楊 偉，楊琳琳，孫 悅，薛思浩

（遼寧工程技術(shù)大學(xué) 建筑與工程學(xué)院 遼寧 阜新123000）

在我國(guó)建設(shè)部與科技部共同提出“十五”國(guó)家科技重大攻關(guān)項(xiàng)目“綠色建筑關(guān)鍵技術(shù)研究”的研究?jī)?nèi)容中，第五、六點(diǎn)明確指出針對(duì)影響建筑能耗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)——室內(nèi)環(huán)境控制系統(tǒng)，從室內(nèi)空氣質(zhì)量、熱環(huán)境和室內(nèi)綜合環(huán)境等方面系統(tǒng)開(kāi)展研究，為綠色建筑的決策、設(shè)計(jì)、實(shí)施、管理提供有效、可靠的室內(nèi)環(huán)境控制與改善技術(shù)手段，提高我國(guó)在綠色建筑室內(nèi)環(huán)境領(lǐng)域的研究水平，推進(jìn)我國(guó)綠色建筑的發(fā)展。研究合理的氣流組織狀況不但決定著室內(nèi)空氣品質(zhì)是否滿(mǎn)足工作、生活、生產(chǎn)等對(duì)空氣環(huán)境的要求，更是當(dāng)今節(jié)約能源、建設(shè)綠色建筑的重要目標(biāo)[1]。合理的氣流組織，即合理的安排送回風(fēng)口以及送風(fēng)參數(shù)，可以更好地稀釋室內(nèi)污染物濃度，使室內(nèi)的溫度、濕度、流速等滿(mǎn)足工藝要求和符合人們的舒適感覺(jué)[2－3]。

本文利用CFD數(shù)值模擬方法[4－6]，以美國(guó)德克薩斯州理工大學(xué)WERFL提出的低矮建筑標(biāo)準(zhǔn)權(quán)威模型TTU為研究對(duì)象，進(jìn)行低矮建筑的室內(nèi)氣流組織模擬及分析室內(nèi)污染物分布情況，建立相應(yīng)的物理和數(shù)學(xué)模型，對(duì)室內(nèi)氣流組織的分布進(jìn)行數(shù)值模擬；并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析和比較，以獲得快速疏散和排出室內(nèi)污染物的合理氣流組織方法，為綠色低矮建筑的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 物理模型及網(wǎng)格劃分

以TTU（Texas Tech University Building Model）標(biāo)準(zhǔn)低矮建筑為物理模型，其外形尺寸為30ft×45ft×13ft（B9.1m×L13.7m×H4m）[7]，頂面有斜率為1／60的坡度。東墻為受熱面，溫度為T(mén)e；西墻溫度Tw也比室內(nèi)溫度略高，屋頂及地面設(shè)為絕熱壁面。由于該模型房間足夠長(zhǎng)，為使問(wèn)題能合理地簡(jiǎn)化，需使沿長(zhǎng)度方向上布置均勻的送風(fēng)口和回風(fēng)口。因此可以認(rèn)為沿長(zhǎng)度方向的流場(chǎng)均勻，各個(gè)截面上的流場(chǎng)可認(rèn)為基本一致，即在Z方向?yàn)橥ㄓ米兞浚?。通過(guò)以上條件，可以把問(wèn)題近似地簡(jiǎn)化為二維情況來(lái)考慮，利用流體力學(xué)方法進(jìn)行計(jì)算分析[5，8]，如圖1所示。

由于計(jì)算區(qū)域規(guī)則，形狀不復(fù)雜，本文采用均勻網(wǎng)格[5，9]，總網(wǎng)格數(shù)為140×60，此時(shí)網(wǎng)格足夠細(xì)密，再進(jìn)一步加密網(wǎng)格已對(duì)數(shù)值計(jì)算結(jié)果基本上沒(méi)有影響。

2 控制方程和邊界條件

為了簡(jiǎn)化問(wèn)題，模型進(jìn)行以下條件設(shè)定：（1）二維穩(wěn)態(tài)、不可壓縮；（2）熱物性參數(shù)為常數(shù)；（3）采用Boussinesq密度假設(shè)進(jìn)行修正[5，8，10]；（4）無(wú)滑移壁面條件，采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)[11]；（5）采用 mixture混合模型方程。該問(wèn)題流體流動(dòng)控制方程為[5，12]：

圖1 TTU建筑尺寸及其二維模型示意圖（h—風(fēng)口距屋頂距離；b—風(fēng)口高度）

混合模型的連續(xù)方程為：

混合模型的動(dòng)量方程為：

混合模型的能量方程為：

本文應(yīng)用SIMPLE方法[13]求解動(dòng)量方程，采用標(biāo)準(zhǔn)kε湍流方程數(shù)值模擬，方程的離散為一階迎風(fēng)格式，松弛因子的設(shè)定采用默認(rèn)值。邊界條件設(shè)定中為：送風(fēng)口設(shè)為速度入口，出口為壓力出口，室內(nèi)墻壁設(shè)為墻邊界。

