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通风降温建筑室内热环境模拟及热舒适研究

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            暖通空调 HV &AC          专题研讨 ?5 ?

通风降温建筑室内热环境 模拟及热舒适研究 3
重庆建筑大学        姚润明 ☆   陈启高 ☆☆   李百战   彭绪亚 中国建筑西南设计研究院   冯  雅
提要   将热舒适评价标准 PM V / PPD 模型与建筑动态热模拟及计算流体动 ( ) 力学 CFD 模拟相结合 ,分别对重庆地区自然通风房间和埋管送风通风房间进行了 室内气候及热舒适性模拟与分析 。结果表明 , 埋管系统通风降温可以改善炎热地 区的室内热舒适性 。 关键词   动态热模拟   计算流体动力学   热舒适   自然通风   埋管

Pr e d i c ti o n of i n d o o r c li m a t e a n d t h e r m a l c o mf o rt f o r c o o li n g i n v e ntil a t e d r e s i d e n c e r o o m s
By Y ao Runming , Chen Qigao , Li Baizhan , Peng Xuya and Feng Y a
Abs t r a c t   B y us i n g t h e r m a l d y n a mi c s i mul a t i o n a n d c o mp u t a t i o n a l Fl ui d D y n a mi c s ( C FD ) t e c h ni q u e s i n c o nj un c t i o n w i t h t h e t h e r m a l c o mf o r t PMV/ P PD mo d e l , i nv e s t i g a t e s i n r o o ms t he indoor t e mp e r a t u r e , Th e r e s ul t s ve l oc i t y a nd s how t ha t t he rma l c o mf o r t r e sp e c t ive ly wi t h na t ur a l

v e n t i l a t i o n a n d v e n t i l a t i o n w i t h a b u r i e d p i p e s y s t e m. t h e r m a l c o mf o r t i n h o t c l i m a t e s .

t h e b u r i e d p i p e v e n t i l a t i o n s y s t e m c a n i mp r o v e i n d o o r

Ke yw o r d s   t h e r m a l d y n a mi c s i mul a t i o n , C o mp u t a t i o n a l Fl ui d D y n a mi c s ( C FD ) , t h e r m a l c o mf o r t , n a t u r a l v e n t i l a t i o n , b u r i e d p i p e
1  引言 我国夏季气候普遍炎热 , 在无机械降温情况下

室内温度通常在 30 ℃ 以上 。笔者从 1991 年至 1994 年对重庆地区冬夏季室内热环境进行了长期实测 。 图 1、 图 2 为重庆市某住宅夏季一天 24 h 的室内外 空气温度和相对湿度变化图 。该住宅位于 8 层楼的 第 6 层 ,图 3 为该房间立面图 。室内居住一对夫妇 及一个 3 岁小孩 。夏季用风扇降温 , 当室外最高温 度达到 40 ℃时 , 室内昼夜温度均高达 32 ~ 35 ℃。 人们生活居住在这样的热环境条件下 , 不仅生活和 工作受到影响 ,而且身体健康也将受到危害 。因此 , 室内热舒适条件亟待改善和提高 , 研究夏季住宅降 温的有效方法极为重要 。 3 本课题为国家自然科学基金资助项目

图1  室内外温度变化曲线 重庆 ,1994 年 7 月 27 日

 ☆  19 Buckingham Drive , Loughborough , L E11 4 TD , U K ☆☆ 400045 重庆市沙坪坝重庆建筑大学建筑物 理教研室 ( 023) 65120704 http://www.cnki.net

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1997 年第 27 卷第 6 期            ?6 ? 专题研讨        
数 , To , t - j 和 T a , t - j 分别表示室外空气温度和室内 空气温度 , Q t - 1 为在 Q t 前 1 h 的得热 ,已知 To , t - 1 , To , t - 2 … To , t - j 及 T a , t - 1 , T a , t - 2 … T a , t - j 就可以确 定瞬时导热传热 , 即可用式 ( 1 ) 通过 X j , Y j 及 R 对 Q t 进行计算 。对 Q t 的计算 , 取决于建筑物屋顶和 墙体的构造形式 ,通常重型结构取大值 ,但极少超过 20 。Stephenson 及 Mitalas 指出 ,在下式中 ,用多于一 个的过去记录 Q t ( 或 Q t - j , j > 1 ) , 数据可被减少 , 极大节省计算机机时 。
Qt =

