劉思煦[譽德生態(tài)技術咨詢（上海）有限公司，上海 200040]

冬季住宅室內空氣環(huán)境的數值模擬研究

Simulation Study on Indoor Air Quality on Residential Building in Winter

劉思煦[譽德生態(tài)技術咨詢（上海）有限公司，上海 200040]

建筑是人們日常生產、生活、學習的重要場所，建筑環(huán)境的優(yōu)劣直接影響人們的身心健康。采用Airpak軟件，對住宅室內環(huán)境進行數值模擬，分析其流場、溫度場、空氣齡、PMV、PPD的相關指標來評估室內空氣質量。結果表明：基于對流場、溫度場、空氣齡、PMV、PPD的熱環(huán)境數值進行預測，可為住宅室內熱環(huán)境研究、空調節(jié)能運行及住宅套內設計提供依據。

氣流組織；熱環(huán)境；空氣齡；PMV；PPD；空氣質量

隨著社會生產力的不斷發(fā)展，人們對建筑的需求經歷了掩蔽所、舒適建筑、綠色建筑、健康建筑這樣 4 個階段。主要原因是隨著生產、生活的網絡化、信息化，人們在室內的時間越來越長。據統(tǒng)計，人的一生有80%的時間在室內度過，室內環(huán)境的好壞直接關系到人體健康的好壞。如若室內空氣質量不佳，則容易引起建筑病態(tài)綜合癥(SBS)、大樓并發(fā)癥(BRI)、多種化學物過敏癥(MCS)等，造成損失。因此，改變室內環(huán)境質量刻不容緩?，F如今國家相繼推出 GB 50378—2014《綠色建筑評價標準》、《健康建筑評價標準》，為綠色健康建筑提供依據。因此，室內空氣環(huán)境的預測與評價，已成為現代通風空調工程研究的課題之一，而通過數值預測和評價的方法，是一種更為有效的方法，將越來越被人們所重視[1]。

科研學者已經對室內空氣環(huán)境進行相關研究。李先庭教授、王偉晗等人通過示蹤氣體分析房間空氣齡，提出空氣齡作為衡量空氣品質的一個重要指標[2-3]。吳丹尼等人通過數值模擬方法得到室內機送風角度、送風速度、空調器的不同擺放位置、空調器數量的不同將產生差異明顯的室內溫度場，影響室內熱舒適性[4-5]。姚潤明等人采用熱舒適評價指標 PMV-PPD 分別對重慶地區(qū)自然通風房間和埋管送風通風房間進行了室內氣候及熱舒適模擬分析[6]。

在前人研究的基礎上，本文以 Airpak 軟件為基礎，建立住宅模型，分別在客廳、臥室、書房設置柜式空調器和壁掛式空調器進行數值模擬，分析住宅室內流場、溫度場、空氣齡、PMV、PPD 等相關指標，對房間的氣流組織、熱舒適性和室內空氣品質進行全面綜合評價。

1 評價指標

1.1 PMV——預測平均評價(Predicated Mean Vote)

PMV 指數是以人體熱平衡的基本方程式以及心理生理學主觀熱感覺的等級為出發(fā)點，考慮了人體熱舒適感諸多有關因素的全面評價指標，即人體處于不冷不熱的“中性”狀態(tài)或認為“中性”的熱感覺為熱舒適。Fanger 收集了 1 396 名美國和丹麥受試者的冷熱感覺資料，以反映同一環(huán)境下絕大多數人的冷熱感覺[7-8]，得出式(1)：

式中：M——人體能量代謝率；

TL——人體熱負荷。

PMV 指標采用了 7 級分度，見表 1。

表1 PMV 熱感覺標尺

1.2 PPD——預測不滿意百分比(Predicated Percent Dissatisfied)

PPD 指數為預計處于熱環(huán)境中的群體對熱環(huán)境不滿意的投票平均值。PPD 指數可預計群體中感覺過暖或過涼。“根據 7 級熱感覺投票表示熱(+3)，溫暖(+2)，涼(-2)，或冷(-3)”的人的百分數。PMV 指標代表了同一環(huán)境下絕大多數人的感覺，但是人與人之間存在生理差別，因此 PMV指標并不一定能夠代表所有個人的感覺。因此Fanger又提出了預測不滿意百分比 PPD[7]，得出式(2)：