3 數(shù)值計(jì)算和討論

3.1 數(shù)值計(jì)算

本文以室內(nèi)空氣（air）為主相，以二氧化碳（CO2）為污染物并作為次相，二者均屬于氣態(tài)連續(xù)物質(zhì)，不需要考慮速度差異。由于連續(xù)介質(zhì)具有粘滯性，因此室內(nèi)氣流組織越好，排污效果就越強(qiáng)。以典型的同側(cè)上送下回式（case1）、異側(cè)上送下回式（case2）空調(diào)系統(tǒng)為研究對(duì)象進(jìn)行模擬，計(jì)算具體參數(shù)見(jiàn)表1：

表1 典型工況時(shí)計(jì)算參數(shù)

圖2 1.7m高度處風(fēng)速大小的變化圖

圖3 相同參數(shù)條件下工況case1、case2的流線圖和等溫圖

由我國(guó)現(xiàn)行規(guī)定的GB50019－2003“采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范”[14]可知，舒適性空調(diào)室內(nèi)夏季風(fēng)速不應(yīng)大于0.3m／s，冬季風(fēng)速不應(yīng)大于0.2m／s，圖2是以中國(guó)男子平均身高1.7m為標(biāo)準(zhǔn)，得到風(fēng)速大小隨房間長(zhǎng)度方向變化的曲線。由圖可知，兩種工況下，在房間寬度（B）中心的左、右3m范圍內(nèi)氣流速度基本小于0.3m／s，符合設(shè)計(jì)規(guī)范的要求，可作為工作區(qū)的使用范圍。

由圖3的流線圖可知，在靠近頂棚的區(qū)域形成了貼附射流，由于房間頂部有一定的坡度，且射流區(qū)下方的空氣在射流的作用下具有向上的分速度，所以在射流的下方形成了明顯的旋渦區(qū)；隨著射流區(qū)不斷擴(kuò)大，導(dǎo)致射流中心的速度和沿程不斷減??；在漩渦的正上方、送風(fēng)口出口處，氣流流速大，靜壓小，而射流下部流速小、靜壓大，這樣就使射流附壁流動(dòng)一段距離，形成貼附效應(yīng)[15]。

由圖3的等溫圖可知，室內(nèi)空氣溫度由西向東是逐漸升高的，且溫度梯度逐漸增大，這是因?yàn)闁|墻為受熱面，溫度明顯高于西墻和室內(nèi)原始溫度，而送風(fēng)口設(shè)置在西墻上，相對(duì)而言更靠近運(yùn)動(dòng)劇烈的低溫氣流，強(qiáng)化換熱效果。兩圖相比較，case2工況的室內(nèi)溫度明顯低于case1工況，因?yàn)樵谕瑐?cè)上送下回式空調(diào)系統(tǒng)中，送風(fēng)氣流流向東墻并與其換熱后，回流氣流可將換熱后的熱量帶入室內(nèi)，使室內(nèi)溫度升高；而case2工況中，大部分換熱后的熱空氣從回風(fēng)口流走，不能重新返回到室內(nèi)，因此室內(nèi)溫度偏低。從圖中可以看出，室內(nèi)工作區(qū)的位置宜設(shè)置在房間寬度（B）中心的左2m至右4m范圍內(nèi)，溫度維持在23℃左右，符合舒適性空調(diào)房間的設(shè)計(jì)要求[16]。

3.2 送風(fēng)口位置對(duì)室內(nèi)氣流組織的影響

圖4是建立在典型同側(cè)送回風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)基礎(chǔ)上（送風(fēng)參數(shù)不變），考慮了h／H變化時(shí)，在距地面1.7m高度處風(fēng)速和溫度的變化。在相同條件下，h／H增大，室內(nèi)空氣射流會(huì)由貼附射流變?yōu)榉琴N附射流；隨著送風(fēng)口距頂棚距離的增加，風(fēng)速也隨之增加，當(dāng)h／H≧1／3時(shí)，室內(nèi)平均風(fēng)速超過(guò)了0.3m／s，氣流速度超過(guò)了舒適性空調(diào)的設(shè)計(jì)要求，使人產(chǎn)生不舒適的吹風(fēng)感。室內(nèi)可提供作為工作區(qū)的范圍只有兩米，范圍明顯比h／H＝0和h／H＝1／12工況所能提供的工作區(qū)范圍小，因此，在以TTU為研究對(duì)象的標(biāo)準(zhǔn)低矮建筑中，送風(fēng)口宜靠近頂棚，采用貼附射流。溫度圖中，隨著h／H的增大，室內(nèi)溫度逐漸降低并趨近于送風(fēng)溫度；當(dāng)h／H≧1／3時(shí)，室內(nèi)溫度在很大的空間范圍內(nèi)等于送風(fēng)溫度，溫度變化平穩(wěn)，但此時(shí)對(duì)應(yīng)的風(fēng)速卻超過(guò)了舒適性空調(diào)規(guī)定的舒適風(fēng)速。綜上，在采用典型上送下回式空調(diào)系統(tǒng)時(shí)，送風(fēng)口距頂棚距離與房間高度之比不宜超過(guò)1／3，采用貼附射流會(huì)使室內(nèi)氣流分布更均勻。