图2  室内外相对湿度变化曲线 重庆 1994 年 7 月 27 日

∑B ?To - ∑ A ?T a
j
j =0

, t- j

j

, t- j

-

j =0

j =0

∑+ D

j

?Q t -

j

( 2)

图3  房间立面图

   在传统建筑中 , 通风降温是改善室内气候的有 效方法 。*来 ,利用地下能进行季节调节 ,通过埋管 系统通风降温以改善室内热环境 ,得到人们的重视 。    笔者将计算流体动力学软件与建筑物动态热模 拟软件相结合 ,开发了 CFD - HT 软件 ,并利用实测 资料 ,对通风降温建筑室内热环境进行了动态模拟 , 得到室内温度场 、 速度场分布 ,并在给定的典型夏季 人体着装及活动量情况下 , 预测了室内热舒适性指 标 PM V / PPD ( 即热舒适预计*均投票率/ 热舒适 预计*均不满意率) 。 2  传热及太阳得热 建筑物动态热模拟软件主要用于空调建筑物的 空调动态负荷计算及能耗分析 , 输入当*笞柿 及建筑物特性参数 ,可计算通过围护结构的传热 ,透 过玻璃的太阳得热 。应用该软件 ,笔者对中国北京 、 重庆等地及英国伦敦的典型通风降温建筑的室内温 度、 相对湿度进行了模拟计算 。模拟建筑热过程时 , 采用 ASHRA E 设 计 基础 手 册 ( ASHRA E Handbook
Fundamantal , 1981) 推荐的热响应系数及传递函数

此处 , A j , B j , Dj 为修正的导热系数 。 2. 2   太阳得热及冷负荷计算 无论有无阳光 ,都存在通过窗户的导热传热 ,在 计算冷负荷时 ,窗导热传热看成与屋顶 、 墙一样 , 即 通过窗的太阳辐射得热和由于窗玻璃吸收太阳能提 高温度后向室内放热的对流得热 。 太阳通过窗玻璃的辐射得热量 q1 为 : ( 3) q1 = S ? [τ 1 ?( I t - I d ) + τ 2 ?I d ] 式中  q1 — — — 透 过窗玻璃的太阳辐射得热量 ,
W/ m2 ;

   I t — — — 太阳总辐射 ,W/ m2 ;
Id — — — 太阳散射辐射 ,W/ m ;
2

τ — — 直接辐射透过率 ; 1 — τ — — 散射辐射透过率 ; 2 —
S— — — 玻璃遮阳系数 。 当太阳光照射在窗户上时 , 一般窗户材料温度 比室内表面的空气温度高 ,因此 ,热量通过长波辐射 及由窗内表面对流传热进入室内 。对流及长波辐射 得热量 q2 按下式计算 : ( 4) q2 = 1 ?( I t - I d ) + 2 ?I d

式中  q2 — — — 太阳辐射对流得热量 ,W/ m2 ; — — 太阳总辐射吸收率 ; 1 —
2

— — — 太阳辐射散射吸收率 。

法。
2. 1   导热传热

导热传热采用导热传递函数 CTF 法 。 t 时刻的 传导得热量 Q t 的计算公式为
Qt =
j =0

对入射角小于 60° 的太阳辐射 , 直射为主要因 素 ,因此 ,在大多数情况下 , 散射辐射可用直射辐射 计算 。 采用 ASHRA E 手册提出的冷负荷系数法计算 太阳辐射 ,得热冷负荷 :
( qc )
n

=



Y j ? To , t -

j

-

j =0



X j ?T a , t -

j

+ R ?Q t - 1 ( 1)

j =0

∑[ ( q)

n- j

(φ ) j]

( 5)

