冬季住宅室內(nèi)空氣環(huán)境的數(shù)值模擬研究

劉思煦[譽(yù)德生態(tài)技術(shù)咨詢（上海）有限公司，上海 200040]

冬季住宅室內(nèi)空氣環(huán)境的數(shù)值模擬研究

Simulation Study on Indoor Air Quality on Residential Building in Winter

劉思煦[譽(yù)德生態(tài)技術(shù)咨詢（上海）有限公司，上海 200040]

建筑是人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)、生活、學(xué)習(xí)的重要場(chǎng)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(duì)住宅室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行數(shù)值模擬，分析其流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、空氣齡、PMV、PPD的相關(guān)指標(biāo)來(lái)評(píng)估室內(nèi)空氣質(zhì)量。結(jié)果表明：基于對(duì)流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、空氣齡、PMV、PPD的熱環(huán)境數(shù)值進(jìn)行預(yù)測(cè)，可為住宅室內(nèi)熱環(huán)境研究、空調(diào)節(jié)能運(yùn)行及住宅套內(nèi)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

氣流組織；熱環(huán)境；空氣齡；PMV；PPD；空氣質(zhì)量

隨著社會(huì)生產(chǎn)力的不斷發(fā)展，人們對(duì)建筑的需求經(jīng)歷了掩蔽所、舒適建筑、綠色建筑、健康建筑這樣 4 個(gè)階段。主要原因是隨著生產(chǎn)、生活的網(wǎng)絡(luò)化、信息化，人們?cè)谑覂?nèi)的時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，人的一生有80%的時(shí)間在室內(nèi)度過(guò)，室內(nèi)環(huán)境的好壞直接關(guān)系到人體健康的好壞。如若室內(nèi)空氣質(zhì)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(xué)物過(guò)敏癥(MCS)等，造成損失。因此，改變室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量刻不容緩?，F(xiàn)如今國(guó)家相繼推出 GB 50378—2014《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》、《健康建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》，為綠色健康建筑提供依據(jù)。因此，室內(nèi)空氣環(huán)境的預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)，已成為現(xiàn)代通風(fēng)空調(diào)工程研究的課題之一，而通過(guò)數(shù)值預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)的方法，是一種更為有效的方法，將越來(lái)越被人們所重視[1]。

科研學(xué)者已經(jīng)對(duì)室內(nèi)空氣環(huán)境進(jìn)行相關(guān)研究。李先庭教授、王偉晗等人通過(guò)示蹤氣體分析房間空氣齡，提出空氣齡作為衡量空氣品質(zhì)的一個(gè)重要指標(biāo)[2-3]。吳丹尼等人通過(guò)數(shù)值模擬方法得到室內(nèi)機(jī)送風(fēng)角度、送風(fēng)速度、空調(diào)器的不同擺放位置、空調(diào)器數(shù)量的不同將產(chǎn)生差異明顯的室內(nèi)溫度場(chǎng)，影響室內(nèi)熱舒適性[4-5]。姚潤(rùn)明等人采用熱舒適評(píng)價(jià)指標(biāo) PMV-PPD 分別對(duì)重慶地區(qū)自然通風(fēng)房間和埋管送風(fēng)通風(fēng)房間進(jìn)行了室內(nèi)氣候及熱舒適模擬分析[6]。

在前人研究的基礎(chǔ)上，本文以 Airpak 軟件為基礎(chǔ)，建立住宅模型，分別在客廳、臥室、書房設(shè)置柜式空調(diào)器和壁掛式空調(diào)器進(jìn)行數(shù)值模擬，分析住宅室內(nèi)流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、空氣齡、PMV、PPD 等相關(guān)指標(biāo)，對(duì)房間的氣流組織、熱舒適性和室內(nèi)空氣品質(zhì)進(jìn)行全面綜合評(píng)價(jià)。

1 評(píng)價(jià)指標(biāo)

1.1 PMV——預(yù)測(cè)平均評(píng)價(jià)(Predicated Mean Vote)

PMV 指數(shù)是以人體熱平衡的基本方程式以及心理生理學(xué)主觀熱感覺(jué)的等級(jí)為出發(fā)點(diǎn)，考慮了人體熱舒適感諸多有關(guān)因素的全面評(píng)價(jià)指標(biāo)，即人體處于不冷不熱的“中性”狀態(tài)或認(rèn)為“中性”的熱感覺(jué)為熱舒適。Fanger 收集了 1 396 名美國(guó)和丹麥?zhǔn)茉囌叩睦錈岣杏X(jué)資料，以反映同一環(huán)境下絕大多數(shù)人的冷熱感覺(jué)[7-8]，得出式(1)：