圖4 1.7m高度處風(fēng)速、溫度隨h／H的變化圖

3.3 送風(fēng)口高度對(duì)室內(nèi)氣流組織的影響

由文獻(xiàn)9可知，風(fēng)口面積越小，射流的卷吸率越大，在減小風(fēng)口寬度的同時(shí)增加入口風(fēng)速所造成的室內(nèi)擾動(dòng)風(fēng)量要遠(yuǎn)大于單純?cè)黾尤肟陲L(fēng)速所能得到的擾動(dòng)風(fēng)量。仍以典型同側(cè)上送下回式空調(diào)系統(tǒng)為對(duì)象，將圖3a流線圖（b／H＝1／12）、圖5進(jìn)行比較得出：大風(fēng)口（圖5b）時(shí)的射流還沒(méi)有充分發(fā)揮卷吸室內(nèi)空氣的作用便開(kāi)始迅速下沉，大部分空氣直接進(jìn)入工作區(qū)，使射流對(duì)室內(nèi)空氣的擾動(dòng)能力下降，也就是說(shuō)，空氣進(jìn)入房間后還沒(méi)有同室內(nèi)的空氣進(jìn)行充分的熱濕交換就被排出房間，這樣不但會(huì)造成能量的浪費(fèi)，也很難在工作區(qū)產(chǎn)生一個(gè)均勻的速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)，影響工作的舒適性。因此在滿(mǎn)足房間的換氣次數(shù)的前提下，設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)盡量布置條縫式風(fēng)口來(lái)代替僅采用大風(fēng)口的空調(diào)形式，盡量提高射流對(duì)室內(nèi)空氣的擾動(dòng)量，使新風(fēng)空氣充分與室內(nèi)原空氣與發(fā)生熱濕交換，將污染物迅速排出室外，并得到較均勻的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)。

圖5 b／H＝1／30、b／H＝1／6時(shí)的流線圖

3.4 送風(fēng)速度對(duì)室內(nèi)氣流組織的影響

改變送風(fēng)速度，其他參數(shù)采用表1數(shù)據(jù)，從圖3a流線圖、圖6可以看出，貼附長(zhǎng)度隨著速度的增加而增加，新風(fēng)與室內(nèi)空氣擾動(dòng)更為強(qiáng)烈，但送風(fēng)速度過(guò)大（如圖6b流線圖），就會(huì)產(chǎn)生冷空氣“短路”現(xiàn)象，送入的冷空氣還未與室內(nèi)空氣充分混合就被排出；同時(shí)，大的送風(fēng)速度會(huì)使工作區(qū)的風(fēng)速過(guò)大（超過(guò)0.3m／s），影響工人工作的舒適性，且造成能源的浪費(fèi)。由圖3a等溫圖、圖6等溫圖可知，溫度的衰減隨著速度的增加而變慢，這樣會(huì)使室內(nèi)的區(qū)域溫差加大，造成不舒適感。綜合上述計(jì)算結(jié)果得出：對(duì)于TTU標(biāo)準(zhǔn)低矮建筑模型，入口風(fēng)速在1.5～2.5m／s為宜。風(fēng)速過(guò)小，不能形成理想的貼附射流，而風(fēng)速過(guò)大又會(huì)造成能源浪費(fèi)。

圖6 相同參數(shù)條件下V0＝1m／s、V0＝3m／s時(shí)的流線圖和等溫圖

4 結(jié) 論

1）典型的同側(cè)上送下回、異側(cè)上送下回通風(fēng)方式對(duì)室內(nèi)氣流組織的影響差別不大，搭配合理的送風(fēng)速度可以使室內(nèi)具有良好的氣流組織，有利于室內(nèi)氣流流通，可以有效地排出室內(nèi)污染物，達(dá)到經(jīng)濟(jì)合理、節(jié)能有效的目的，為綠色低矮建筑室內(nèi)通風(fēng)設(shè)計(jì)提供依據(jù)；

2）送風(fēng)口位置和送風(fēng)參數(shù)是影響氣流組織的主要因素，在采用典型同側(cè)上送下回式空調(diào)系統(tǒng)時(shí)，送風(fēng)口距頂棚距離與房間高度之比不宜超過(guò)1／3，可產(chǎn)生貼附射流使室內(nèi)氣流分布更均勻；

3）對(duì)于側(cè)面送風(fēng)形式的通風(fēng)系統(tǒng)，盡量采用縫式的風(fēng)口，相對(duì)于大的送風(fēng)口比較而言其具有更大的擾動(dòng)性，使室內(nèi)空氣與新風(fēng)充分交換熱濕，有利于室溫的均勻性和污染物的排出；

4）對(duì)于TTU標(biāo)準(zhǔn)低矮建筑模型，入口風(fēng)速在1.5～2.5m／s為宜，再增加換氣次數(shù)對(duì)室內(nèi)溫度場(chǎng)和流場(chǎng)的均勻性改善不大，卻使運(yùn)行費(fèi)用增加，浪費(fèi)能源。

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