基于CFD的室内自然通风及热舒适性的模拟

第42卷第5期2009年5月天津大学学报JournalofTianjinUniversityVol.42No.5May2009收稿日期：2008-08-07；修回日期：2008-11-20.基金项目：天津市应用基础研究计划资助项目(08JCYBJC13300).作者简介：闫凤英（1967—），女，副教授.通讯作者：闫凤英，[e-mail].基于CFD的室内自然通风及热舒适性的模拟闫凤英1,2，王新华2，吴有聪2(1.天津大学建筑学院，天津300072；2.天津大学建筑工程学院，天津300072)摘要：自然通风条件下室内空气流动及其对热舒适性的影响是住宅设计的重要因素．基于计算流体力学方法，应用Fluent软件，开展了自然通风热舒适性的研究．建立了天津某小区高层住宅建筑中两种户型的计算模型，对夏季典型气候下室内自然通风情况进行了模拟分析．探讨了风向、风速和气温对室内自然通风的速度场和热舒适指数的影响．得出了A型房间的通风效果要优于B型房间的结论．利用数值方法对住宅的自然通风进行模拟，不仅可以评价房间的自然通风效果，而且对于住宅户型的设计具有重要的参考价值．关键词：住宅户型；数值模拟；室内空气流场；热舒适中图分类号：TU834.51文献标志码：A文章编号：0493-2137(2009)05-0407-06SimulationofInteriorNaturalVentilationandThermalComfortBasedonCFDYANFeng-ying1,2，WANGXin-hua2，WUYou-cong2(1.SchoolofArchitecture，TianjinUniversity，Tianjin300072，China；2.SchoolofCivilEngineering，TianjinUniversity，Tianjin300072，China)Abstract：Theinteriorairflowanditsinfluenceonthermalcomfortundernaturalventilationareimportantfactorsinhous-ingdesign.Byusingthecomputationalfluiddynamics(CFD)methodandFluentsoftware，numericalmodeloftwotypesofapartmentsofahighbuildinginaresidentialdistrictlocatedinTianjinwasbuiltup.Theinteriornaturalventilationintypicalclimateofthesummerseasonwassimulatedandanalyzed.Theinfluencesofdirectionandvelocityofwind，andtemperatureoninteriornaturalventilationvelocityfieldandinteriorthermalcomfortindexwasstudied.Theresultsrevealthattheventi-lationeffectintypeAisbetterthanthatintypeB.Theanalysisofnaturalventilationinbuildingsbynumericalsimulationcannotonlyevaluatetheirventilationeffects，butalsoprovideanimportantreferenceforbuildingplanninganddesign.Keywords：typeofapartment；numericalsimulation；interiorairflowfield；thermalcomfort自然通风作为被动式降温方法，有助于减少建筑能耗，因而受到高度重视．研究自然通风条件下的室内空气流动以及对热环境影响的规律，是保证科学设计室内环境的重要条件．在对室内空气流动规律的研究中，较多采用宏观的模型来建立空气流动与热环境的关系，文献[1]建立了自然通风房间的自然通风量与室内空气温度的相互影响作用关系，通过自然通风系统和建筑热过程系统的耦合影响作用模型，模拟房间自然通风条件下的热环境．文献[2]建立了热压作用下室内自然通风的数学模型，提出了自然通风量的理论计算方法，但都不能精确地描述室内空气流动的分布规律．随着计算机的发展，计算流体力学(computa-tionalfluiddynamics，CFD)得到了广泛应用．利用CFD对空气流动进行数值模拟和改进，在当代建筑设计中开始受到重视[3]．随着流体计算模型的完善和计算速度的提高，数值模拟方法将会成为建筑室内外气流模拟、室内空气品质及舒适评价的有效工具．笔者利用基于CFD模拟技术的Fluent软件，分析了室内流场和温度场分布规律，引入室内热舒适指·408·天津大学学报第42卷第5期数，提出了一种室内自然通风流场和热舒适性的模拟方法．1研究对象天津某住宅小区建筑总平面布置见图1．建筑群的平面布局采取了周边式布局，1号、2号、5号、6号、7号楼朝向为南偏西15,℃．3号、4号楼为正南朝向．1号、2号、3号、4号楼均为28层，5号、6号楼为26层．4号楼(28层，层高2.8,m)有A、B两种户型，左右对称，其中标准层A、B型平面图见图2．选取其10层东边两种户型A和B为数值模拟对象．A、B型均为三室一厅，包括主卧室、次卧室、书房、客厅、厨房．房间的布置不同，窗户布置也相应不同，见表1．夏季来流为南风和东南风时，4号楼东侧受其他建筑物影响不大．