极小居住空间气流组织的特性

徐港昌，刘 义＊，陈 星

（扬州大学a．水利与能源动力工程学院；b．建筑科学与工程学院，江苏 扬州225127）

极小居住空间是一种新兴的居住空间模式，具有节约建筑面积、功能多样和布局多元化的优点，但空间内的气流组织比较复杂，且易受外部环境影响．Fišer［1］和Zhang［2］等对飞机舱内的通风系统进行深入的研究；Huang［3－4］等对地铁隧道不同的通风方式进行了数值模拟；Kaye［5］和杨秀峰［6］等对瞬态自然通风进行了数值分析；简君翰［7］深入解析了无动力太阳能通风塔的能源效益；王小巍［8］将竖壁贴附射流应用于胶囊旅馆．本文拟对极小空间既定布局，采用CFD（computational fluid dynamics）数值模拟的方法［9］，对此空间的气流特征进行求解计算，从而了解极小居住空间室内气流组织的特性．

1 模型与计算

为探讨极小居住空间的气流特征，本文搭建了如图1所示的示范型建筑．建筑的层高2．3m，开间2．2m，进深2．0m，总容积为10．12m3，其中天花板中部放1盏34W 的LED 灯；卫生间和床头各开1个通风口，其尺寸分别为0．8m×0．5m 和0．6m×0．3m，离地面高度分别为1．7，0．7m；门下方设有1个0．7m×0．3m 的通风格栅；灶台上方距地面1．6m 处设1个0．5m×0．4m 的排风口．围护结构的厚度为0．01m，以聚氨酯作为墙体保温材料，木龙骨作为承重结构．模型坐南朝北置于教学楼顶，空气在热压和风压的共同作用下流经室内，为获得室内实际的流速和温度，进行了现场实时测量，测量点分布见图2．

由于室内空气的流动状态为湍流，故本文选择适用于大雷诺数的标准RNG （re－normalization group）k－ε 模型．为方便建模和求解，假设：①室内气流为常物性不可压缩牛顿流体；②流体为稳态湍流模型，且考虑了热压及风压；③Boussinesq假设成立，不考虑气流渗透作用．引入空气龄表示空气在室内的滞留时间，反映室内空气的新鲜程度；PMV（predicted mean vote）指标反映人体热反应的程度；PPD（predicted percentage of dissatisfied）指标反映人群对热环境不满意度，采用Fluent 6．0软件求解此极小空间空态时室内空气的流动特征．

图1 示范型极小居住空间（mm）Fig．1 Tiny living space model（mm）

图2 测试点分布图（mm）Fig．2 The measuring points distribution（mm）

2 结果与分析

图3为x＝0．6m 截面上室内空气流动的速度分布图．结果显示，在热压和风压的共同作用下，室外空气从卫生间的通风口流入，主体流速较大，最大流速出现在灶台通风口，达到0．994m·s－1．由于灶台上方吊柜的阻挡，主体气流穿过卫生间后流向斜下方，并从灶台上的排风口流出室外，形成一股穿堂风．而气流边缘受到灶台的阻挡，回流到卫生间，并在卫生间内形成局部涡流，这有利于改善卫生间的空气质量．图4为x＝0．6m 截面上室内平均空气龄分布图．结果表明，主体气流的空气龄大约为7．13s，由于形成通风死角，灶台下方的空气龄最大，达到41．63s，卫生间受到涡流的影响而促使空气进行更新，其下方空气龄为26．01s．

图5为x＝1．0m 截面上室内空气流动的速度分布图．从图5可以看出，由于置物架的阻挡作用，气流从卫生间通风口进入后直接向下流动，促使卫生间内空气快速流动．该截面上空气流速在门下方通风格栅处达到最大，约为0．995m·s－1，置物架后面的空气流速较小，其中置物架中部流速约为0m·s－1．由于家具的阻挡，使得空气之间的流动互相干扰，可以看到该截面上空气流速整体较小．图6为x＝1．0m 截面上平均空气龄分布图．由图6可知，卫生间内的空气龄较小，小于29．86s，说明卫生间内空气更新速度较快，而置物架后由于空气流速非常小，导致该处空气龄最大，约为59．73s．