式中：M——人體能量代謝率；

TL——人體熱負(fù)荷。

PMV 指標(biāo)采用了 7 級(jí)分度，見表 1。

表1 PMV 熱感覺(jué)標(biāo)尺

1.2 PPD——預(yù)測(cè)不滿意百分比(Predicated Percent Dissatisfied)

PPD 指數(shù)為預(yù)計(jì)處于熱環(huán)境中的群體對(duì)熱環(huán)境不滿意的投票平均值。PPD 指數(shù)可預(yù)計(jì)群體中感覺(jué)過(guò)暖或過(guò)涼?！案鶕?jù) 7 級(jí)熱感覺(jué)投票表示熱(+3)，溫暖(+2)，涼(-2)，或冷(-3)”的人的百分?jǐn)?shù)。PMV 指標(biāo)代表了同一環(huán)境下絕大多數(shù)人的感覺(jué)，但是人與人之間存在生理差別，因此 PMV指標(biāo)并不一定能夠代表所有個(gè)人的感覺(jué)。因此Fanger又提出了預(yù)測(cè)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(guān)系，見圖 1。

圖1 PPD 與 PMV 的關(guān)系曲線

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

1.3 空氣齡(Age of Air)

空氣齡最早在 20 世紀(jì) 80 年代由 Sandberg 學(xué)者提出的[8]?？諝恺g既反映了室內(nèi)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(nèi)被測(cè)點(diǎn)上的停留時(shí)間，而實(shí)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(yīng)該是在送風(fēng)口的入口處，空氣剛進(jìn)入室內(nèi)時(shí)，空氣齡為零，此處空氣停留時(shí)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(xiàn)在何處，由室內(nèi)氣流分布情況而定。一般來(lái)說(shuō)空氣齡數(shù)值越小，表示空氣越新鮮，本文數(shù)值模擬中得到平均空氣年齡(Mean Age of Air)。

2 數(shù)值模擬

2.1 物理模型

研究對(duì)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(gè)臥室一個(gè)書房)兩廳一廚一衛(wèi)，本模型由于廚房、衛(wèi)生間未設(shè)置空調(diào)，暫不考慮其室內(nèi)環(huán)境?？蛷d和餐廳共用一臺(tái)柜式空調(diào)器，兩個(gè)臥室和書房各用一臺(tái)壁掛式分體空調(diào)?？蛷d、餐廳、臥室、書房各設(shè)置一盞吊燈，書房設(shè)置一臺(tái)電腦，客廳設(shè)置一臺(tái)電視機(jī)，均為散熱源。同時(shí)該戶型為小戶型，按常規(guī)考慮為 3 人使用，人設(shè)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(shí)房間使用者也為散熱源。模型窗戶位置均按照實(shí)際窗戶位置考慮。本模型考慮冬季住宅室內(nèi)的熱環(huán)境，經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化處理，模型如圖 2 所示。

圖2 住宅三維物理模型

2.2 數(shù)學(xué)模型

求解溫度場(chǎng)、流場(chǎng)的核心是求解流體控制方程。室內(nèi)流體流動(dòng)則需滿足質(zhì)量守恒定律、動(dòng)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；

?！獜V義擴(kuò)散系數(shù)；

S——源項(xiàng)。

2.3 假設(shè)及邊界條件

為了簡(jiǎn)化問(wèn)題，做出如下假設(shè)：

(1) 房間內(nèi)的空氣為不可壓縮空氣且符合 Bossinesq假設(shè)；

(2) 房間內(nèi)空氣流動(dòng)為穩(wěn)態(tài)湍流；

(3) 忽略固體壁面及室內(nèi)物體間的熱輻射；

(4) 室內(nèi)空氣為輻射透明介質(zhì)；

(5) 忽略門、窗的漏風(fēng)影響，認(rèn)為室內(nèi)氣密性良好。

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

表2 數(shù)值模擬計(jì)算邊界條件

3 數(shù)值模擬結(jié)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(fēng)垂直面)、截面 Y=2 m (客廳送風(fēng)垂直面)、截面 Y=5.8 m (書房送風(fēng)垂直面)。

3.1 室內(nèi)速度場(chǎng)與溫度場(chǎng)

