馬坤茹 李雅欣 顏麗娟

摘要：針對農(nóng)村建筑節(jié)能改造設(shè)計中不同結(jié)構(gòu)的附加式陽光間節(jié)能效果差異較大的情況，改良陽光間建筑結(jié)構(gòu)形式并分析其溫度場和氣流組織分布情況，確定了最優(yōu)建造方案。以河北省石家莊市某農(nóng)宅為基礎(chǔ)，對其陽光間進行開孔設(shè)計。在陽光間內(nèi)側(cè)墻面上開設(shè)不同半徑和數(shù)量的通風(fēng)口，設(shè)計12種不同的模型。結(jié)合Fluent模擬數(shù)據(jù)，對不同變量進行對比分析，研究不同半徑和數(shù)量的通風(fēng)口對室內(nèi)熱環(huán)境的影響，確定運行效果最優(yōu)模型，對運行效果最優(yōu)和效果最差的兩種模型進行對比分析，進行通風(fēng)口優(yōu)化設(shè)計。結(jié)果顯示，通風(fēng)口半徑為0.15m，設(shè)置3個進風(fēng)口2個出風(fēng)口時，室內(nèi)溫度最高。研究成果可以為附加式陽光間的設(shè)計提供參考，可用于改進農(nóng)宅建筑形式，提升農(nóng)宅附加式陽光間的節(jié)能效益。

關(guān)鍵詞：太陽能;農(nóng)宅;節(jié)能改造;附加式陽光間;Fluent模擬;通風(fēng)口優(yōu)化設(shè)計

中圖分類號：TK519文獻標志碼：A

文章編號：1008-1534（2019）02-0107-08

Trombewall（特朗伯墻）[1-3]是被動式太陽房集熱蓄熱的典型圍護結(jié)構(gòu)，分為有內(nèi)通風(fēng)口和無內(nèi)通風(fēng)口2種形式。有內(nèi)通風(fēng)口的特朗伯墻墻外覆蓋著一層玻璃罩，玻璃罩與墻體之間形成空氣夾層，經(jīng)過陽光照射，空氣夾層的溫度迅速升高，與室內(nèi)的空氣進行換熱，其換熱方式主要有3種：通過墻體的上下通風(fēng)口與空氣夾層的自然對流換熱、輻射換熱以及墻體自身導(dǎo)熱。由于技術(shù)以及成本原因，特朗伯墻并不適合農(nóng)村建筑節(jié)能應(yīng)用，所以根據(jù)特朗伯墻的原理，設(shè)計了簡易的陽光間[4-10]，并對其效果進行模擬分析。陽光間在農(nóng)村新建建筑中已經(jīng)有不少應(yīng)用[11-13]，甄蒙等[14]研究了東北地區(qū)某農(nóng)宅附加陽光間內(nèi)的溫度，在最不利的條件下，陽光間內(nèi)溫度比室外高9.9℃。陽光間內(nèi)的熱空氣與室內(nèi)進行熱量交換主要依賴于對流換熱[15-16]，陽光間內(nèi)的空氣與室內(nèi)空氣實現(xiàn)對流換熱最有效的途徑是在陽光間內(nèi)側(cè)墻壁上設(shè)置上下通風(fēng)口[17]，可以根據(jù)陽光間溫度手動控制開關(guān)通風(fēng)口，風(fēng)口的大小和數(shù)量對換熱有直接影響。本研究以石家莊市某農(nóng)村典型建筑為原型，通過對不同通風(fēng)口半徑和通風(fēng)口數(shù)量進行效果對比，得出最優(yōu)設(shè)計方案。

1模型建立

1.1住宅物理模型

本次模擬選擇了位于河北省石家莊市某農(nóng)村的一戶單層農(nóng)宅。該農(nóng)宅分為正房和東西廂房，正房占地面積127m2，采用光伏+空氣源熱泵采暖模式，通過添加陽光間提升室內(nèi)溫度。依據(jù)《農(nóng)村居住建筑節(jié)能設(shè)計標準》規(guī)定的冬季室內(nèi)節(jié)能計算溫度（14℃），將室內(nèi)采暖溫度維持在14℃[18]，建筑平面圖、立面圖及剖面圖如圖1所示。

