陳剛 曾鈺城 程昕 樊嬌 張力國

窗縫冷風滲透對房間熱環(huán)境影響的模擬研究

陳剛 曾鈺城 程昕 樊嬌 張力國

南華大學城市建設學院

本文以輻射地板采暖房間為研究對象，通過離散坐標輻射模型，根據(jù)某市采暖室外氣象參數(shù)確定邊界條件，模擬分析了窗縫冷風滲透對室內速度場和溫度場的影響。結果表明，對于典型的窗體結構，在設定的條件下，冷風滲透使活動區(qū)的空氣溫度降低1.5℃；房間近地面區(qū)及近窗側有吹風感。對外窗氣密性能差的房間，冷風滲透不能忽略，但通過對窗縫進行處理，可有效減少冷風滲透對房間熱環(huán)境的影響。

窗縫冷風滲透熱環(huán)境數(shù)值模擬

0 引言

近些年來，模擬已成為室內熱環(huán)境的重要研究手段，模擬結果也已成為建筑設計的重要依據(jù)。對于室內熱環(huán)境的模擬研究，大多數(shù)學者以忽略冷風滲透作為前提[1～3]，然而很多地區(qū)冬季室外平均風速都比較高，導致冷風滲透的風速并不低，尤其是對于高層建筑，冷風滲透風速會更高，對室內熱環(huán)境產生的干擾會更大。因此，研究自然通風狀態(tài)下的窗體冷風滲透，對于了解室內溫度及風速水平、設計低縫隙窗體及降低冷風滲透對室內熱環(huán)境的擾動具有重要意義。

1 模型描述

1.1物理模型

如圖1所示為長沙市區(qū)某地板輻射采暖房間（4m×3m×2.8m），窗朝北向。西、北兩墻為外墻，采用190mm厚的蒸壓加氣混凝土砌塊砌筑而成，兩側各抹20mm厚的普通水泥砂漿，整個墻體傳熱系數(shù)為1.65W/(m2·K)。圖2為房間北向的普通民用窗體（1.6m×1.6m，離地面0.9m）示意圖，考慮本房間窗體兩側、中間及底部的氣密性高，幾乎不對房間熱環(huán)境造成影響，因此本文僅考慮窗體頂部有窗縫（紅圈位置），并假定縫寬為5mm。房門底部有縫隙（0.9m×0.01m），模擬時以此作為計算域出口。計算中室外空氣以一定的速度通過窗縫進入室內。研究內容為滲透冷風射流情況下的室內溫度場、速度場。

圖1 模擬房間示意圖

圖2 窗體冷風滲透位置

1.2數(shù)學模型

考慮到模擬對象是有冷風滲透的開放性空間，且在Fluent四種輻射模型當中，唯有離散坐標（DO）熱輻射模式可以處理不透明和透明的材質，且對光學厚度沒有要求，故選用DO模型。計算中，各圍護結構內表面的比輻射率[4]見表1。

表1 各圍護結構內表面的物性參數(shù)及邊界條件

因室內流速低，室內空氣流動可視為不可壓縮流體低湍流問題，采用k-ε雙方程湍流模型，控制方程包括連續(xù)方程、動量方程、能量方程、輻射方程、湍流脈動動能k方程和湍流能量耗散ε方程。本模型符合Boussinesq假設，即認為只有動量方程中的浮升項密度為變量。求解過程中，選用SIMPLE算法處理壓力速度耦合問題。

2 數(shù)值模擬

2.1網(wǎng)格劃分

室內流場的計算域為4m×3m×2.8m的空間，由于空氣進口（窗縫）尺寸及出口（門縫）尺寸相對空間整體尺寸較小，于是采用TGrid程序對整體進行非結構化網(wǎng)格劃分。在入口和出口附近流場變化梯度較大的區(qū)域進行網(wǎng)格加密處理。此外，為避免巨大的變化梯度對流動造成的影響，對近壁面區(qū)域也作了網(wǎng)格加密處理，共生成77 141個節(jié)點，391 937個網(wǎng)格。經(jīng)過對網(wǎng)格進行細化，發(fā)現(xiàn)模擬結果沒有較大變化，說明模擬結果不依賴網(wǎng)格劃分。

