标准低矮建筑TTU室内气流组织数值研究

杨 伟，杨琳琳，孙 悦，薛思浩

（辽宁工程技术大学 建筑与工程学院 辽宁 阜新123000）

在我国建设部与科技部共同提出“十五”国家科技重大攻关项目“绿色建筑关键技术研究”的研究内容中，第五、六点明确指出针对影响建筑能耗的关键环节——室内环境控制系统，从室内空气质量、热环境和室内综合环境等方面系统开展研究，为绿色建筑的决策、设计、实施、管理提供有效、可靠的室内环境控制与改善技术手段，提高我国在绿色建筑室内环境领域的研究水平，推进我国绿色建筑的发展。研究合理的气流组织状况不但决定着室内空气品质是否满足工作、生活、生产等对空气环境的要求，更是当今节约能源、建设绿色建筑的重要目标[1]。合理的气流组织，即合理的安排送回风口以及送风参数，可以更好地稀释室内污染物浓度，使室内的温度、湿度、流速等满足工艺要求和符合人们的舒适感觉[2－3]。

本文利用CFD数值模拟方法[4－6]，以美国德克萨斯州理工大学WERFL提出的低矮建筑标准权威模型TTU为研究对象，进行低矮建筑的室内气流组织模拟及分析室内污染物分布情况，建立相应的物理和数学模型，对室内气流组织的分布进行数值模拟；并对计算结果进行分析和比较，以获得快速疏散和排出室内污染物的合理气流组织方法，为绿色低矮建筑的设计提供参考依据。

1 物理模型及网格划分

以TTU（Texas Tech University Building Model）标准低矮建筑为物理模型，其外形尺寸为30ft×45ft×13ft（B9.1m×L13.7m×H4m）[7]，顶面有斜率为1／60的坡度。东墙为受热面，温度为Te；西墙温度Tw也比室内温度略高，屋顶及地面设为绝热壁面。由于该模型房间足够长，为使问题能合理地简化，需使沿长度方向上布置均匀的送风口和回风口。因此可以认为沿长度方向的流场均匀，各个截面上的流场可认为基本一致，即在Z方向为通用变量）。通过以上条件，可以把问题近似地简化为二维情况来考虑，利用流体力学方法进行计算分析[5，8]，如图1所示。

由于计算区域规则，形状不复杂，本文采用均匀网格[5，9]，总网格数为140×60，此时网格足够细密，再进一步加密网格已对数值计算结果基本上没有影响。

2 控制方程和边界条件

为了简化问题，模型进行以下条件设定：（1）二维稳态、不可压缩；（2）热物性参数为常数；（3）采用Boussinesq密度假设进行修正[5，8，10]；（4）无滑移壁面条件，采用标准壁面函数[11]；（5）采用 mixture混合模型方程。该问题流体流动控制方程为[5，12]：

图1 TTU建筑尺寸及其二维模型示意图（h—风口距屋顶距离；b—风口高度）

混合模型的连续方程为：

混合模型的动量方程为：

混合模型的能量方程为：

本文应用SIMPLE方法[13]求解动量方程，采用标准kε湍流方程数值模拟，方程的离散为一阶迎风格式，松弛因子的设定采用默认值。边界条件设定中为：送风口设为速度入口，出口为压力出口，室内墙壁设为墙边界。

3 数值计算和讨论

3.1 数值计算

本文以室内空气（air）为主相，以二氧化碳（CO2）为污染物并作为次相，二者均属于气态连续物质，不需要考虑速度差异。由于连续介质具有粘滞性，因此室内气流组织越好，排污效果就越强。以典型的同侧上送下回式（case1）、异侧上送下回式（case2）空调系统为研究对象进行模拟，计算具体参数见表1：

表1 典型工况时计算参数

图2 1.7m高度处风速大小的变化图

图3 相同参数条件下工况case1、case2的流线图和等温图

由我国现行规定的GB50019－2003“采暖通风与空气调节设计规范”[14]可知，舒适性空调室内夏季风速不应大于0.3m／s，冬季风速不应大于0.2m／s，图2是以中国男子平均身高1.7m为标准，得到风速大小随房间长度方向变化的曲线。由图可知，两种工况下，在房间宽度（B）中心的左、右3m范围内气流速度基本小于0.3m／s，符合设计规范的要求，可作为工作区的使用范围。

由图3的流线图可知，在靠近顶棚的区域形成了贴附射流，由于房间顶部有一定的坡度，且射流区下方的空气在射流的作用下具有向上的分速度，所以在射流的下方形成了明显的旋涡区；随着射流区不断扩大，导致射流中心的速度和沿程不断减小；在漩涡的正上方、送风口出口处，气流流速大，静压小，而射流下部流速小、静压大，这样就使射流附壁流动一段距离，形成贴附效应[15]。