   这里 , (φ) j ( j = 0 , 1 , 2 …N ) , 为太阳得热的冷负 荷系数 ; ( qc) n 为太阳得热冷负荷 ,W/ m2 ; ( q) n - j 表 示早于 ( qc ) n 第 j 小时的太阳得热 。通过窗的总冷 http://www.cnki.net

   这里 , X j , Y j ( j = 0 , 1 , 2 …N ) , R 为导热传递函

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            暖通空调 HV &AC          专题研讨 ?7 ?
负荷为导热传热与太阳辐射得热的冷负荷之和 。
3  气流模型
t

h— — — 混和空气比焓 ,J / kg ; K— — — 紊流动能 ,m / s ; p— — — 空气静压 ,Pa ; q— — — 产热量 ,W/ m3 ; T— — — 空气*均温度 , ℃; ui — — —x i 方向的*均速度 ,m/ s ;
2 2

室内热舒适性很大程度受室内气流分布的影 响 ,室内气流特性可通过实验室或现场测试获得 。 *年来 ,计算流体动力学 ( CFD) 用于预测建筑气流 分布及评价室内热环境已成为国际室内热环境研究 的热门课题 。英国里丁大学开发的 CFD 程序 ,可对 室内气流分布进行计算模拟 。 气流模型包括连续性方程 ,N - S 方程 , 能量方 程及 K - ε紊流模型方程 。对非压缩稳流时均方程 为: 9 (ρ ) 连续性方程    ui = 0 9x i 动量方程 9uj 9 (ρ ) 9 (μ μ ) 9 ui uu = + t + 9 x i ta i j 9x i 9x j 9x i 9 9x j 能量方程 9 (ρ ) 9 ui h = 9x i 9x i    浓度方程 9 (ρ ) 9 uic = 9x i 9x i    空气温度    T = μ μt 9c + + csρ ( 9) S ch σ 9x i c
h - 2 501 000? c 1 006 + 1 805? c K
2



β— — — 体积膨胀系数 , K - 1 ; β — — 浓度体积膨胀系数 , K - 1 ; c — δ — —Kronecker ( 克朗内克 ) δ符号 , ij —
1 0 0

( 6)

δij = 0 1 0 ; 0 0 1 μ,μ — — 分别 为 层 流 、 紊流耗散率 , t —
kg/ ( m? s) ;

oo

ρ— — — 空气密度 ,kg/ m3 ;
Pr , Sch — — — 分别为紊流普朗特数和施密特

p +

2 (ρK δ ij ) 3

) + gi (ρ r - ρ ( 7)

数。 以上各式中的经验系数 : cμ = 0 . 09 ; cd = 1 . 0 ; c1 =
1 . 44 ; c2 = 1 . 92 ; c3 = 1 . 0 ;σ t = 0 . 9 ;σ c = 1 . 0 ;σ K = 1. 0 ;σ ε = 1. 22 。 4  自然通风

μ
Pr

+

μ t 9h + q σ 9x i t

( 8)

( 10)
( 11)

ρ? 紊流耗散系数 :   μ μ? t = c ε 紊流动能方程 : 9 (ρ 9 u i K) = 9x i 9x i μ+

μ 9 u i 9 ui t 9K ( +μ + t σ 9x i 9x j 9x j k
( 12)

9uj ) - cdρ ε+ G 9x i

   紊流动能耗散率方程 : μt 9ε 9 ui 9 u i 9 (ρ ε 9 μ+ ( ui ) = + c1μ + t σ 9x i 9x i 9 x j 9x j ε 9x i
2 9uj ε ε ε ) - c2ρ + c3 G 9x i K K K

在炎热地区 , 自然通风是传统建筑设计中改善 室内热环境的有效方法 。 室内自然通风的冷却作用在于 :① 造成室内气 流流动 ,通过直接加强对流及人体蒸发散热来达到 人体降温的目的 ; ② 流经建筑的气流可以带走建筑 物构件及家具的蓄热 ; ③ 在适当的条件下 . 2 ,用室外凉 空气代替室内热空气 ,降低室内空气温度 。 为了研究在我国南方地区利用自然通风降温的 可行性 ,笔者对位于重庆地区的自然通风建筑进行 ∑ 了传热及 CFD 模拟计算 。在阴天气象条件下 ,进风 口温度为 26 ℃ 时 ,室内温度分布如图 4 所示 。由图 可以看出 ,居住区的室内温度为 27 ~ 28 ℃, 这个温