1.2Gambit建模

采用Gambit建模軟件建立模型，本次設(shè)計對比了不同進出風(fēng)口半徑和數(shù)量對室內(nèi)溫度場以及速度場的影響，建立了3種不同半徑的模式，分別為0.05，0.1，0.15m，針對這3種尺寸的通風(fēng)口，在臥室外墻上分別設(shè)置了2個進風(fēng)口1個出風(fēng)口、2個進風(fēng)口2個出風(fēng)口、3個進風(fēng)口2個出風(fēng)口、3個進風(fēng)口3個出風(fēng)口4種模式，將上述通風(fēng)口尺寸及數(shù)量組合為12種模型，各模型通風(fēng)口的位置在垂直方向上，如圖1d）所示。水平方向上同一高度處有一個風(fēng)口時，其位于中間處，有2個或3個風(fēng)口時，其位置如圖1b）所示。在客廳外墻上，受外門尺寸影響，所有模型中客廳通風(fēng)口數(shù)量均為2個進風(fēng)口2個出風(fēng)口，通風(fēng)口半徑與臥室一致，且通風(fēng)口位置如圖1b）所示。所選建筑布局左右對稱，故只研究左側(cè)風(fēng)口。為了方便對比，對其進行編號，如表2所示。

12個模型只在通風(fēng)口半徑和數(shù)量上有差別，所以只截取了通風(fēng)口半徑為0.15m、3個進風(fēng)口2個出風(fēng)口的模型，網(wǎng)格劃分采用的是Tet/Hybrid型，網(wǎng)格主要元素為四面體網(wǎng)格，在適當(dāng)?shù)牡胤娇梢园骟w等其他網(wǎng)格，如圖2所示。

2Fluent模擬過程

2.1軟件介紹

近年來，CFD（計算流體力學(xué)）在解決各類流體力學(xué)和傳熱問題上應(yīng)用廣泛，F(xiàn)luent是常用的解決傳熱和流動問題的CFD軟件，其主體是基于有限體積法的求解器，F(xiàn)luent軟件求解流程主要是選擇求解模型，導(dǎo)入網(wǎng)格文件并檢查網(wǎng)格，確定計算模型和流體物理性質(zhì)，定義操作環(huán)境，設(shè)置邊界條件和求解參數(shù)、初始化流場、設(shè)置迭代次數(shù)并計算求解。

對建筑進行了不同通風(fēng)口情況下的Fluent模擬，為了簡化計算，對相關(guān)條件進行假設(shè)[19]。

1）假設(shè)不考慮陽光間時室內(nèi)有采暖措施，室溫可達14℃。

2）室內(nèi)氣體為低速不可壓流體，流態(tài)為湍流。

3）采用Boussinesq假設(shè)，不考慮流體黏性耗散，密度僅考慮動量方程中與體積有關(guān)的項，其余各項密度為常數(shù)。

4）重力加速度取-9.8m/s2。

5）不考慮室內(nèi)空氣的輻射換熱。

6）不考慮室內(nèi)家具和人員對溫度場和速度場的影響。

7）不考慮通風(fēng)口所在墻上的門窗縫隙通風(fēng)所產(chǎn)生的誤差。

2.2邊界條件設(shè)置

進風(fēng)口風(fēng)速取0.03m/s，該模型是模擬簡易陽光間中的高溫空氣通過陽光間內(nèi)側(cè)墻通風(fēng)口與室內(nèi)空氣進行循環(huán)，方便陽光間的高溫空氣進入室內(nèi)，提升室內(nèi)溫度，設(shè)置進風(fēng)口溫度為27℃。

Fluent軟件在進行流動與傳熱計算時，需要在計算域的進口、出口及遠場邊界給定輸運的湍流參數(shù)。常用的湍流參數(shù)定義方法有4種形式：kandepsilon（湍動能k和湍動耗散率ε）;intensityandlengthscale（湍流強度I和湍流長度L）;intensityandviscosityratio（湍流強度I和湍動黏度比μt/μ）;以及intensityandhydraulicdiameter（湍流強度I和水力直徑DH）。這里選用intensityandhydraulicdiameter（湍流強度I和水力直徑DH）方法進行定義。

水力直徑DH計算公式：

湍流強度I的計算公式：

式中ReDH為按水力直徑DH計算得到的Reynolds數(shù)。

根據(jù)模型參數(shù)，設(shè)置出風(fēng)口邊界為自由出流。

假設(shè)通過采暖設(shè)施使室內(nèi)溫度恒定為14℃，所以計算時給定室內(nèi)初始計算溫度為14℃，外圍護結(jié)構(gòu)絕熱。

與陽光間相鄰的外墻和門窗設(shè)為第3類邊界條件，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)[20]為8.7W/（m2·K）。

內(nèi)墻設(shè)為第2類邊界條件，其給定溫度為287K。

內(nèi)門設(shè)為自由出流。

2.3房間空氣熱平衡方程

通過通風(fēng)口設(shè)計，室外空氣可以與室內(nèi)空氣通過對流換熱進行熱交換，這是一個動態(tài)過程，其熱平衡方程中換熱量主要包括各內(nèi)表面的對流換熱量、其他對流換熱量、冷風(fēng)滲透換熱量、供暖系統(tǒng)供熱量。

