被动式建筑空气龄和热舒适度的数值分析

何 军，张伟林，高 珂，刘晓凤，张京京

（安徽建筑大学 土木工程学院，安徽合肥 230601）

被动式建筑空气龄和热舒适度的数值分析

何 军，张伟林，高 珂，刘晓凤，张京京

（安徽建筑大学 土木工程学院，安徽合肥 230601）

为研究地下室和通风井以及通风井开口面积对被动式建筑室内空气龄和热环境的影响。我们利用计算流体力学软件PHOENICS对上述情况进行模拟研究。 模拟结果表明：设置地下室和通风井将有利于室内空气品质的提升和热环境的改善；建筑单独设置通风井对空气龄的影响较大，对热环境的影响较小 ；当通风井开口面积与横截面积之比分别为2/3、1/2、1/3时，取通风井开口面积与横截面积之比为1/2，则一楼空气龄和室内热环境为最佳。

被动式建筑，地下室；通风井；热环境；空气龄

0 引 言

自然通风是指依靠室外风力造成的风压和室内外空气温度差造成的热压，促使空气流动，使得建筑室内外空气交换，进而提升室内空气品质，改善居住环境[1]。与机械通风相比，自然通风作为一种传统、有效、简便、经济的调节室内环境的建筑手段。2000年，Khedari、Boonsri和Hirunlabh通过实验研究了太阳能烟囱降低建筑室内得热的可行性以及对通风口风速的影响。结果表明，太阳能烟囱在使用的时候，房间温度向周围环境的温度接近，表明太阳能烟囱可以带走室内多余热量并且确保热舒适性。通过开窗和开门带走室内多余热量、确保热舒适性比使用太阳能烟囱的效率低[2]。2009年，Sompop Punyasompun等调查研究了一幢运用了太阳能烟囱的高层建筑。结果表明，多楼层建筑运用太阳能烟囱可以有效降低能耗；运用了太阳能烟囱的建筑其室内温度比为设置太阳能烟囱的建筑室内温度低5 ℃[3]。

在现代建筑中，自然通风更是在优化室内环境、节约能源以及提高人体舒适度方面有着其特有的优点。夏季时，设计、构造合理的建筑可以利用自然通风保证建筑室内获得足够的新鲜空气并带走多余热量。这种通风不需要消耗动力，节省能源，节省设备投资和运行费用，因而是一种经济有效的节能方式。但是设置通风井并不是没有隐患的，当火灾发生时，室内空气温度远远高于室外，此时烟囱效应更加明显，诱导更多的新鲜空气进入室内，加剧了火灾的危害，这一点需要在设计得到考虑。

室内自然通风形成的主要原因是风压、热压差带动室内空气进行流动[4]。建筑物外部风压、热压差以及门窗开孔的形状、大小和位置对于室内自然通风的形成以及通风效果有着显著影响。太阳能烟囱强化室内自然通风，是利用热压实现室内自然通风的典型。太阳能烟囱是将烟囱技术和太阳能热作用相结合，利用热压通风原理实现建筑室内自然通风，不需要消耗动力，因而属于被动式通风。

被动式通风系统的驱动力是风和温度，即风压和热压。建筑物室内外风速和温度的差异引起室内外风压差和热压差，由此产生自然通风。作用在建筑物上的风压，其大小主要取决于风速、风向和建筑物形状。与风压通风相比，在常变的和不良的外界风环境下，热压通风更能适应室内自然通风的需求。设计实用的热压通风系统能创造良好、舒适的热环境，有利于减少对制热制冷设备的使用，为使用者节约开支，同时还可以减少“建筑综合征”的发生[5-7]。

目前很多学者对太阳能烟囱流道内的空气流动特性进行了大量的实验、模拟和理论研究，主要针对烟囱流道内空气温度变化和流速变化情况以及通风量进行相关研究，而针对地下室和通风井对建筑通风效果的研究较少。本文将通过被动房是否设置地下室、通风井以及通风井开口面积的变化，研究三者对被动房室内自然通风的影响。

1 空气龄和热舒适度指标

空气龄是指空气质点自进入房间至到达室内某点所经历的时间，可以通过它综合分析房间的室内空气的新鲜程度和通风换气效果，是评价建筑室内空气品质的重要指标。

热舒适度是指人们从生理上与心理上对热环境的满意程度的综合评价。同时个体差异会对同一热舒适度呈现不同结果，因此热舒适度受各种因素及条件的影响。影响热舒适度的主要因素有六种：室内风速、人体活动量、衣着情况、空气湿度、空气温度以及热辐射温度[8]。

目前最通用的评价和描述热环境的指标是Fanger 提出的PMV-PPD指标。PMV(预测平均投票)是人体热感觉的度量尺度，反映了同一环境下绝大多数人的冷热感觉。根据人体热感觉不同，P M V划分为7个标尺，如表1所示。P M V值=0的情况下热环境满足大多数人对冷热的要求，但是由于个体之间心理、生理之间的差异，仍有少数人对该热环境不满意，因此提出预测不满意百分率PPD，以表示人群对该热环境的不满意程度。