图3 x＝0．6m 处室内空气速度矢量图（m·s－1）Fig．3 The velocity vector at x＝0．6m（m·s－1）

图4 x＝0．6m 处室内空气龄图（s）Fig．4 The mean age of air at x＝0．6m（s）

图7 为x＝1．7m 截面上室内空气流动的速度分布图．结果显示，床位上方形成一股类似穿堂风的气流，其主体流速达到0．70m·s－1．室内出现2个涡流，一个位于2个吊柜之间，这是由于气流上层受到吊柜的阻挡，回流后又受到另一个吊柜的阻挡所致；另一个位于室内中部，因气流主体遇到墙体的阻挡所致，这有利于促进床位上方空气的更新．图8为x＝1．7 m 截面上室内平均空气龄分布图．由图8可知，床位这部分空间的气流受到阻挡较小，空气流动非常顺畅，除涡流中心外，其余各处的空气龄均小于58．77s．由于床位上方涡流中心空气流速非常小，使得此处的空气龄较大（69．53s）．总体而言，布局决定了气流流动特性，进而影响室内空气质量．

图9为y＝1．7m 截面上室内空气流动的速度分布图，图10为此截面上室内平均空气龄分布图．图9显示，受置物架的阻挡，置物架后大部分区域空气流速较小，直接导致该处的空气龄较大；从图10可以看出，此处空气龄最大，达到45．42s．受穿堂风的影响，空气直接从两个通风口穿过室内，绕过置物架后从门下方格栅流出，所受阻挡较小，气流主体流速较大，空气流速最大处位于灶台通风口，约1．79m·s－1，在房间角落处衰减很快．在y＝1．7m 截面上除置物架后方与床位上方边缘的空气龄较大外，整个空间的空气龄均小于32．44s，因为流经通风口的空气基本穿越了整个空间，空气流速较大，使得整体空气更新速度较快．

图11为y＝1．2m 截面上室内空气的PMV 分布图．由图11可知，在室外温度为30．4 ℃且没有空调的条件下，室内大部分空间PMV 指标大于2．10，说明此时室内整体偏暖，而气流主体边缘和角落处的PMV 指标略小于整体空间的PMV 值，约为2．08．图12为y＝1．2m 截面上室内空气的PPD）

图5 x＝1．0m 处室内空气速度矢量图（m·sFig．5 The velocity vector at x＝1．0m（m·s－1）分布图．

图6 x＝1．0m 处室内空气龄图（s）Fig．6 The mean age of air at x＝1．0m（s）

图7 x＝1．7m 处室内空气速度矢量图（m·s－1）Fig．7 The velocity vector at x＝1．7m（m·s－1）

图8 x＝1．7m 处室内空气龄图（s）Fig．8 The mean age of air at x＝1．7m（s）

图9 y＝1．7m 处室内空气速度矢量图（m·s－1）Fig．9 The velocity vector at y＝1．7m（m·s－1）

图10 y＝1．7m 处室内空气龄图（s）Fig．10 The mean age of air at y＝1．7m（s）

图11 y＝1．2m 处室内空气PMV Fig．11 The PMV at y＝1．2m

图12 y＝1．2m 处室内PPD Fig．12 The PPD at y＝1．2m

由图12可知，极小居住空间的整体PPD 指标超过78．26%，说明此时大部分人对所处环境感到不满意．在环境与灯具的共同影响下，最不满意区域出现在室内中央，此处PPD 的最大值为85．82%．

［1］ FIŠER J，JÍCHA M．Impact of air distribution system on quality of ventilation in small aircraft cabin［J］．Build Environ，2013，69（11）：171－182．

［2］ ZHANG Tengfei，CHEN Qingyan．Novel air distribution systems for commercial aircraft cabins［J］．Build Environ，2007，42（4）：1675－1684．

［3］ HUANG Yuandong，LI Chan，KIM C N．A numerical analysis of the ventilation performance for different ventilation strategies in a subway tunnel［J］．J Hydrodyn，2012，24（2）：193－201．

［4］ HUANG Yuandong，GAO Wei，KIM C N．A numerical study of the train－induced unsteady airflow in a subway tunnel with natural ventilation ducts using the dynamic layering method［J］．J Hydrodyn，2010，22（2）：164－172．

［5］ KAYE N B，JI Y，COOK M J．Numerical simulation of transient flow development in a naturally ventilated room［J］．Build Environ，2009，44（5）：889－897．

［6］ 杨秀峰，钟珂，亢燕铭，等．室内初始温度较高条件下的瞬态自然通风［J］．扬州大学学报（自然科学版），2012，15（4）：68－73．

［7］ 简君翰．无动力太阳能通风塔能源效益解析——以绿色魔法学校国际会议厅为例［D］．台湾：国立成功大学，2009．

［8］ 王小巍．适用于胶囊旅馆的气流组织形式［D］．西安：西安建筑科技大学，2013．

［9］ 李先庭，赵彬．室内空气流动数值模拟［M］．北京：机械工业出版社，2009．