1引言

我國夏季氣候普遍炎熱,在無機械降溫情況下室內溫度通常在30℃以上。筆者從1991年至1994年對重慶地區(qū)冬夏季室內熱環(huán)境進行了長期實測。圖1、圖2為重慶市某住宅夏季一天24h的室內外空氣溫度和相對濕度變化圖。該住宅位于8層樓的第6層,圖3為該房間立面圖。室內居住一對夫婦及一個3歲小孩。夏季用風扇降溫,當室外最高溫度達到40℃時,室內晝夜溫度均高達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,通風降溫是改善室內氣候的有效方法。近來,利用地下能進行季節(jié)調節(jié),通過埋管系統(tǒng)通風降溫以改善室內熱環(huán)境,得到人們的重視。

筆者將計算流體動力學軟件與建筑物動態(tài)熱模擬軟件相結合,開發(fā)了CFD-HT軟件,并利用實測資料,對通風降溫建筑室內熱環(huán)境進行了動態(tài)模擬,得到室內溫度場、速度場分布,并在給定的典型夏季人體著裝及活動量情況下,預測了室內熱舒適性指標PMV/PPD(即熱舒適預計平均投票率/熱舒適預計平均不滿意率)。

2傳熱及太陽得熱

建筑物動態(tài)熱模擬軟件主要用于空調建筑物的空調動態(tài)負荷計算及能耗分析,輸入當地氣象資料及建筑物特性參數,可計算通過圍護結構的傳熱,透過玻璃的太陽得熱。應用該軟件,筆者對中國北京、重慶等地及英國倫敦的典型通風降溫建筑的室內溫度、相對濕度進行了模擬計算。模擬建筑熱過程時,采用ASHRAE設計基礎手冊(ASHRAEHandbookFundamantal,1981)推薦的熱響應系數及傳遞函數法。

2.1導熱傳熱

導熱傳熱采用導熱傳遞函數CTF法。t時刻的傳導得熱量Qt的計算公式為

這里,Xj,Yj(j=0,1,2…N),R為導熱傳遞函數,To,t-j和Ta,t-j分別表示室外空氣溫度和室內空氣溫度,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就可以確定瞬時導熱傳熱,即可用式(1)通過Xj,Yj及R對Qt進行計算。對Qt的計算,取決于建筑物屋頂和墻體的構造形式,通常重型結構取大值,但極少超過20。Stephenson及Mitalas指出,在下式中,用多于一個的過去記錄Qt(或Qt-j,j>1),數據可被減少,極大節(jié)省計算機機時。

此處,Aj,Bj,Dj為修正的導熱系數。

2.2太陽得熱及冷負荷計算

無論有無陽光,都存在通過窗戶的導熱傳熱,在計算冷負荷時,窗導熱傳熱看成與屋頂、墻一樣,即通過窗的太陽輻射得熱和由于窗玻璃吸收太陽能提高溫度后向室內放熱的對流得熱。

太陽通過窗玻璃的輻射得熱量q1為:

q1=S·[τ1·(It-Id)+τ2·Id](3)

式中

q1——透過窗玻璃的太陽輻射得熱量,W/m2;

It——太陽總輻射,W/m2;

Id——太陽散射輻射,W/m2;

τ1——直接輻射透過率;

τ2——散射輻射透過率;

S——玻璃遮陽系數。

當太陽光照射在窗戶上時,一般窗戶材料溫度比室內表面的空氣溫度高,因此,熱量通過長波輻射及由窗內表面對流傳熱進入室內。對流及長波輻射得熱量q2按下式計算:

q2=φ1·(It-Id)+φ2·Id(4)

式中q2——太陽輻射對流得熱量,W/m2;

φ1——太陽總輻射吸收率;

φ2——太陽輻射散射吸收率。

對入射角小于60°的太陽輻射,直射為主要因素,因此,在大多數情況下,散射輻射可用直射輻射計算。

采用ASHRAE手冊提出的冷負荷系數法計算太陽輻射,得熱冷負荷:

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

3氣流模型

室內熱舒適性很大程度受室內氣流分布的影響,室內氣流特性可通過實驗室或現場測試獲得。近年來,計算流體動力學(CFD)用于預測建筑氣流分布及評價室內熱環(huán)境已成為國際室內熱環(huán)境研究的熱門課題。英國里丁大學開發(fā)的CFD程序,可對室內氣流分布進行計算模擬。