 

I

( 13)

   此处 G 为浮力 ,由热及浓度扩散的联合作用而 产生 。
G = gi β

μt 9 T μ t 9 c +β c σ σ 9 x t i c 9x i

( 14)
图4  夏季阴天自然通风房间 ) 垂直*面温度分布图 ( ℃

)

以上各式中  c — — — 空气中水蒸气含量 ,kg/ kg ;
cs — — — 单位体积浓度产生量 ,

m3 / ( s? m3 ) ;
gi — — — j x i 方向的加速度 ,m/ s ;
2

度是重庆地区居民所能接受的 。但在夏季晴天 , 计 算模拟表明 ,在自然通风建筑中有过热的可能 ,造成 http://www.cnki.net

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1997 年第 27 卷第 6 期            ?8 ? 专题研讨        
过热现象的主要原因为从窗户传入的太阳得热及室 外过高温度的热空气直接进入室内 。这将引起人们 的热不舒适感 。 5  地下埋管通风系统 自然通风对住宅降温的作用是有限的 , 在中国 ) 情况下 ,自然通 南方极热天气 ( *均气温 33~34 ℃ 风仍不能达到热舒适要求 。而地下埋管通风系统在 这种极热情况下 , 可以改善室内热环境 。表 1 为地 下埋管系统进出口空气温湿度 [ 5 ] 。从表 1 可以看 出 ,在重庆夏季室外温度为 36 ℃ 时 , 埋管系统最高 出口温度为 27~28 ℃。 表1  地下埋管进出口温湿度
日期 Δ T/ ℃ T wi/ ℃ T wo/ ℃ φi/ % φo/ % 时刻 T ai/ ℃ T ao/ ℃
31. 4 36. 2 30. 6 34. 7 29. 7 36. 3 27. 5 27. 9 27. 8 27. 8 26. 8 27. 6 3. 9 8. 3 2. 8 6. 9 2. 9 8. 7 25. 6 28. 5 25. 7 26. 9 25. 2 28. 5 24. 6 26. 1 25. 0 25. 1 25. 6 26. 0 63 57 67 55 68 55 79 86 80 81 91 87 15 :30 7 月 15 日 9 :40 15 :30 7 月 16 日 9 :00 15 :00 7 月 14 日 9 :30

图7  夏季晴天埋管通风房间 水*面 PPD 分布

   注 :表中 T ai 为进口干球温度 , ℃; T ao 为出口干球温度 , ℃;
T wi为进口湿球温度 , ℃; Two为出口湿球温度 , ℃;φi 为进口相对湿 度 , % ;φo 为出口相对湿度 , % 。

笔者利用传热及 CFD 模型 , 应用 CFD - HT 软 件 ,将地下埋管出口空气作为房间送风 ,对房间进行

图8  夏季晴天埋管送风室内空气速度矢量图

图5  夏季晴天埋管通风房间 ) 水*面温度分布 ( ℃

图6  夏季晴天埋管通风房间 垂直面速度分布 ( m/ s)