圖3～5 描述了整個(gè)住宅人員靜坐高度水平面的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)分布。從圖 3 中可得整個(gè)住宅室內(nèi)氣流有射流、回流和渦流 3 種形式，但是并不存在無(wú)風(fēng)區(qū)以及建筑死角，人員靜坐水平面高度處基本無(wú)家具，不會(huì)阻礙氣流流向，整個(gè)住宅室內(nèi)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(fēng)速均低于 1.25 m/s，而臥室與書房?jī)?nèi)氣流速度也均低于 1 m/s，均滿足氣流＜0.15 m/s，人體不會(huì)有吹風(fēng)感。從圖 5 中可得冬季送風(fēng)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(fēng)量大，客廳餐廳整個(gè)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(fēng)垂直面的速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)。從圖 6 可得，空調(diào)位于臥室靠窗位置，沒(méi)有直射床鋪，且氣流到達(dá)床鋪之前已經(jīng)衰減，室內(nèi)氣流均勻，不存在無(wú)風(fēng)區(qū)。從圖 7 可得，空調(diào)送風(fēng)口和回風(fēng)口風(fēng)速較大，但其余人員活動(dòng)區(qū)風(fēng)速均小于 1.5 m/s，滿足人體對(duì)吹風(fēng)舒適感的需求。從圖 8 可得，臥室內(nèi)溫度處于 27 ℃～29 ℃ 之間，且熱氣流多聚集于上部空間，而室內(nèi)冷空氣下沉，出現(xiàn)了明顯的溫度分層現(xiàn)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(fēng)垂直面的速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)。從圖 9 可得，客廳送風(fēng)垂直面在氣流回流到回風(fēng)口時(shí)，由于沙發(fā)和茶幾的存在，會(huì)對(duì)回風(fēng)氣流有所干擾，從圖 9 中還可以看出要保證一定的出風(fēng)速度。如若風(fēng)速過(guò)小，送的暖風(fēng)會(huì)立即被回風(fēng)口吸走；當(dāng)保證一定風(fēng)速后，暖空氣在上方冷空氣在下方，有助于空調(diào)回風(fēng)口收集冷空氣。從圖 10 可得，客廳送風(fēng)速度均＜ 1.5 m/s，不會(huì)有吹風(fēng)感。從圖 11可得，客廳內(nèi)溫度處于 27 ℃～29 ℃ 之間，且熱氣流多聚集于上部空間，而室內(nèi)冷空氣下沉，出現(xiàn)了明顯的溫度分層現(xiàn)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(fēng)垂直面的速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)。從圖 12 可得，空調(diào)位于書房靠窗位置，室內(nèi)氣流均勻，不存在無(wú)風(fēng)區(qū)。從圖 13 可得，空調(diào)送風(fēng)口和回風(fēng)口風(fēng)速較大，但其余人員活動(dòng)區(qū)風(fēng)速均＜ 1.5 m/s，滿足人體對(duì)吹風(fēng)舒適感的需求。從圖 14 可得，臥室內(nèi)溫度處于 27 ℃～29℃ 之間，且熱氣流多聚集于上部空間，而室內(nèi)冷空氣下沉，出現(xiàn)了明顯的溫度分層現(xiàn)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(nèi) 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(duì)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(nèi)熱舒適性感覺(jué)比完全“舒適”感到略涼，同時(shí)從垂直方向來(lái)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(shí)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(nèi)(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(guó)標(biāo) GB/T 18049《中等熱環(huán)境PMV 和 PPD 指數(shù)的測(cè)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(jí)Ⅰ級(jí))，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(jí)Ⅰ級(jí)的條件，地面不滿意度高是由于截面部分貼近陽(yáng)臺(tái)推拉門，且距離空調(diào)回風(fēng)口較近，受溫度較低的回風(fēng)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(jí)Ⅰ級(jí)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(nèi)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(nèi)空氣質(zhì)量良好。從圖21可得，臥室面積不大，受送風(fēng)和回風(fēng)氣流影響，室內(nèi)空氣齡短。從圖 22 可得，客廳中空調(diào)風(fēng)量大，送風(fēng)波及范圍內(nèi)空氣齡低于 250 s，但是由于模型中空調(diào)氣流送風(fēng)風(fēng)向?yàn)樗剿统?，空調(diào)上方出現(xiàn)氣流相對(duì)不流通的情況，所以依據(jù)平常生活的需求，可以調(diào)整空調(diào)送風(fēng)方向，將風(fēng)向室內(nèi)上方輸送，促進(jìn)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(zhǎng)時(shí)間使送風(fēng)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(fēng)和回風(fēng)氣流影響，室內(nèi)空氣齡短，且人員位于空氣齡 60 s 區(qū)域，滿足人員長(zhǎng)時(shí)間工作學(xué)習(xí)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(jié) 語(yǔ)

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

(2)通過(guò)數(shù)值模擬得到住宅室內(nèi)空氣流場(chǎng)、溫度場(chǎng)，從PMV、PPD、空氣齡指標(biāo)方面直觀形象地對(duì)室內(nèi)熱舒適性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

(3)室內(nèi)氣流組織、空氣品質(zhì)和熱舒適性綜合評(píng)價(jià)，可以更客觀全面地描述室內(nèi)的環(huán)境現(xiàn)狀，并為以后室內(nèi)熱環(huán)境研究、空調(diào)節(jié)能運(yùn)行及住宅套內(nèi)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

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A

1674-814X(2017)02-0045-06

2016-12-20

劉思煦，現(xiàn)供職于譽(yù)德生態(tài)技術(shù)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(hào)，郵編：200040。