1引言

我國(guó)夏季氣候普遍炎熱,在無(wú)機(jī)械降溫情況下室內(nèi)溫度通常在30℃以上。筆者從1991年至1994年對(duì)重慶地區(qū)冬夏季室內(nèi)熱環(huán)境進(jìn)行了長(zhǎng)期實(shí)測(cè)。圖1、圖2為重慶市某住宅夏季一天24h的室內(nèi)外空氣溫度和相對(duì)濕度變化圖。該住宅位于8層樓的第6層,圖3為該房間立面圖。室內(nèi)居住一對(duì)夫婦及一個(gè)3歲小孩。夏季用風(fēng)扇降溫,當(dāng)室外最高溫度達(dá)到40℃時(shí),室內(nèi)晝夜溫度均高達(dá)32～35℃。人們生活居住在這樣的熱環(huán)境條件下,不僅生活和工作受到影響,而且身體健康也將受到危害。因此,室內(nèi)熱舒適條件亟待改善和提高,研究夏季住宅降溫的有效方法極為重要。

在傳統(tǒng)建筑中,通風(fēng)降溫是改善室內(nèi)氣候的有效方法。近來(lái),利用地下能進(jìn)行季節(jié)調(diào)節(jié),通過埋管系統(tǒng)通風(fēng)降溫以改善室內(nèi)熱環(huán)境,得到人們的重視。

筆者將計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件與建筑物動(dòng)態(tài)熱模擬軟件相結(jié)合,開發(fā)了CFD-HT軟件,并利用實(shí)測(cè)資料,對(duì)通風(fēng)降溫建筑室內(nèi)熱環(huán)境進(jìn)行了動(dòng)態(tài)模擬,得到室內(nèi)溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)分布,并在給定的典型夏季人體著裝及活動(dòng)量情況下,預(yù)測(cè)了室內(nèi)熱舒適性指標(biāo)PMV/PPD(即熱舒適預(yù)計(jì)平均投票率/熱舒適預(yù)計(jì)平均不滿意率)。

2傳熱及太陽(yáng)得熱

建筑物動(dòng)態(tài)熱模擬軟件主要用于空調(diào)建筑物的空調(diào)動(dòng)態(tài)負(fù)荷計(jì)算及能耗分析,輸入當(dāng)?shù)貧庀筚Y料及建筑物特性參數(shù),可計(jì)算通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱,透過玻璃的太陽(yáng)得熱。應(yīng)用該軟件,筆者對(duì)中國(guó)北京、重慶等地及英國(guó)倫敦的典型通風(fēng)降溫建筑的室內(nèi)溫度、相對(duì)濕度進(jìn)行了模擬計(jì)算。模擬建筑熱過程時(shí),采用ASHRAE設(shè)計(jì)基礎(chǔ)手冊(cè)(ASHRAEHandbookFundamantal,1981)推薦的熱響應(yīng)系數(shù)及傳遞函數(shù)法。

2.1導(dǎo)熱傳熱

導(dǎo)熱傳熱采用導(dǎo)熱傳遞函數(shù)CTF法。t時(shí)刻的傳導(dǎo)得熱量Qt的計(jì)算公式為

這里,Xj,Yj(j=0,1,2…N),R為導(dǎo)熱傳遞函數(shù),To,t-j和Ta,t-j分別表示室外空氣溫度和室內(nèi)空氣溫度,Qt-1為在Qt前1h的得熱,已知To,t-1,To,t-2…To,t-j及Ta,t-1,Ta,t-2…Ta,t-j就可以確定瞬時(shí)導(dǎo)熱傳熱,即可用式(1)通過Xj,Yj及R對(duì)Qt進(jìn)行計(jì)算。對(duì)Qt的計(jì)算,取決于建筑物屋頂和墻體的構(gòu)造形式,通常重型結(jié)構(gòu)取大值,但極少超過20。Stephenson及Mitalas指出,在下式中,用多于一個(gè)的過去記錄Qt(或Qt-j,j>1),數(shù)據(jù)可被減少,極大節(jié)省計(jì)算機(jī)機(jī)時(shí)。

此處,Aj,Bj,Dj為修正的導(dǎo)熱系數(shù)。

2.2太陽(yáng)得熱及冷負(fù)荷計(jì)算

無(wú)論有無(wú)陽(yáng)光,都存在通過窗戶的導(dǎo)熱傳熱,在計(jì)算冷負(fù)荷時(shí),窗導(dǎo)熱傳熱看成與屋頂、墻一樣,即通過窗的太陽(yáng)輻射得熱和由于窗玻璃吸收太陽(yáng)能提高溫度后向室內(nèi)放熱的對(duì)流得熱。

太陽(yáng)通過窗玻璃的輻射得熱量q1為:

q1=S·[τ1·(It-Id)+τ2·Id](3)

式中

q1——透過窗玻璃的太陽(yáng)輻射得熱量,W/m2;

It——太陽(yáng)總輻射,W/m2;

Id——太陽(yáng)散射輻射,W/m2;