了计算机模拟 。当送风温度为 26 ℃, 送风速度为 0. 5 m/ s 时 ,室内温度与速度分布如图 5 、 图 6 所示 , 热舒适预测*均不满意百分率 PPD < 25 % 。如图 7 所示 ,这说明埋管送风可以使室内环境热舒适性得 到改善 。图 8 为埋管送风室内空气速度矢量图 。 6  结论 6. 1   我国南方地区夏季室内气温通常在 30 ℃以 上 ,重庆市区典型住宅室内最热月晴天昼夜气温为 32~34 ℃,人们长期生活在这样的热环境条件下 , 不仅生活和工作受到影响 , 而且身心健康也将受到 危害 ,室内热舒适条件亟待改善和提高 ,需研究适合 我国国情的建筑降温方法和措施 , 改善人们的生活 和居住环境 ,为民造福 。 6. 2   现行的热舒适标准 , 如国际标准 ISO 7730 以 及美 国 供 暖 制 冷 空 调 工 程 师 学 会 标 准 ASHRA E 55 - 92 ,都以丹麦技术大学 Fanger 教授建立的热舒 适 模 型 为 基 础 , 采 用 PM V / PPD 模 型 , 本 文 将 PM V / PPD 模型与住宅传热动态模拟及计算流体 动力学 ( CFD) 模拟相结合 , 直接输入室外气象条件 及建筑物特性参数 ,预测模拟室内温度及速度分布 , 并在给定人体着装及活动量条件下 , 预测 PM V / PPD 分布 ,从而进行热舒适性分析 。该软件可用于 建筑热环境优化设计和室内气流组织设计 。 http://www.cnki.net

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            暖通空调 HV &AC          专题研讨 ?9 ?
6. 3   在我国传统建筑中 ,自然通风降温与建筑遮阳
Airflow Performance of Large Space. ROOMV EN T ′ 94 : Proceedings of Room 4t h

结合 ,是改善室内热环境的有效方法 。本文利用计 算机模拟得出了自然通风房间温度 、 速度及热舒适 指标分布 。结果表明 ,一般气候条件下 ,自然通风可 以保持较满意的室内热环境 。现代建筑设计应认真 总结前人经验 ,加强自然通风理论研究 ,利用计算机 模拟技术 ,进行建筑自然通风优化设计 。 6. 4   利用地下能源 , 通过埋管系统降温通风 , 可以 保持满意的室内热舒适条件 , 对改善夏季室内热环 境行之有效 。在重庆夏季典型气候条件下 , 埋管降 温通风系统可使室内生活区温度维持在 28 ℃ 左右 。 应注意对埋管送风可能引起的污染问题 , 并对室内 空气相对湿度增加问题加以研究 。 6. 5   一般说来 ,通风降温建筑室内总存在过热的现 象 ,因此 ,在制定建筑通风设计标准及评价时 , 应借 助计算机模拟 ,统计室内可能过热的总小时数 ,使设 计标准更加科学合理 。 7  致谢 英国里丁大学 Awbi 博士给予了帮助 ,笔者在此 表示感谢 。 8  参考文献
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Air Distribution in

International Conference. Poland , 1994 : 4492465. 5  陈启高 ,等 . 利用地下季节蓄能调节室内热环境试验报

告 . 1994.
6  中国建筑科学研究院 . 炎热地区的建筑降温 . 北京 : 中国

工业出版社 ,1965.
7  Fanger P O. York , 1972. 8  Gan G. Numerical Met hod for a Full Assessment of Indoor Thermal Comfort . Indoor Air , No . 4 ,1994 :154~168. 9  Gan G , Awbi H B and Croome D J . CFD Simulation of t he Indoor Environment for Ventilation Design. ASM E Winter Annual Meeting , Transport Phenomena in Indoor Environment , paper 932WA/ HT249 , November 1993 , New Orleans , USA. 10 Gan G and Awbi H B. Numerical Simulation of t he Indoor Environment. Building and Environment , V 29 , 1994 , London. 11 Li Baizhan. Thermal and Environmental Design to Meet Future Needs. Proceedings of Tall Building 2000 and Beyond Conference , Hong Kong , V 2 , 1990 :3652374. 12 McIntyre D. The Effect of Air Movement on Thermal Comfort and Sensation. Indoor Climate , 1979. Copenhagen :5412560. 13 Humphyeys M A. Field Studies of Thermal Comfort Compared and Applied. Buildings Services Engineer , V. 44 , 1976 ,U K. 14 Stephenson D G and Mitalas G P. Calculation of Heat Conduction Transfer Function for Multi2layer Slabs. ASHRAE Trans. V 77 , Part 2 ,1971 ,USA. Thermal Comfort . Mc Graw2Hill , New

ASHRAE , Atlanta , USA , 1992. 4  Awbi , H B and Li Baizhan. Predicted t he Thermal and

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