮門的影響;5)不考慮漏風(fēng)影響,認(rèn)為房間氣密性良好。

2.2.2 邊界條件

入口邊界:室內(nèi)空調(diào)送風(fēng)速度為2 m/s,送風(fēng)溫度為20℃。

出口邊界:出口邊界采用局部單向化處理,即假定出口界面上的節(jié)點對第一個內(nèi)節(jié)點已無影響,因而可令對內(nèi)節(jié)點的影響系數(shù)為零,這樣無需知道出口邊界上的值[3]。

壁面邊界:室內(nèi)壁面邊界條件設(shè)為恒溫邊界,南墻和東墻壁溫為 30℃,南窗和東窗為36℃,其余壁溫均為29℃;電視設(shè)為熱流邊界,熱流量為180 W;客廳吊燈總熱流量為90 W。人體簡化為棱柱形,每人總熱流為75 W;其余物體邊界設(shè)為絕熱邊界。

3 CFD技術(shù)用于指導(dǎo)優(yōu)化室內(nèi)設(shè)計

3.1 在設(shè)計中組織平面功能布局

圖5～圖7為客廳方案A中Y=0.9 m截面上的溫度和熱舒適性評價指標(biāo)PMV,PPD的分布圖。

Y=0.9 m平面大致上是坐在沙發(fā)上的人員頭頸部的位置,是對環(huán)境舒適性感受最強(qiáng)烈的位置。圖5～圖7中客廳方案A布局經(jīng)模擬所得的這樣一種溫度分布狀態(tài),對設(shè)計而言顯然是不合理的,在這種平面布局下,人員所處的室內(nèi)環(huán)境溫度過高,沒有較好的熱舒適感受,而溫度適宜的區(qū)域卻沒有被很好的利用。

在這種設(shè)計方案下,為了使位于沙發(fā)區(qū)域的人員能夠滿足熱舒適度的要求,就不得不加大室內(nèi)空調(diào)的送風(fēng)速度或降低送風(fēng)溫度,這勢必將增加耗電量,常年累月將產(chǎn)生非常可觀的電量消耗,并且加大送風(fēng)速度還會使房間內(nèi)的平均風(fēng)速過高,有明顯的吹風(fēng)感,影響舒適,而降低溫度也會使原本如客廳中心區(qū)域附近已經(jīng)達(dá)到舒適度要求的地方變得較冷,不利于能源的經(jīng)濟(jì)利用。

這樣一種設(shè)計方案從利用室內(nèi)設(shè)計滿足人員舒適要求的角度出發(fā),是不可取的方案。將室內(nèi)設(shè)計方案調(diào)整至客廳方案B所示的布置,則在不改變原空調(diào)送風(fēng)溫度和速度的條件下,位于沙發(fā)區(qū)域的人員即能得到較好的熱舒適性(見圖8)。

3.2 在設(shè)計中組織室內(nèi)氣流

客廳方案A中,冷風(fēng)自空調(diào)柜機(jī)出來后經(jīng)過隔斷的阻隔,一部分反彈到了回風(fēng)口,另一部分則流向斜對面的墻角,再慢慢流動到沙發(fā)區(qū)域,此時,冷風(fēng)的溫度和速度衰減都非常大,到達(dá)沙發(fā)區(qū)域的風(fēng)速均小于0.15 m/s。

根據(jù)以上情況,將設(shè)計方案調(diào)整至客廳方案B后,經(jīng)過沙發(fā)背后隔斷的有效攔截,大部分的冷風(fēng)氣流都在沙發(fā)區(qū)域循環(huán),能夠快速降低該區(qū)域的溫度至舒適范圍,該區(qū)域大部分的風(fēng)速小于0.25 m/s,在舒適度標(biāo)準(zhǔn)范圍以內(nèi)。

由此可見,通過對室內(nèi)氣流的模擬,可以對室內(nèi)設(shè)計方案在氣流組織上的好壞進(jìn)行預(yù)先判斷,并根據(jù)分析判斷結(jié)果,運用隔斷、家具、吊頂?shù)炔煌问降氖覂?nèi)設(shè)計手段來優(yōu)化氣流組織,使之導(dǎo)向人員密集活動的區(qū)域形成良好的熱舒適環(huán)境。此外,運用CFD技術(shù)的模擬,我們還可以對室內(nèi)設(shè)計中所采用的不同裝飾材料所帶來的不同舒適感受進(jìn)行研究,以使室內(nèi)設(shè)計能夠從技術(shù)上加以控制,使之創(chuàng)造出更好的健康節(jié)能室內(nèi)環(huán)境。

4 結(jié)語

從本次模擬可知,運用CFD技術(shù)能較好地對住宅室內(nèi)的溫度場、速度場、空氣齡以及熱舒適性等進(jìn)行分析,并根據(jù)分析結(jié)果,對室內(nèi)設(shè)計方案進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化,根據(jù)門窗、空調(diào)、隔斷等的位置,合理組織室內(nèi)氣流,提高空調(diào)制冷采暖的效率,降低住宅使用能耗,從而減少室內(nèi)設(shè)計的盲目性。

[1] Jelena S,Chen QY.Validation of Zero-Equation turbulence Model for Complex Indoor Airflow Simulation[J].ASHRAE Trans,1999(105):414-427.

[2] SV帕坦卡.傳熱與流體流動的數(shù)值計算[M].張 政,譯.北京:科學(xué)出版社,1984:13-18.

[3] 陶文銓.數(shù)值傳熱學(xué)[M].第 3版.西安:西安交通大學(xué)出版社,1988:290.