τ1——直接輻射透過率;

τ2——散射輻射透過率;

S——玻璃遮陽(yáng)系數(shù)。

當(dāng)太陽(yáng)光照射在窗戶上時(shí),一般窗戶材料溫度比室內(nèi)表面的空氣溫度高,因此,熱量通過長(zhǎng)波輻射及由窗內(nèi)表面對(duì)流傳熱進(jìn)入室內(nèi)。對(duì)流及長(zhǎng)波輻射得熱量q2按下式計(jì)算:

q2=φ1·(It-Id)+φ2·Id(4)

式中q2——太陽(yáng)輻射對(duì)流得熱量,W/m2;

φ1——太陽(yáng)總輻射吸收率;

φ2——太陽(yáng)輻射散射吸收率。

對(duì)入射角小于60°的太陽(yáng)輻射,直射為主要因素,因此,在大多數(shù)情況下,散射輻射可用直射輻射計(jì)算。

采用ASHRAE手冊(cè)提出的冷負(fù)荷系數(shù)法計(jì)算太陽(yáng)輻射,得熱冷負(fù)荷:

這里,(φ)j(j=0,1,2…N),為太陽(yáng)得熱的冷負(fù)荷系數(shù);(qc)n為太陽(yáng)得熱冷負(fù)荷,W/m2;(q)n-j表示早于(qc)n第j小時(shí)的太陽(yáng)得熱。通過窗的總冷負(fù)荷為導(dǎo)熱傳熱與太陽(yáng)輻射得熱的冷負(fù)荷之和。

3氣流模型

室內(nèi)熱舒適性很大程度受室內(nèi)氣流分布的影響,室內(nèi)氣流特性可通過實(shí)驗(yàn)室或現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試獲得。近年來(lái),計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)用于預(yù)測(cè)建筑氣流分布及評(píng)價(jià)室內(nèi)熱環(huán)境已成為國(guó)際室內(nèi)熱環(huán)境研究的熱門課題。英國(guó)里丁大學(xué)開發(fā)的CFD程序,可對(duì)室內(nèi)氣流分布進(jìn)行計(jì)算模擬。

氣流模型包括連續(xù)性方程,N-S方程,能量方程及K-ε紊流模型方程。對(duì)非壓縮穩(wěn)流時(shí)均方程為:

h——混和空氣比焓,J/kg;

K——紊流動(dòng)能,m2/s2;

p——空氣靜壓,Pa;

q——產(chǎn)熱量,W/m3;

T——空氣平均溫度,℃;

ui——xi方向的平均速度,m/s;

β——體積膨脹系數(shù),K-1;

βc——濃度體積膨脹系數(shù),K-1;

δij——Kronecker(克朗內(nèi)克)δ符號(hào),

μ,μt——分別為層流、紊流耗散率,kg/(m·s);

ρ——空氣密度,kg/m3;

Pr,Sch——分別為紊流普朗特?cái)?shù)和施密特?cái)?shù)。

以上各式中的經(jīng)驗(yàn)系數(shù):cμ=0.09;cd=1.0;c1=1.44;c2=1.92;c3=1.0;σt=0.9;σc=1.0;σK=1.0;σε=1.22。

4自然通風(fēng)

在炎熱地區(qū),自然通風(fēng)是傳統(tǒng)建筑設(shè)計(jì)中改善室內(nèi)熱環(huán)境的有效方法。

室內(nèi)自然通風(fēng)的冷卻作用在于:①造成室內(nèi)氣流流動(dòng),通過直接加強(qiáng)對(duì)流及人體蒸發(fā)散熱來(lái)達(dá)到人體降溫的目的;②流經(jīng)建筑的氣流可以帶走建筑物構(gòu)件及家具的蓄熱;③在適當(dāng)?shù)臈l件下,用室外涼空氣代替室內(nèi)熱空氣,降低室內(nèi)空氣溫度。

為了研究在我國(guó)南方地區(qū)利用自然通風(fēng)降溫的可行性,筆者對(duì)位于重慶地區(qū)的自然通風(fēng)建筑進(jìn)行了傳熱及CFD模擬計(jì)算。在陰天氣象條件下,進(jìn)風(fēng)口溫度為26℃時(shí),室內(nèi)溫度分布如圖4所示。由圖可以看出,居住區(qū)的室內(nèi)溫度為27～28℃,這個(gè)溫度是重慶地區(qū)居民所能接受的。但在夏季晴天,計(jì)算模擬表明,在自然通風(fēng)建筑中有過熱的可能,造成過熱現(xiàn)象的主要原因?yàn)閺拇皯魝魅氲奶?yáng)得熱及室外過高溫度的熱空氣直接進(jìn)入室內(nèi)。這將引起人們的熱不舒適感。

5地下埋管通風(fēng)系統(tǒng)