由图3的等温图可知，室内空气温度由西向东是逐渐升高的，且温度梯度逐渐增大，这是因为东墙为受热面，温度明显高于西墙和室内原始温度，而送风口设置在西墙上，相对而言更靠近运动剧烈的低温气流，强化换热效果。两图相比较，case2工况的室内温度明显低于case1工况，因为在同侧上送下回式空调系统中，送风气流流向东墙并与其换热后，回流气流可将换热后的热量带入室内，使室内温度升高；而case2工况中，大部分换热后的热空气从回风口流走，不能重新返回到室内，因此室内温度偏低。从图中可以看出，室内工作区的位置宜设置在房间宽度（B）中心的左2m至右4m范围内，温度维持在23℃左右，符合舒适性空调房间的设计要求[16]。

3.2 送风口位置对室内气流组织的影响

图4是建立在典型同侧送回风空调系统基础上（送风参数不变），考虑了h／H变化时，在距地面1.7m高度处风速和温度的变化。在相同条件下，h／H增大，室内空气射流会由贴附射流变为非贴附射流；随着送风口距顶棚距离的增加，风速也随之增加，当h／H≧1／3时，室内平均风速超过了0.3m／s，气流速度超过了舒适性空调的设计要求，使人产生不舒适的吹风感。室内可提供作为工作区的范围只有两米，范围明显比h／H＝0和h／H＝1／12工况所能提供的工作区范围小，因此，在以TTU为研究对象的标准低矮建筑中，送风口宜靠近顶棚，采用贴附射流。温度图中，随着h／H的增大，室内温度逐渐降低并趋近于送风温度；当h／H≧1／3时，室内温度在很大的空间范围内等于送风温度，温度变化平稳，但此时对应的风速却超过了舒适性空调规定的舒适风速。综上，在采用典型上送下回式空调系统时，送风口距顶棚距离与房间高度之比不宜超过1／3，采用贴附射流会使室内气流分布更均匀。

图4 1.7m高度处风速、温度随h／H的变化图

3.3 送风口高度对室内气流组织的影响

由文献9可知，风口面积越小，射流的卷吸率越大，在减小风口宽度的同时增加入口风速所造成的室内扰动风量要远大于单纯增加入口风速所能得到的扰动风量。仍以典型同侧上送下回式空调系统为对象，将图3a流线图（b／H＝1／12）、图5进行比较得出：大风口（图5b）时的射流还没有充分发挥卷吸室内空气的作用便开始迅速下沉，大部分空气直接进入工作区，使射流对室内空气的扰动能力下降，也就是说，空气进入房间后还没有同室内的空气进行充分的热湿交换就被排出房间，这样不但会造成能量的浪费，也很难在工作区产生一个均匀的速度场和温度场，影响工作的舒适性。因此在满足房间的换气次数的前提下，设计中应当尽量布置条缝式风口来代替仅采用大风口的空调形式，尽量提高射流对室内空气的扰动量，使新风空气充分与室内原空气与发生热湿交换，将污染物迅速排出室外，并得到较均匀的温度场和速度场。

图5 b／H＝1／30、b／H＝1／6时的流线图

3.4 送风速度对室内气流组织的影响

改变送风速度，其他参数采用表1数据，从图3a流线图、图6可以看出，贴附长度随着速度的增加而增加，新风与室内空气扰动更为强烈，但送风速度过大（如图6b流线图），就会产生冷空气“短路”现象，送入的冷空气还未与室内空气充分混合就被排出；同时，大的送风速度会使工作区的风速过大（超过0.3m／s），影响工人工作的舒适性，且造成能源的浪费。由图3a等温图、图6等温图可知，温度的衰减随着速度的增加而变慢，这样会使室内的区域温差加大，造成不舒适感。综合上述计算结果得出：对于TTU标准低矮建筑模型，入口风速在1.5～2.5m／s为宜。风速过小，不能形成理想的贴附射流，而风速过大又会造成能源浪费。

图6 相同参数条件下V0＝1m／s、V0＝3m／s时的流线图和等温图

4 结 论

1）典型的同侧上送下回、异侧上送下回通风方式对室内气流组织的影响差别不大，搭配合理的送风速度可以使室内具有良好的气流组织，有利于室内气流流通，可以有效地排出室内污染物，达到经济合理、节能有效的目的，为绿色低矮建筑室内通风设计提供依据；

2）送风口位置和送风参数是影响气流组织的主要因素，在采用典型同侧上送下回式空调系统时，送风口距顶棚距离与房间高度之比不宜超过1／3，可产生贴附射流使室内气流分布更均匀；

3）对于侧面送风形式的通风系统，尽量采用缝式的风口，相对于大的送风口比较而言其具有更大的扰动性，使室内空气与新风充分交换热湿，有利于室温的均匀性和污染物的排出；

4）对于TTU标准低矮建筑模型，入口风速在1.5～2.5m／s为宜，再增加换气次数对室内温度场和流场的均匀性改善不大，却使运行费用增加，浪费能源。

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