PPD=100-95exp[-(0.03353PMV4+0.2179PMV2)](2)PPD 與 PMV 的關系，見圖 1。

圖1 PPD 與 PMV 的關系曲線

從圖 1 中可見，PMV=0 時，PPD 為 5%。即意味著在室內熱環(huán)境處于最佳的熱舒適狀態(tài)時，仍然有 5% 的人感到不滿意。因此 ISO 7730 對 PMV-PPD 指標的推薦值在-0.5～0.5 之間，相當于人群中允許有 10% 的人感覺不滿意。

1.3 空氣齡(Age of Air)

空氣齡最早在 20 世紀 80 年代由 Sandberg 學者提出的[8]?？諝恺g既反映了室內空氣的新鮮程度，又反映了去除污染物的能力?？諝恺g又稱空氣年齡，所謂的空氣年齡，從表面意義上講是空氣在室內被測點上的停留時間，而實際意義是指舊空氣被新空氣所代替的速度。最新鮮的空氣應該是在送風口的入口處，空氣剛進入室內時，空氣齡為零，此處空氣停留時間最短，陳舊空氣被新鮮空氣取代的速度最快。最陳舊的空氣出現在何處，由室內氣流分布情況而定。一般來說空氣齡數值越小，表示空氣越新鮮，本文數值模擬中得到平均空氣年齡(Mean Age of Air)。

2 數值模擬

2.1 物理模型

研究對象為上海某住宅小區(qū)的某一戶型，房間整體尺寸為 9.7 m×8.46 m×2.9 m，住宅戶型為三室(兩個臥室一個書房)兩廳一廚一衛(wèi)，本模型由于廚房、衛(wèi)生間未設置空調，暫不考慮其室內環(huán)境?？蛷d和餐廳共用一臺柜式空調器，兩個臥室和書房各用一臺壁掛式分體空調?？蛷d、餐廳、臥室、書房各設置一盞吊燈，書房設置一臺電腦，客廳設置一臺電視機，均為散熱源。同時該戶型為小戶型，按常規(guī)考慮為 3 人使用，人設置位置分別為客廳、臥室、書房，其中客廳、書房的人考慮為坐姿，臥室的人考慮為站姿，同時房間使用者也為散熱源。模型窗戶位置均按照實際窗戶位置考慮。本模型考慮冬季住宅室內的熱環(huán)境，經過適當的簡化處理，模型如圖 2 所示。

圖2 住宅三維物理模型

2.2 數學模型

求解溫度場、流場的核心是求解流體控制方程。室內流體流動則需滿足質量守恒定律、動量守恒定律、能量守恒定律和組分守恒定律，控制方程的通用形式為式(3)

α(ρφ)/αt+div(ρμφ)=div(Γgradφ)+S (3)

式中：φ——通用變量，可代表 μ、v、w、T 等變量；

μ——速度矢量；

Γ——廣義擴散系數；

S——源項。

2.3 假設及邊界條件

為了簡化問題，做出如下假設：

(1) 房間內的空氣為不可壓縮空氣且符合 Bossinesq假設；

(2) 房間內空氣流動為穩(wěn)態(tài)湍流；

(3) 忽略固體壁面及室內物體間的熱輻射；

(4) 室內空氣為輻射透明介質；

(5) 忽略門、窗的漏風影響，認為室內氣密性良好。

住宅地理位置為上海，冬季空調室外計算溫度為 -2.2 ℃，內部熱源為人員、電腦、電視、燈具。求解模型采用室內零方程模型[9]。數值模擬計算的邊界條件見表 2。

表2 數值模擬計算邊界條件

3 數值模擬結果與分析

本文選取截面 Z=1.2 m(人員靜坐高度水平面)、截面Y=1.2 m (臥室送風垂直面)、截面 Y=2 m (客廳送風垂直面)、截面 Y=5.8 m (書房送風垂直面)。

