自然通風狀態下室內數值模擬研究

(沈陽建筑大學 遼寧 沈陽 110168)

隨著建筑事業的大力發展，人類活動逐步向室內轉移，良好的室內通風有助于人的身體健康。校園建筑的大力發展，作為同窗這位提供良好的學習壞境；在空調設備相對缺少的課室，借助天然力氣把室內新鮮空氣增添室外，用以保持室外的熱濕均衡，堅持室外相對平穩的舒服狀態。湖南大學的潘尤貴，借助對于長沙地區寓居建筑設計冬冬季室內外熱環境的實測考查，給出來改善室外熱環境的辦法。重慶大學陳啟高、李百戰等等采納熱舒服評估指標PMV—PPD模型和建筑設計動態熱模型及流體力學(CFD)模仿緊密結合的辦法別離對于寵幸地域通風臥室及埋管空氣流通臥室展開了室內氣候及熱舒服模仿剖析，樹立了室外熱環境模擬和評估模型，給出了重慶地區房屋熱舒適指標[1]。本文利用流體模擬軟件FLUEN對沈陽某高校自習室的熱環境進。

一、地理氣象條件與氣流組織

(一)沈陽地區的地理氣象條件

沈陽市位于中國東北地區的南部、遼寧省的中部，屬于溫帶半濕潤大陸性氣候，四季分明，溫差較大，冬季寒冷且持續時間長，夏季時間較短且多雨，春秋兩季氣溫變化迅速：春季多風，秋季晴朗。全年氣溫變化范圍在-29～35℃，平均氣溫8℃。全年平均風速為3.1m/s，最大風速為29.7m/s。

(二)氣流組織

在房間內氣體的流動模式以及通風口所在的位置、通風口的模式和通風口的大小以及數目相關。不同的氣流組織會形成不同的速度場、溫度場、相對濕度以及其他相關空氣參數的分布，對人體舒適度產生不同程度的影響。進風口的入流前提對于房間內速度場的影響一定，而是房間內速度場的散布也直接決定著房間內溫度場。在氣流組織的擠壓與稀拉兩大準則中其，稀拉準則易于逐步形成液體流動的漩渦，在漩渦流區中其的熱濕替換比照顯著，形成了均勻的室內氣流場和熱濕度場，更有利于人體與環境的熱濕交換。因此可見合理的氣流組織設計可把高品質的空氣送到最需要的地方，同時使室內溫度和氣流速度達到均勻，避免冷吹風和溫差過大，在保證空氣品質的同時滿足人體熱舒適[2]。

(三)人體熱舒適

熱舒適是指人體對熱環境的主觀熱反應；而熱舒適度是指人們對客觀熱環境從生理到心理方面所感受到的滿意程度而進行的綜合評價。美國供暖、制冷與空調工程師協會標準(ASHRAE Standard55—1992)[3]中明確定義：熱舒適是指對熱環境表示滿意的狀態。熱舒適度的影響因素分為個人因素和環境因素，環境因素：空氣溫度、濕度、氣流速度以及輻射溫度；個人因素：人體著裝的熱阻以及人體新陳代謝率。不同的氣流組織會在室內形成不同的速度場和溫度場，不同的溫度場和速度場對熱舒適有著不同的影響。

二、模型的建立與邊界條件的設立

(一)自然通風模型的建立

選取沈陽建筑大學某自習室為幾何模型，其幾何尺寸X×Y×Z=7.798m×11.740m×3.724m，外墻包含3個推拉式鋁合金窗戶，尺寸Y×Z=0.765m×1.569m；內墻有兩扇門，尺寸Y×Z=0.828m×2.193m，兩扇門之間的距離為9.784m；室內課桌81張，尺寸為X×Y×Z=0.415m×0.640m×0.838m；室內有燈18個，尺寸為X×Y×Z=1.25m×0.1m×0.05m。在室內選取8個測量點，分別是在外側靠近窗戶處分布3個(由東至西編號分別為1～3)，中間位置分布3個(由西至東編號分別為4～6)，在內測分布2個(由東至西編號分別為7～8)。

圖1 室內分布圖

圖2 室內測點分布圖

(二)邊界條件的建立

1.網格的劃分

現階段常見的網格章節包羅:Hex(六面體章節)，Hex/Wedge(主要應由六面體造成，極個別位置容許有楔形體)。常見的網格類別包羅:Map(規定的構造網格)，Submap(顆構造網格)，Cooper(非構造網格)，TGrid(混合網格)等等。本文采用的是非結構混合網格，網格大小為0.08，增長率為1.2，最大網格為0.2，共劃分出2716085個網格。

2.邊界條件

結合沈陽市自身的氣候特點，教室內進行自然通風時，室內氣流是三維穩態湍流，模擬過程中氣流為低速流動的不可壓氣體，選用κ-ε湍流模型進行模擬求解。測試當日的氣象條件：晴，空氣溫度29℃，南風4級，相對濕度47%。則設置教室窗戶為氣流的速度進口，教室的門為氣流的自然流出口。進風參數值：環境溫度27.3℃，氣溫作為0.93m/s，相對濕度作為57.4%，室外平均輻射環境溫度作為27℃，室內燈作為恒定輸出功率35W。對室內的溫度場和速度場進行模擬分析。