图1某小区总平面示意图24号楼标准层A、B户型平面示意Fig1.MasterplanofaresidentialdistrictFig.2PlanoflayoutAandBoftypicalfloorinbuildingNo.4表1窗的尺寸Tab.1Sizeofwindowsm编号窗1窗2窗3窗4窗5窗6窗7窗8窗9窗10窗11宽1.82.01.952.41.80.61.801.81.72.40.6高1.91.91.501.91.91.51.091.91.91.91.52环境气象条件在分析夏季室内自然通风状况时，根据所在地区气象资料，选取夏季比较典型的气候情况．该地区夏季盛行南风及东南风，平均风速为1.7,m/s[4]，选取温度分别为27,℃、30,℃和湿度为80%的闷湿状态下的室内通风状况进行模拟．按照文献[5]的测试结果，室内墙壁辐射温度取30.4,℃，确定以下4种模拟气象条件，见表2．表24种模拟的气象条件Tab.2Foursimulatedmeteorologicalconditions气象条件风速/(m·s-1)风向进风温度/℃墙壁温度/℃湿度/%11.7南风2730.48021.7南风3030.48031.7东南风2730.48041.7东南风3030.4803研究方法概述3.1物理数学模型建筑室内气流流动一般属于不可压缩、低速湍流[6]，本文中采用Fluent中不可压缩气体的标准k-ε湍流模型，在不考虑用户自定义源项的情况下，k方程、ε方程可分别简化为D[()]DtkikikkGtxxμρμρεσ∂∂=++−∂∂(1)212D[()]DtkiiCGCtxxkkεεεμεεεερμρσ∂∂=++−∂∂(2)湍流黏性系数为2tkCμμρε=(3)式(2)和式(3)中：ρ为流体密度；μt为流体沿t方向分量；Gk表示由于平均速度梯度引起的湍流动能；C1ε、2009年5月闫凤英等：基于CFD的室内自然通风及热舒适性的模拟·409·C2ε是常数，C1ε=1.44，C2ε=1.92；kσ和εσ是湍流数，kσ=1.0，εσ=1.3．3.2几何建模及网格划分由于模拟的是两种户型在窗户全部打开时的自然通风情况，因此模拟对象包括室外和室内两部分气流，为了准确地模拟实际的室内气流进出口状况，使该建筑置于室外风场之中，气流从室外通过窗户进入室内，模拟区域的大小为150,m×350,m×240,m，考虑到计算机的内存和计算速度的限制，对A型和B型模拟时分别建模，并将整栋建筑的其他部位简化为混凝土实体，计算模型由室内和室外两部分组成，室内部分网格大小为0.3,m，室外部分为3,m[7]．3.3边界条件的设定(1)入口边界条件：由于地表摩擦的作用，地面以上的室外风速随高度递增[8]，在300,m以下的风速可根据平均风速梯度来确定，风速沿高度的变化规律可由指数方程描述，即00()()()zvzvzzα=(4)式中：v(z)为距地面z高度处风速，m/s；v(z0)为参考z0(取气象台风速测量高度10,m)处风速，m/s；α为粗糙度指数，对于城市中心区取α=0.4．本文自然通风模拟的入口边界为速度进口，速度大小为室外来流风速值，利用Fluent软件的自定义编程功能，对来流风速按式(4)进行编程．进风温度设定为模拟工况中所确定的进风温度．(2)出口边界条件：假设流动充分发展，边界条件为自由出口边界．4自然通风的数值模拟结果及对比分析对4种气象条件(见表2)下A、B型室内的气流分布进行了计算．在夏季不开启空调，依靠窗户进风而通风降温的状态下，房间的布置、开窗和开门的形式是自然通风的重要影响因素，从室内的风速分布评价两种户型的自然通风效果，图3和图4是人体的主要活动高度，y=1.1,m处两个房间内气流的速度轮廓图的比较．(a)A户型(气象条件1)(b)B户型(气象条件1)(c)A户型(气象条件2)(d)Ｂ户型(气象条件2)图3南风条件下的室内气流速度分布(y=1.1m)Fig.3Distributionofinteriorairflowvelocityunderconditionofsouthwind(y=1.1m)为了评判室内通风状况，特提出在人体主要活动高度1.1,m处平面速度为1.0,m/s以上的面积占整个房间平面面积的百分比R1作为衡量自然通风状态的判据．4种条件下室内气体流动速度大于1,m/s的区域占整个房间的面积比见表3所示．两种户型的比较显示，在4种气象条件下，A户型在人体主要活动高度1.1.m处平面的R1值大于B型房间的R1值．由于A房型形成了对流，所以在自然通风条件下A型房间的户型布置更有利于自然通风．从相同房型在相同风向和相同风速下，不同气温的比较显示，气温越高，室内通风状况越差，对A、B房型均如此．·410·天津大学学报第42卷第5期(a)A户型(气象条件3)(b)B户型(气象条件3)(c)A户型(气象条件4)(d)B户型(气象条件4)图4东南风条件下室内气流速度分(y=1.1m)Fig.4Distributionsofinteriorairflowvelocityunderconditionofsoutheastwind(y=1.1m)表3室内气流速度v＞1m/s面积比R1Tab.3R1offieldofinteriorairflowspeedv1m/sR1/%气象条件A型B型气象条件1(南风1.7.m/s，27.℃)3124气象条件2(南风1.7.m/s，30.℃)2219气象条件3(东南风1.7.m/s，27.℃)322气象条件4(东南风1.7.m/s，30.℃)2925热舒适分析5.1热舒适评价指标热舒适指数是指人体对热环境各项因素的综合反应．热舒适指数的评价指标有有效温度、热应力指标和预测平均热感觉指标(predictedmeanvote，PMV)等几种[9]，本文中选取PMV，用来评价各种工况下的室内热舒适性．预测平均热感觉指标PMVη是丹麦Fanger提出的热感觉试验指标[12]，它是将环境变量与人体新陈代谢等个人变量联系在一起的综合性舒适方程，其计算式为[10-12]{0.036PMV3a5a8a(0.303e0.028)()3.0510(57336.99())0.42[()58.15]1.710(5867)0.0014(