3.1 室內速度場與溫度場

圖3～5 描述了整個住宅人員靜坐高度水平面的速度場、溫度場分布。從圖 3 中可得整個住宅室內氣流有射流、回流和渦流 3 種形式，但是并不存在無風區(qū)以及建筑死角，人員靜坐水平面高度處基本無家具，不會阻礙氣流流向，整個住宅室內氣流還是十分均勻的。從圖4中可得客廳氣流水平射出，臥室、書房氣流 45°角向房間下方射出，氣流逐漸減弱，客廳沙發(fā)區(qū)氣流速度在 1.25 m/s 左右，客氣其余區(qū)域風速均低于 1.25 m/s，而臥室與書房內氣流速度也均低于 1 m/s，均滿足氣流＜0.15 m/s，人體不會有吹風感。從圖 5 中可得冬季送風溫度 28 ℃，可保證人員靜坐高度水平面溫度處于 27 ℃～29 ℃ 之間，溫度距窗戶近的地方受室外冷空氣的影響溫度較低，其中由于客廳送風量大，客廳餐廳整個區(qū)域均處于 28 ℃，人體感到溫暖。

圖3 平面Z=1.2 速度矢量圖

圖4 平面Z=1.2 速度云圖

圖5 平面Z=1.2 溫度云圖

圖6～8 描述了主臥和次臥送風垂直面的速度場和溫度場。從圖 6 可得，空調位于臥室靠窗位置，沒有直射床鋪，且氣流到達床鋪之前已經衰減，室內氣流均勻，不存在無風區(qū)。從圖 7 可得，空調送風口和回風口風速較大，但其余人員活動區(qū)風速均小于 1.5 m/s，滿足人體對吹風舒適感的需求。從圖 8 可得，臥室內溫度處于 27 ℃～29 ℃ 之間，且熱氣流多聚集于上部空間，而室內冷空氣下沉，出現了明顯的溫度分層現象。

圖6 平面Y=1.2 速度矢量圖

圖7 平面Y=1.2 速度云圖

圖8 平面Y=1.2 溫度云圖

圖9～11 描述了客廳送風垂直面的速度場和溫度場。從圖 9 可得，客廳送風垂直面在氣流回流到回風口時，由于沙發(fā)和茶幾的存在，會對回風氣流有所干擾，從圖 9 中還可以看出要保證一定的出風速度。如若風速過小，送的暖風會立即被回風口吸走；當保證一定風速后，暖空氣在上方冷空氣在下方，有助于空調回風口收集冷空氣。從圖 10 可得，客廳送風速度均＜ 1.5 m/s，不會有吹風感。從圖 11可得，客廳內溫度處于 27 ℃～29 ℃ 之間，且熱氣流多聚集于上部空間，而室內冷空氣下沉，出現了明顯的溫度分層現象。

圖9 平面Y=2 速度矢量圖

圖10 平面Y=2 速度云圖

圖11 平面Y=2 溫度云圖

圖12～14 描述了書房送風垂直面的速度場和溫度場。從圖 12 可得，空調位于書房靠窗位置，室內氣流均勻，不存在無風區(qū)。從圖 13 可得，空調送風口和回風口風速較大，但其余人員活動區(qū)風速均＜ 1.5 m/s，滿足人體對吹風舒適感的需求。從圖 14 可得，臥室內溫度處于 27 ℃～29℃ 之間，且熱氣流多聚集于上部空間，而室內冷空氣下沉，出現了明顯的溫度分層現象，由于書房面積較小，房間整體溫度較高。