(三)參考平面的劃分

選區三個水平和三個豎直參考平面作為研究平面，參考平面ⅠⅡⅢ為水平參考平面，參考平面ⅣⅤⅥ為豎直參考平面。參考平面Ⅰ為人以腳踝所處的平面，即(x,y,z)=(0,0,0.1)(0，10,0.1)(7,10,0.1)；參考平面Ⅱ為人在坐著學習情況下腹部所在高度，即(x,y,z)=(0,0,0.6)(0,10,0.6)(7,10,0.6)；參考平面Ⅲ為人在坐著學習情況下頭部所在高度，即(x,y,z)=(0,0,1.1)(0,10,1.1)(7,10,1.1)。參考平面Ⅳ(x，y，z)=(0,2.8,0)(0,2.8,3)(5,2.8,3)；參考平面Ⅴ(x，y，z)=(0,5.9,0)(0,5.9,3)(5,5.9,3)；參考平面Ⅵ(x，y，z)=(0，8.9，0)(0,8.9,3)(5,8.9,3)。

三、CFD數值模擬

為了更為直觀的對氣流進行分析，采用了數值與模擬相結合的方法，運用了ANSYS中的FLUENT功能模塊的湍流模型。對于當今應用最廣泛流體力學模擬軟件的FLUENT，包含的湍流模型有單方程(Spalart-Allmaras)模型、k-ω(包含Standard κ-ω和SSTκ-ω)模型、雙方程模型(包含標準κ-ε模型、重整化群(RNG)κ-ε模型、可實現(Realizable)κ-ε模型)、雷諾應力模型(RSM)、大渦模擬模型(LES)組以及最新的分離渦模擬(DES)和V2F模型等。由于κ—ε模型的經濟型和穩定性，因此，在實際操作中采取模型為κ—ε模型。另外激活模擬軟件的傳熱計算功能，用于體現在模擬計算過程中熱量的傳播。

四、模擬分析

隨著室內的分布、朝向、人員活動情況、門窗開啟情況以及室外風速大小和風向的不同，對室內通風會產生不同的影響。根據所建立的物理模型，文中針對測試當天的實際情況進行數值模擬，從而得到了室內氣流組織的溫度、速度云圖以及速度矢量圖。

圖3ⅠⅡⅢ平面的速度矢量圖

每個測點的風壓不同，其測點周圍的氣體流動的方向不同，根據空氣流動基本原理中的風壓平衡定律可知：測點風壓為正時，測點周圍的空氣流動為順時針方向；測點風壓為負時，測點周圍空氣流動方向為逆時針方向。在Ⅰ和Ⅱ平面內的氣流在進氣氣流的末端開始向四周發散，在遇到墻壁的阻擋情況下氣流改變流動方向；由于Ⅱ平面位于教室課桌的下部平面一下，受到可做的阻擋和反射作用，在個別地方的氣流稍顯混亂；由于Ⅲ平面的位置處在進風口底部所處平面的上方，受近期氣流的影響較大，進氣氣流的速度較大，兩側的氣流速度較小，因此在近期氣流的兩側形成漩渦，渦流流動的方向為撿起氣流的左側為逆時針方向，右側為順時針方向。渦流的形成加大室內的熱濕交換效率，明顯增強室內的熱舒適性。

表1 室內各測點風壓

圖4ⅠⅡⅢ平面的速度分布云圖

表2 室內各測點風速表

室內各個測點的風速不同，整體呈現出外側速度小，內測速度大。由于平面Ⅰ和Ⅱ位于進風口底部所在平面的下方，平面Ⅰ和Ⅱ內的風速大小受到進氣風速的影響和室內布置的影響。兩個平面內均出現風速不均的現象，且最大風速小于0.2m/s，未使人感到有吹風感，其中Ⅱ平面受課桌的影響較大，平面內呈現的風速不均現象更加明顯；在平面Ⅲ位于進風口底部所在平面的上側，氣流在室內形成“穿堂風”，在氣流末端的速度為0.5m/s，大于0.3m/s，因此在氣流入口處至氣流末端會使人產生強烈的吹風感，使人感到不適。

圖5 ⅠⅡⅢ平面內的溫度分布云圖

表3 室內各測點溫度分布表

圖6ⅣⅤⅥ平面內的溫度分布圖

由平面Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ可以看出，室內不同高度的溫度分布不同，由底部往上溫度升高，最大溫差為0.8℃。由平面Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ可以看出，在每個平面上，四周的溫度高于中間的溫度。可見，室內總體溫度分布呈現環形分布，環形外部的玩電腦不眼低于環形內部的溫度，同時，有浮生力的作用，熱氣流上升，使得近地面溫度偏低，在垂直于地面的方向上會形成溫度梯度，當溫度梯度過大時，會使人產生不舒適感。

五、結論

通過模擬可以得出，在自然送風情況下，室內在Ⅰ平面溫度分布基本一致(除四周靠近墻壁處溫度較低外)，風度分布相對合理，無使人產生吹風感的區域；在Ⅱ平面內溫度分布在四周大部分區域溫度偏低于中間位置小部分區域溫度，風速分布相對合理，無使人感到吹風感的區域；在Ⅲ平面內除了在進風口區域的風速較大，給人以吹風感，其他地方的氣流速度分布比較合理，由于進氣溫度高于室內溫度，所以室內大部分區域溫度與外界相近。

此次模擬僅對于初夏室內自然通風，其他情況下的通風還需要進一步的研究。