2.2邊界條件

計算域的邊界條件主要有窗縫進風風速、內壁面溫度、地板表面溫度等，本文均按穩(wěn)態(tài)進行模擬。本文主要探討窗縫進風對房間熱環(huán)境的影響，因此沒有考慮太陽輻射、家具覆蓋對房間熱環(huán)境的影響。長沙冬季室外主要氣象參數(shù)見表2。

表2 冬季室外主要氣象參數(shù)

按規(guī)范[5]，本文采暖設計的室內計算溫度、地板表面平均溫度分別取17℃、28℃。假設圍護結構內表面溫度分布均勻，根據(jù)對流換熱公式及牛頓冷卻公式，可推出外墻、外窗的內表面溫度見表2，模擬時以此作為邊界條件的表達方式。

門窗縫隙形成的冷風滲透量在大多數(shù)天氣狀況下為0.3～1次/h換氣次數(shù)[6]，本文取0.5次/h。推出入口風速為1.5m/s，方向為長沙地區(qū)冬季主導風向——北向，即與窗縫隙表面垂直。出口設置為自由出流邊界。

3 模擬結果與分析

3.1室內速度場

以Z=1.5m的斷面風速分布圖（圖3）為代表來分析冷風滲透對房間溫度場的影響?？梢悦黠@看出，無冷風滲透時，室內最大風速為0.18m/s，中間風速比較低，四周相對比較高。而有冷風滲透時，由于冷風入口風速相對較大（1.5m/s），所以在風壓的作用下，冷空氣開始有小段水平吹入，之后開始下沉并擴散，再加上熱壓作用，導致冷空氣速度逐漸下降。圖中表明：房間大部分區(qū)域風速小于0.18m/s，但冷風滲透側離墻0.9m范圍內的風速大于0.4m/s，局部區(qū)域達到了0.6m/s，使得氣流擾動增強，人體會產生吹風感。反之，忽略冷風滲透會忽略掉冷空氣對冷風滲透側一段空間熱舒適性的干擾。

圖4為距離地面0.1m處的橫截面速度場，可見有冷風滲透時的風速分布均勻性比無冷風滲透時差。前者除門所在的內墻與鄰外墻相交這個角落的風速比較低外，其余區(qū)域風速都大于0.2m/s，尤其是窗所在的外墻與鄰內墻相交的這個區(qū)域達到了0.5m/s，不符合冬季室內采暖設計的規(guī)定；而后者整個區(qū)域最高才0.2m/s，滿足規(guī)范要求。風速不均勻原因是外窗上部有冷風滲透進入，進入之后冷空氣下沉，使近地面風速增大，加上空氣出口是在窗對面的房門底部，以致內側的風速比外側的風速高，最終影響踝關節(jié)所在水平面大部分區(qū)域的熱舒適性。且易導致室內揚塵較多，對衛(wèi)生不利。

圖3 Z=1.5m的速度分布

圖4 Y=0.1m的速度分布

因此，對于外窗氣密性能差的房間進行相關模擬研究時，冷風滲透不能忽略。對于冷風滲透，可以通過改變窗體的結構以降低氣流速度或改變氣流流向；若吹風感難以避免，則可通過在窗縫部位設置一些材料作為阻擋，以減少甚至避免冷空氣向室內傳播。