自然通風(fēng)對(duì)住宅降溫的作用是有限的,在中國(guó)南方極熱天氣(平均氣溫33～34℃)情況下,自然通風(fēng)仍不能達(dá)到熱舒適要求。而地下埋管通風(fēng)系統(tǒng)在這種極熱情況下,可以改善室內(nèi)熱環(huán)境。表1為地下埋管系統(tǒng)進(jìn)出口空氣溫濕度。從表1可以看出,在重慶夏季室外溫度為36℃時(shí),埋管系統(tǒng)最高出口溫度為27～28℃。

日期	時(shí)刻	Tai/℃	Tao/℃Δ	T/℃	Twi/℃	Two/℃	φi/%	φo/%
7月14日	9:30	31.4	27.5	3.9	25.6	24.6	63	79
	15:30	36.2	27.9	8.3	28.5	26.1	57	86
7月15日	9:40	30.6	27.8	2.8	25.7	25.0	67	80
7月16日	15:30	34.7	27.8	6.9	26.9	25.1	55	81
	9:00	29.7	26.8	2.9	25.2	25.6	68	91
	15:00	36.3	27.6	8.7	28.5	26.0	55	87

注:表中Tai為進(jìn)口干球溫度,℃;Tao為出口干球溫度,℃;Twi為進(jìn)口濕球溫度,℃;Two為出口濕球溫度,℃;φi為進(jìn)口相對(duì)濕度,%;φo為出口相對(duì)濕度,%。

筆者利用傳熱及CFD模型,應(yīng)用CFD-HT軟件,將地下埋管出口空氣作為房間送風(fēng),對(duì)房間進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬。當(dāng)送風(fēng)溫度為26℃,送風(fēng)速度為0.5m/s時(shí),室內(nèi)溫度與速度分布如圖5、圖6所示,熱舒適預(yù)測(cè)平均不滿意百分率PPD<25%。如圖7所示,這說明埋管送風(fēng)可以使室內(nèi)環(huán)境熱舒適性得到改善。圖8為埋管送風(fēng)室內(nèi)空氣速度矢量圖。

6結(jié)論

6.1我國(guó)南方地區(qū)夏季室內(nèi)氣溫通常在30℃以上,重慶市區(qū)典型住宅室內(nèi)最熱月晴天晝夜氣溫為32～34℃,人們長(zhǎng)期生活在這樣的熱環(huán)境條件下,不僅生活和工作受到影響,而且身心健康也將受到危害,室內(nèi)熱舒適條件亟待改善和提高,需研究適合我國(guó)國(guó)情的建筑降溫方法和措施,改善人們的生活和居住環(huán)境,為民造福。

6.2現(xiàn)行的熱舒適標(biāo)準(zhǔn),如國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO7730以及美國(guó)供暖制冷空調(diào)工程師學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)ASHRAE55-92,都以丹麥技術(shù)大學(xué)Fanger教授建立的熱舒適模型為基礎(chǔ),采用PMV/PPD模型,本文將PMV/PPD模型與住宅傳熱動(dòng)態(tài)模擬及計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)模擬相結(jié)合,直接輸入室外氣象條件及建筑物特性參數(shù),預(yù)測(cè)模擬室內(nèi)溫度及速度分布,并在給定人體著裝及活動(dòng)量條件下,預(yù)測(cè)PMV/PPD分布,從而進(jìn)行熱舒適性分析。該軟件可用于建筑熱環(huán)境優(yōu)化設(shè)計(jì)和室內(nèi)氣流組織設(shè)計(jì)。

6.3在我國(guó)傳統(tǒng)建筑中,自然通風(fēng)降溫與建筑遮陽(yáng)結(jié)合,是改善室內(nèi)熱環(huán)境的有效方法。本文利用計(jì)算機(jī)模擬得出了自然通風(fēng)房間溫度、速度及熱舒適指標(biāo)分布。結(jié)果表明,一般氣候條件下,自然通風(fēng)可以保持較滿意的室內(nèi)熱環(huán)境?，F(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)應(yīng)認(rèn)真總結(jié)前人經(jīng)驗(yàn),加強(qiáng)自然通風(fēng)理論研究,利用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù),進(jìn)行建筑自然通風(fēng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

6.4利用地下能源,通過埋管系統(tǒng)降溫通風(fēng),可以保持滿意的室內(nèi)熱舒適條件,對(duì)改善夏季室內(nèi)熱環(huán)境行之有效。在重慶夏季典型氣候條件下,埋管降溫通風(fēng)系統(tǒng)可使室內(nèi)生活區(qū)溫度維持在28℃左右。應(yīng)注意對(duì)埋管送風(fēng)可能引起的污染問題,并對(duì)室內(nèi)空氣相對(duì)濕度增加問題加以研究。

6.5一般說來(lái),通風(fēng)降溫建筑室內(nèi)總存在過熱的現(xiàn)象,因此,在制定建筑通風(fēng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及評(píng)價(jià)時(shí),應(yīng)借助計(jì)算機(jī)模擬,統(tǒng)計(jì)室內(nèi)可能過熱的總小時(shí)數(shù),使設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)更加科學(xué)合理。