LH為房間潛熱得熱，W;HG為供暖系統(tǒng)供熱量，W;V為房間容積，m3。

3計算結(jié)果

由于建筑布局左右對稱，所以只選取左側(cè)臥室和客廳作為研究對象，選取了平面y=2m和平面z=1.5m交線上的6個測點、平面y=2m和平面z=2m交線上的6個測點，其中臥室6個測點，客廳6個測點，分別是（0.8，2，1.5），（1.6，2，1.5），（2.4，2，1.5），（4.6，2，1.5），（5.7，2，1.5），（6.8，2，1.5），（0.8，2，2），（1.6，2，2），（2.4，2，2），（4.6，2，2），（5.7，2，2）和（6.8，2，2），對其溫度進行監(jiān)測。在運行初期，各測點溫度迅速增加，2h以后溫度趨于平穩(wěn)。圖3是各模型運行2h后各測點的溫度值。

從圖3可以看出，在建筑中1.5m高和2m高處各模型臥室和客廳溫度值趨勢一致，所以只分析z=1.5m處數(shù)據(jù)，按照從高到低排列，如表3所示。

4溫度場和速度場對比分析

模型11（半徑為0.15m，3個進風(fēng)口2個出風(fēng)口）和模型1（半徑為0.05m，2個進風(fēng)口1個出風(fēng)口）是所有模型中運行效果最好和運行效果最差的，所以對其溫度場和速度場進行對比分析。

4.1溫度場分析

計算時監(jiān)測了各測點運行2h的逐時溫度變化情況，對數(shù)據(jù)進行處理后得到如圖4和圖5所示的各測點溫度隨運行時間變化曲線圖。

從圖4和圖5可以看出，隨著運行時間的增加，各測點溫度逐漸上升，但是上升趨勢逐漸變緩。模型11臥室逐時溫度比模型1高4～5℃。

截取了2個模型的z=1.5m截面和x=1.6m截面，對其溫度分布云圖進行分析，如圖6—圖9所示。

從圖6—圖9可以看出，陽光間對建筑的影響主要在與陽光間相鄰的房屋。在與陽光間相鄰的4個房間中，客廳開口數(shù)量沒有變化，且客廳空間較大，所以溫度低于臥室。從x=1.6m截面可以看出，房間上部溫度明顯高于下部，這是由于熱空氣從上進風(fēng)口進入，冷空氣從下出風(fēng)口流出。從整體溫度場分布來看，模型11比模型1溫度場分布明顯更加均勻，整體溫度更高。

4.2速度場分析

房間內(nèi)的氣流組織分布影響了房間溫度以及舒適度，選取了2個模型的縱截面x=1.6m，x=6.8m，分析其速度矢量圖，這2個截面分別是臥室和客廳中間位置，如圖10—圖13所示。

從圖10—圖13中可以看出，2個模型均在各個縱截面形成穩(wěn)定的渦旋，但是模型1的速度分布明顯弱于模型11，空氣流通效果較差。

在水平面上截取z=1.5m截面，其速度分布圖如圖14和圖15所示。

從水平截面上的速度分布圖對比來看，模型11能形成穩(wěn)定渦流，但是模型1由于速度較低，空氣流通效果較差，換熱效果較差，導(dǎo)致其室內(nèi)溫度低于模型11。

5結(jié)論

通過對各個模型溫度場和速度場進行分析，并列出運行效果最好和最差的2種模型的溫度、速度分布云圖，可以明顯看出其中的差異。由于Fluent模擬存在相對誤差，所以從整體考慮，得出以下結(jié)論。

1）以通風(fēng)口半徑為變量，對相同進出風(fēng)口數(shù)量的模型進行比較，發(fā)現(xiàn)模型風(fēng)口半徑越大，室內(nèi)溫度越高。

2）以風(fēng)口數(shù)量為變量，對相同通風(fēng)口半徑的模型進行比較，得出模型有3個進風(fēng)口2個出風(fēng)口時，室內(nèi)溫度最高。

3）所有模型中，模型11（半徑為0.15m，有3個進風(fēng)口2個出風(fēng)口）室內(nèi)溫度最高。

4）通風(fēng)口半徑和進出風(fēng)口數(shù)量對室內(nèi)溫度的影響與建筑體積以及進深有關(guān)。

5）通風(fēng)口的數(shù)量和半徑影響了室內(nèi)空氣流通效果，進出風(fēng)口的面積比例為3∶2時換熱效果最好，在所有計算模型中，通風(fēng)口半徑越大，室內(nèi)空氣流速越快，換熱效果也就越好。

筆者研究了不同半徑和數(shù)量的通風(fēng)口對陽光間溫度分布效果的影響，模擬通風(fēng)口設(shè)計為圓形，未考慮其他形狀通風(fēng)口對研究結(jié)果的影響。未來可以對不同形狀的通風(fēng)口進行對比研究。

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