圖12 平面Y=5.8 速度矢量圖

圖13 平面Y=5.8 速度云圖

圖14 平面Y=5.8 溫度云圖

3.2 室內 PMV-PPD 分布

圖15～17 分別描述臥室、客廳、書房的 PMV 值分布。從圖 15～圖 17 中得出，臥室、客廳、書房的 PMV值在 -0.5-+0.5 之間，對比表 1，房間整體處于微涼和微暖之間，基本處于舒適的狀態(tài)。從圖15可得，房間大部分區(qū)域 PMV 值為 -0.25，室內熱舒適性感覺比完全“舒適”感到略涼，同時從垂直方向來看，PMV 值上部區(qū)域大于下部區(qū)域。從圖 16 可得，客廳大部分區(qū)域 PMV 值為-0.125～+0.125 之間，滿足舒適要求，同時緊貼地面的熱舒適性較低。從圖 17 可得，書房大部分區(qū)域 PMV 值為-0.125～+0.125 之間，由于電腦為散熱源，靠近電腦的位置，人體熱舒適性減弱，但也在舒適的范圍之內(PMV值位于-0.5～+0.5)。

圖15 平面Y=1.2 PMV 分布

圖16 平面Y=2 PMV 分布

圖17 平面Y=5.8 PMV 分布

圖18～20 分別描述臥室、客廳、書房的 PPD 值分布。從圖 18～20 中得出，臥室、客廳、書房的 PPD 值在 0～20 之間，不滿意度小于 20%。從圖18可得，臥室的 PPD 值整體處于 0～10% 之間，綜合 PMV 值在-0.5～+0.5 之間，滿足國標 GB/T 18049《中等熱環(huán)境PMV 和 PPD 指數的測定及熱舒適條件的規(guī)定》中的推薦值 -0.5≤PMV≤+0.5，PPD≤10% (熱舒適等級Ⅰ級)，且從垂直方向考慮，可以看出 PPD 值上部區(qū)域小于下部區(qū)域，與PMV值相反。從圖 19 可得，客廳除貼近地面外的空間 PPD 值小于 10%，滿足熱舒適等級Ⅰ級的條件，地面不滿意度高是由于截面部分貼近陽臺推拉門，且距離空調回風口較近，受溫度較低的回風氣流影響。從圖 20 可得，書房除貼近散熱源電腦外的空間 PPD 值小于 10%，滿足熱舒適等級Ⅰ級的條件。

圖18 平面Y=1.2 PPD 分布

圖19 平面Y=2 PPD 分布

圖20 平面Y=5.8 PPD分布

3.3 室內空氣齡分布

圖21～23 分別描述臥室、客廳、書房的空氣齡分布。從圖 21～圖 23 中可以看出客廳、臥室、書房的空氣齡均＜250s，室內空氣質量良好。從圖21可得，臥室面積不大，受送風和回風氣流影響，室內空氣齡短。從圖 22 可得，客廳中空調風量大，送風波及范圍內空氣齡低于 250 s，但是由于模型中空調氣流送風風向為水平送出，空調上方出現氣流相對不流通的情況，所以依據平常生活的需求，可以調整空調送風方向，將風向室內上方輸送，促進空氣流通，但由于冬季熱氣流本身容易往房間上方堆積，建議不要長時間使送風氣流向上，要以滿足人員熱舒適性為主。從圖23 可得，書房面積不大，受送風和回風氣流影響，室內空氣齡短，且人員位于空氣齡 60 s 區(qū)域，滿足人員長時間工作學習需要。

圖21 平面Y=1.2 空氣齡分布

圖22 平面Y=2 空氣齡分布

圖23 平面Y=5.8 空氣齡分布

4 結 語

(1) 溫度沿水平方向比較均勻，與熱源無橫向擴散結論一致，溫度沿垂直方向表現明顯的分層現象，與溫度隨高度的增加而增加結論一致。

(2)通過數值模擬得到住宅室內空氣流場、溫度場，從PMV、PPD、空氣齡指標方面直觀形象地對室內熱舒適性進行評價。

(3)室內氣流組織、空氣品質和熱舒適性綜合評價，可以更客觀全面地描述室內的環(huán)境現狀，并為以后室內熱環(huán)境研究、空調節(jié)能運行及住宅套內設計提供參考依據。

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2016-12-20

劉思煦，現供職于譽德生態(tài)技術咨詢(上海)有限公司。作者通訊地址：上海市靜安區(qū)西康路53號，郵編：200040。