新風(fēng)系統(tǒng)在住宅建筑中的應(yīng)用研究

余紫陽

摘要：人有超過80%的時(shí)間是在室內(nèi)度過的。我國標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了室內(nèi)的人均新風(fēng)量不應(yīng)小于30m³/h。但是目前，我國多數(shù)的住宅并未安裝新風(fēng)系統(tǒng)，通風(fēng)手段僅采用廚房、衛(wèi)生間的局部排風(fēng)或者開窗通風(fēng)的方式。有研究表明，僅依靠以上手段，并不能滿足室內(nèi)新風(fēng)的最小需求。因此，在住宅建筑中，安裝新風(fēng)系統(tǒng)十分必要。為確保住宅建筑新風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量的合理分配，本文提出了一種新風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，并通過計(jì)算流體力學(xué)模擬了一體積較小且?guī)в辛鶄€(gè)出口的風(fēng)量分配裝置，以在不同位置設(shè)置不同長度的導(dǎo)流板的方式，得出在兩側(cè)設(shè)置長度為43mm的導(dǎo)流板，在中心設(shè)置長度為44mm導(dǎo)流板時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)在一定風(fēng)量范圍內(nèi)達(dá)到風(fēng)量平衡且出口壓力相等。

關(guān)鍵詞：新風(fēng)系統(tǒng);住宅建筑;應(yīng)用

前言

為了更好地實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能，建筑外門窗氣密性的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不斷提高。外窗氣密性等級(jí)達(dá)到《建筑外門窗氣密、水密、抗風(fēng)壓性能分級(jí)及檢測方法》（GB/T7106-2008）規(guī)定的7級(jí)時(shí)，室內(nèi)換氣次數(shù)約0.25次/h。室內(nèi)換氣量不足，會(huì)對人體健康產(chǎn)生不利影響。此時(shí)，需要引入新風(fēng)。近些年，大氣顆粒物污染嚴(yán)重，相關(guān)研究表明，細(xì)顆粒物PM2.5能突破鼻腔、深入肺部，甚至滲透進(jìn)入血液，如果長期暴露在PM2.5污染的環(huán)境中，會(huì)對人體健康造成危害，并可能誘發(fā)整個(gè)人體范圍的疾病。因此，引入新風(fēng)時(shí)還需要考慮PM2.5的空氣過濾，從而帶來了通風(fēng)能耗的增加。為了節(jié)約能源，新風(fēng)系統(tǒng)通常應(yīng)用熱回收裝置。但是，熱交換芯體同樣是阻力構(gòu)件，也會(huì)對通風(fēng)能耗產(chǎn)生影響。

1模型建立及計(jì)算

1.1物理模型

由于該風(fēng)量分配裝置適用于住宅新風(fēng)系統(tǒng)，須具有高度低，體積小等特點(diǎn)。其基本尺寸如下：長為200mm，寬為200mm，高度為150mm，入口風(fēng)管位于入口壁面中心處，出口風(fēng)管圓心距頂面75mm，距相鄰面50mm，入口風(fēng)管直徑為120mm，六個(gè)出口風(fēng)管直徑均為75mm，入口及出口風(fēng)管長度均為500mm。導(dǎo)流板方向與入口氣流方向垂直，位于風(fēng)量分配裝置中心處，高度與風(fēng)量分配裝置相同，為150mm，厚度為3mm。本文將通過改變導(dǎo)流板個(gè)數(shù)以及長度的方式，找到能使六出口的風(fēng)量分配裝置達(dá)到壓力平衡的特定條件。

1.2數(shù)學(xué)模型

在模擬時(shí)，對風(fēng)量分配裝置內(nèi)的空氣流動(dòng)作以下假設(shè)：1）風(fēng)量分配裝置內(nèi)空氣為常溫、低速，不可壓縮流體，流體物性為常數(shù)。2）空氣流動(dòng)為穩(wěn)態(tài)等溫流動(dòng)，各個(gè)物理量不隨時(shí)間變化而變化。3）風(fēng)量分配裝置的氣密性良好，不考慮漏風(fēng)。4）入口風(fēng)速垂直于入口面，且風(fēng)速等值分布。5）假設(shè)各出口面靜壓為0。