3.2室內溫度場

本次計算考慮了熱浮力的影響，從Y軸方向看，兩種情形的人體主要活動區(qū)（0.1～1.7m）等溫面比較大，溫度分布均勻，兩者溫度梯度均在0.6℃/m左右。從圖5可以看到，忽視冷風滲透時，活動區(qū)溫度主要集中在18.5℃～19.5℃之間，考慮冷風滲透時溫度主要集中在17.5℃～18.5℃之間，兩者相差1℃左右。同時，可觀察到靠近冷風滲透側離墻0.5m范圍內溫度低于15.5℃，顯然不符合居住建筑采暖設計要求的16℃～22℃[5]。原因是考慮冷風滲透時，冷風滲透與室內空氣有熱對流與熱傳導。隨著冷空氣下沉并擴散，熱對流與熱傳導程度逐漸減弱，離進風口位置越遠溫度越高。

圖5 Z=1.5m的溫度分布

由于涉及到是否有冷風滲透問題，所以室內溫度分布必然存在差異。兩種情形的垂直溫度分布如圖6所示。對比結果表明：兩種模型在距離地面0.1～1.7m的活動區(qū)內，空氣在垂直方向上的溫度分布都非常均勻，溫度梯度均約為0.6℃/m。在同一高度，冷風滲透房間的溫度比無冷風滲透房間低1.5℃左右，這說明，冷風滲透會降低室內垂直方向上的空氣溫度。

圖6 空間溫度隨高度的變化（中心位置）

4 結語

本文以地板輻射采暖房間為研究對象，運用DO輻射模型模擬分析了窗縫冷風滲透對室內速度場和溫度場的影響，得出結論如下：

1）對于窗縫冷風滲透，進風風速為1.5m/s時，近地面區(qū)風速高于0.2m/s，局部達到0.5m/s，使人體產生顯著的吹風感；室內平均溫度比無冷風滲透時低1.5℃。尤其是對于高層建筑，進氣風速更高，對室內的熱環(huán)境影響更顯著。

2）對于外窗氣密性能差的房間進行模擬研究時，由于室內的溫度場、速度場會受到冷風滲透的影響，因此模擬研究時冷風滲透不能忽略。

3）當冷風滲透進入，且未施加有效減速措施時，室內近壁區(qū)溫度較低速度較大，人員將受到冷風感影響。通過對窗戶進行一定的改造或者對窗縫設置風障，可降低冷風滲透產生的吹風感。

[1]藺潔,陳超.低溫輻射供暖地板表面溫度與人體熱舒適性關系的理論研究[J].暖通空調,2009,(10):137-142

[2]朱寶仁,岳曉敏.散熱器采暖室內溫度場和速度場的數(shù)值模擬[J].建筑熱能通風空調,2011,(5):92-94

[3]Mehdi Maerefat,Alireza Zolfaghari.On the conformity of floor heating systems with sleeping in the eastern-style beds;physio logical responses and thermal comfort assessment[J].Building and Environment,2012,47:322-329

[4]葛紹巖,那鴻悅.熱輻射性質及其測量[M].北京:科學出版社, 1989

[5]中國建筑科學研究院,重慶大學.夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設計標準(JGJ134-2010)[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2010

[6]清華大學建筑節(jié)能研究中心.中國建筑節(jié)能年度發(fā)展研究報告2013[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2013

The Sim ula tion Re s e a rc h on the Influe nc e of the Air Infiltra tion to the The rm a l Environm e nt in Room

CHEN Gang,ZENG Yu-cheng,CHENG Xin,FAN Jiao,ZHANG Li-guo
School of Urban Construction,University of South China

This article took radiant floor heating room as the research object.Based on the discrete ordinates radiation model and the boundary conditions determined by the outdoor meteorological parameters of a city,modeling was used to research the influence of the air infiltration to the velocity field and temperature field in room.The result shows that for the typical window,the air infiltration make air temperature drop 1.5℃.There is the draught rating near ground layer and window.For the worse air tightness of external window in room,the air infiltration can't be ignored.And after the treatment,the influence of the air infiltration to the thermal environment can be effectively reduced.

window seam,air infiltration,thermal environment,numerical simulation

1003-0344（2014）06-036-4

2013-9-2

陳剛（1968～），男，教授；湖南省衡陽市南華大學城市建設學院（421001）；E-mail:cg9019@163.com