蘇華東 龔七一

在住宅室內(nèi)設(shè)計(jì)中,合理的室內(nèi)氣流組織不僅能營(yíng)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(jì)算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics)軟件的簡(jiǎn)稱,是專門用來(lái)進(jìn)行流場(chǎng)分析、流場(chǎng)計(jì)算、流場(chǎng)預(yù)測(cè)的軟件。借助CFD軟件對(duì)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(guò)分析發(fā)生在流場(chǎng)中的現(xiàn)象,對(duì)室內(nèi)設(shè)計(jì)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(jì)效果。

1 空調(diào)房間的氣流組織與節(jié)能

一般來(lái)講,空調(diào)房間的氣流組織是指通過(guò)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(dòng)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(duì)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(zhǎng)度的限制。室內(nèi)設(shè)計(jì)的原則以根據(jù)不同功能空間內(nèi)人員活動(dòng)的狀態(tài)特點(diǎn)以及空調(diào)所能擺放的位置來(lái)進(jìn)行平面布置,使具體工況條件下的氣流組織重點(diǎn)滿足人員活動(dòng)密集區(qū)域的熱舒適度要求為準(zhǔn),對(duì)于人員活動(dòng)較少的區(qū)域可放寬其對(duì)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(jì)方案的CFD模擬

本文以重慶市某小區(qū)七樓一戶型的兩個(gè)設(shè)計(jì)方案為例,為簡(jiǎn)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(duì)象(見(jiàn)圖1,圖2)?？蛷d長(zhǎng)、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(shí)間人員靜坐于沙發(fā)上。

2.1 物理模型

考慮到計(jì)算機(jī)內(nèi)存和計(jì)算速度,在不影響計(jì)算結(jié)果的前提下,對(duì)模型進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)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(gè)門洞以實(shí)墻填補(bǔ)。空調(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(duì)室內(nèi)不可壓縮氣體質(zhì)量、動(dòng)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(gè)紊流的三維穩(wěn)定流場(chǎng)流動(dòng)問(wèn)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(jiǎn)化問(wèn)題,并作如下假設(shè)[2]:

1)室內(nèi)空氣低速流動(dòng),可視為不可壓縮流體且符合Bossinesq假設(shè);2)流動(dòng)為穩(wěn)態(tài)流動(dòng);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(diǎn)對(duì)第一個(gè)內(nèi)節(jié)點(diǎn)已無(wú)影響,因而可令對(duì)內(nèi)節(jié)點(diǎn)的影響系數(shù)為零,這樣無(wú)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(jiǎn)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(jì)

3.1 在設(shè)計(jì)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(píng)價(jià)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(duì)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(duì)設(shè)計(jì)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(guò)高,沒(méi)有較好的熱舒適感受,而溫度適宜的區(qū)域卻沒(méi)有被很好的利用。

在這種設(shè)計(jì)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(shì)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(huì)使房間內(nèi)的平均風(fēng)速過(guò)高,有明顯的吹風(fēng)感,影響舒適,而降低溫度也會(huì)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(jì)方案從利用室內(nèi)設(shè)計(jì)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(jì)方案調(diào)整至客廳方案B所示的布置,則在不改變?cè)照{(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(jiàn)圖8)。

3.2 在設(shè)計(jì)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(lái)后經(jīng)過(guò)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(duì)面的墻角,再慢慢流動(dòng)到沙發(fā)區(qū)域,此時(shí),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(jì)方案調(diào)整至客廳方案B后,經(jīng)過(guò)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(jiàn),通過(guò)對(duì)室內(nèi)氣流的模擬,可以對(duì)室內(nèi)設(shè)計(jì)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(yùn)用隔斷、家具、吊頂?shù)炔煌问降氖覂?nèi)設(shè)計(jì)手段來(lái)優(yōu)化氣流組織,使之導(dǎo)向人員密集活動(dòng)的區(qū)域形成良好的熱舒適環(huán)境。此外,運(yùn)用CFD技術(shù)的模擬,我們還可以對(duì)室內(nèi)設(shè)計(jì)中所采用的不同裝飾材料所帶來(lái)的不同舒適感受進(jìn)行研究,以使室內(nèi)設(shè)計(jì)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(yǔ)

從本次模擬可知,運(yùn)用CFD技術(shù)能較好地對(duì)住宅室內(nèi)的溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)、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(duì)室內(nèi)設(shè)計(jì)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(jì)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(dòng)的數(shù)值計(jì)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.