1.3計(jì)算方法與邊界條件

本研究采用三維standardk epsilon模型，并用單精度求解器以及SIMPLE算法求解方程。壓力離散格式采用standard，其余離散格式均采用一階迎風(fēng)差分。入口邊界條件定義為速度入口，出口邊界條件定義為壓力出口，且出口面壓力為0。由于風(fēng)量分配裝置結(jié)構(gòu)左右完全對稱，為了便于計(jì)算，只建立一半模型，將對稱面邊界條件設(shè)為symmetry。模型采用Ansys軟件中的mesh模塊進(jìn)行四面體網(wǎng)格劃分，對入口，出口以及連接面網(wǎng)格進(jìn)行部分加密處理。

2壓力平衡與風(fēng)量平衡的關(guān)系

由于實(shí)現(xiàn)上述新風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法需要一個(gè)能使各出口壓力平衡的風(fēng)量分配裝置，現(xiàn)考慮以下關(guān)系。為了便于表述，以下內(nèi)容中，出口為風(fēng)量分配裝置箱體與風(fēng)管連接面出口，末端出口為風(fēng)管末端出口。當(dāng)風(fēng)量分配裝置各個(gè)末端出口風(fēng)量平衡時(shí)，由于在以上建立的模型中，各管段管徑相同，因此各管段以及末端出口的平均流速也相等。又因?yàn)楦髂┒顺隹陟o壓為0，由此可推出各個(gè)末端出口的全壓相等。當(dāng)各末端出口全壓相等時(shí)，空氣從風(fēng)量分配裝置入口至各末端出口的壓力損失相等。因?yàn)楦黠L(fēng)管內(nèi)平均流速相同，在管道材料、粗糙度等其他條件都相同時(shí)，可得各出口至各末端出口段壓力損失相等。結(jié)合以上推論可得，風(fēng)量分配裝置入口至各出口的壓力損失相等，即各出口的壓力相等。因此，當(dāng)風(fēng)量分配裝置風(fēng)量平衡時(shí)即可實(shí)現(xiàn)風(fēng)量分配裝置出口壓力平衡。由于風(fēng)量分配裝置出口面各點(diǎn)壓力突變較大，難以進(jìn)行測量，因此在以下結(jié)果分析中，以風(fēng)量平衡為標(biāo)準(zhǔn)來判斷風(fēng)量分配裝置出口壓力是否達(dá)到相等。

3無導(dǎo)流板時(shí)流場分布

將入口斷面平均流速定義為5.5m/s，即總風(fēng)量為224m3/h。①—⑥號(hào)6個(gè)出口大部分空氣從③④出口流出，其風(fēng)量為68m³/h，小部分空氣從②⑤出口流出，其風(fēng)量為34m³/h，極少部分空氣從①⑥出口流出，其風(fēng)量為10m³/h。由于風(fēng)量分配裝置結(jié)構(gòu)緊湊，腔體較小。在未設(shè)置導(dǎo)流板時(shí)，各出口風(fēng)量難以達(dá)到平衡的狀態(tài)。

4結(jié)論

為實(shí)現(xiàn)新風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，需要得到一各出口壓力平衡的風(fēng)量分配裝置。由于壓力平衡問題在上述模型中可轉(zhuǎn)換為風(fēng)量平衡問題，通過數(shù)值模擬，得出以下結(jié)論：

1）當(dāng)僅在風(fēng)量分配裝置中心設(shè)置導(dǎo)流板時(shí)，隨導(dǎo)流板長度增加，出口①⑥的風(fēng)量增長。出口②⑤的風(fēng)量先增長后減少。出口③④的風(fēng)量減少，不能實(shí)現(xiàn)風(fēng)量平衡。

2）當(dāng)僅在風(fēng)量分配裝置兩側(cè)設(shè)置導(dǎo)流板時(shí)，隨導(dǎo)流板長度增加，出口①⑥的風(fēng)量增長。出口②⑤以及出口③④的風(fēng)量減少，不能實(shí)現(xiàn)風(fēng)量平衡。

3）當(dāng)在風(fēng)量分配裝置兩側(cè)設(shè)置長度為43mm，中心設(shè)置長度為44mm時(shí)，風(fēng)量達(dá)到平衡狀態(tài)，且在一定風(fēng)量范圍內(nèi)均可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)量平衡，即風(fēng)量分配裝置出口壓力相等。

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（作者單位：中國建筑第二工程局有限公司）