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。對非壓縮穩(wěn)流時均方程為:

h——混和空氣比焓,J/kg;

K——紊流動能,m2/s2;

p——空氣靜壓,Pa;

q——產熱量,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,K-1;

βc——濃度體積膨脹系數,K-1;

δij——Kronecker(克朗內克)δ符號,

μ,μt——分別為層流、紊流耗散率,kg/(m·s);

ρ——空氣密度,kg/m3;

Pr,Sch——分別為紊流普朗特數和施密特數。

以上各式中的經驗系數: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

在炎熱地區(qū),自然通風是傳統(tǒng)建筑設計中改善室內熱環(huán)境的有效方法。

室內自然通風的冷卻作用在于:①造成室內氣流流動,通過直接加強對流及人體蒸發(fā)散熱來達到人體降溫的目的;②流經建筑的氣流可以帶走建筑物構件及家具的蓄熱;③在適當的條件下,用室外涼空氣代替室內熱空氣,降低室內空氣溫度。

為了研究在我國南方地區(qū)利用自然通風降溫的可行性,筆者對位于重慶地區(qū)的自然通風建筑進行了傳熱及CFD模擬計算。在陰天氣象條件下,進風口溫度為26℃時,室內溫度分布如圖4所示。由圖可以看出,居住區(qū)的室內溫度為27～28℃,這個溫度是重慶地區(qū)居民所能接受的。但在夏季晴天,計算模擬表明,在自然通風建筑中有過熱的可能,造成過熱現象的主要原因為從窗戶傳入的太陽得熱及室外過高溫度的熱空氣直接進入室內。這將引起人們的熱不舒適感。

5地下埋管通風系統(tǒng)

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

日期	時刻	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為進口干球溫度,℃;Tao為出口干球溫度,℃;Twi為進口濕球溫度,℃;Two為出口濕球溫度,℃;φi為進口相對濕度,%;φo為出口相對濕度,%。

筆者利用傳熱及CFD模型,應用CFD-HT軟件,將地下埋管出口空氣作為房間送風,對房間進行了計算機模擬。當送風溫度為26℃,送風速度為0.5m/s時,室內溫度與速度分布如圖5、圖6所示,熱舒適預測平均不滿意百分率PPD<25%。如圖7所示,這說明埋管送風可以使室內環(huán)境熱舒適性得到改善。圖8為埋管送風室內空氣速度矢量圖。

6結論

6.1我國南方地區(qū)夏季室內氣溫通常在30℃以上,重慶市區(qū)典型住宅室內最熱月晴天晝夜氣溫為32～34℃,人們長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,室內熱舒適條件亟待改善和提高,需研究適合我國國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現行的熱舒適標準,如國際標準ISO7730以及美國供暖制冷空調工程師學會標準ASHRAE55-92,都以丹麥技術大學Fanger教授建立的熱舒適模型為基礎,采用PMV/PPD模型,本文將PMV/PPD模型與住宅傳熱動態(tài)模擬及計算流體動力學(CFD)模擬相結合,直接輸入室外氣象條件及建筑物特性參數,預測模擬室內溫度及速度分布,并在給定人體著裝及活動量條件下,預測PMV/PPD分布,從而進行熱舒適性分析。該軟件可用于建筑熱環(huán)境優(yōu)化設計和室內氣流組織設計。

6.3在我國傳統(tǒng)建筑中,自然通風降溫與建筑遮陽結合,是改善室內熱環(huán)境的有效方法。本文利用計算機模擬得出了自然通風房間溫度、速度及熱舒適指標分布。結果表明,一般氣候條件下,自然通風可以保持較滿意的室內熱環(huán)境?，F代建筑設計應認真總結前人經驗,加強自然通風理論研究,利用計算機模擬技術,進行建筑自然通風優(yōu)化設計。

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

6.5一般說來,通風降溫建筑室內總存在過熱的現象,因此,在制定建筑通風設計標準及評價時,應借助計算機模擬,統(tǒng)計室內可能過熱的總小時數,使設計標準更加科學合理。