表1 人体热感觉

本文用热舒适评价指标PMV-PPD来分析合肥地区被动式建筑在夏季自然通风状态下的室内热舒适状况。Fanger热舒适度计算公式如下：

其中，M为人体新陈代谢产热率；W为人体活动需热率；H为干热损失；Ec为皮肤蒸发换热；Cres为呼吸对流换热；Eres为呼吸对流换热。

PPD和PMV值的对应关系如图1。

图1 PPD值和PMV值的对应关系

2 模拟分析

2.1 计算模型设计

通过以某被动式示范建筑是否有地下室、通风井，以及通风井的大小这三个因素为变量，利用PHOENICS软件分析三者对室内空气质量和热环境的影响。所选模型几何尺寸为20.9 m×11.4 m×14.4 m；层数为二层，楼层高为3.8 m；通风井高度为6.8 m，本案所用通风井具备采光功能，故宽度设置为2.4 m。模型计算时，忽略外墙两侧的门窗，如图2。

PHOENICS是由英国CHAM公司开发的世界上第一套计算流体与计算传热学商业CFD （Computational Fluid Dynamics）软件，可以模拟计算流动、传热、化学反应以及燃烧过程。与其他CFD软件相比，PHOENICS的设计理念是最大限度地向用户开放程序，使得用户可以根据工程需要任意修改添加用户程序和用户模型，最大程度地方便用户解决多种多样的工程难题；在模型选择方面，PHOENICS向用户提供20多种湍流模型、燃烧模型、多种多相流模型、辐射模型、多流体模型供用户选择。PHOENICS针对不同领域为其开发了专用模块，以满足不同使用需要，如用于暖通建筑行业的FLAIR模块和用于电子元件散热的HOTBOX模块。

图2 模型示意图

2.2 工况设置

通过对有无地下室、有无通风井以及通风井开口面积的大小这三个因素来设置模拟工况。因本文主要研究通风井和地下室对建筑在无风、通风不良情况下的影响，根据“蒲福风级”的定义（无风时，风级为0，距离地面10 m处风速为0~0.2 m/s，陆地上烟气垂直上升，海面上平静如镜），故设置距离地面1.5 m处最大来流风速为0.1 m/s。各工况如表2所示。

表2 工况设置

以上各工况来流风采用风向垂直门口所在墙体的均匀流，环境温度为30 ℃。地下室对室内的四个开口位于一层客厅和会议室南北外墙下，方向垂直于楼地面，大小分别为2.0 m×0.2 m、1.5 m×0.2 m、1.0 m×0.2 m、1.5 m×0.2 m，合计开口面积为1.2 ㎡，温度为18 ℃。通风井东、南、西三个壁面分别设置100 W/㎡、700 W/㎡、100 W/㎡的热流密度。建筑墙体热工设置为绝热。

2.3 数值模拟与分析

本文采用空气龄、PMV-PPD指标分别来评价被动式建筑室内空气状况和室内热环境。计算各种工况下测点处PMV、PPD、风速、空气龄，各个工况设置计算步数为1000步。所有云图均是取自人行高度即1.5 m高度处，一楼监测点位于起居室中央，二楼监测点位于客卧室中央，相关云图见图3~图8，相关数据如表3。

图3 工况1云图

图4 工况2云图

图5 工况3云图

图6 工况4云图

图7 工况5云图

图8 工况6云图

表3模拟结果

模拟显示，夏季时有无地下室对空气龄和室内热环境的影响较为明显。设置地下室的建筑物一楼室内，测点处空气龄从1792.16 4 s改善到262.279 s，PMV值从不舒适值1.734改善到舒适值-0.074。说明夏季时地下室能明显改善一楼房间的空气品质和舒适度。

夏季晴天,无风或者建筑通风不良时，未设置通风井的建筑因风压较小，建筑室内实际的通风效果差，室内空气品质差，热舒适度差，不满意度高。设置通风井的建筑，因热压的存在，室内自然通风得到明显的改善，测点处风速和平均风速均增加，空气龄下降，室内空气品质上升，热舒适度提高，不满意度下降。

对通风井开口面积研究表明，在来流风速为零的条件下，当通风井开口面积与截面积之比由2/3减少到1/2时，一楼测点风速和平均风速无明显变化，测点空气龄和平均空气龄增加，测点处PPD值和平均PPD值下降，测点PMV值和平均PMV值更接近PMV=0处，即更加舒适。二楼测点风速和平均风速无明显变化；测点空气龄增大较多，平均空气龄无明显变化；测点PPD值增加较小，平均PPD值减少较多；测点处PMV值绝对值增大，平均PMV值绝对值减少。

3 结论

（1）对有通风井的被动式示范建筑同时有地下室的模拟结果可以看出，夏季室内空气龄和热环境得到了明显的改善，提高了室内空气品质，优化了居住环境。

（2）单独设置通风井的建筑可对室内热环境的影响较小，但是对空气品质的提升明显，强化了无风或者通风不良时，建筑内部的自然通风。

（3）在关闭外墙门窗，通风井开口面积与截面积之比取为1/2，则一楼空气品质和热环境为最佳。

[1]杨玉容．室内通风优化的三维数值分析[J]．重庆：重庆建筑大学学报，2006,28(3):78-84.

[2]Khedari.J,Boonsri.B，Hirunlabh.J.Ventilation impact of a solar chimney on indoor temperature fluctuation and air change in a school building[J]. Energy and BuiIdings，2000（32）:89-93.

[3]Sompop Punyasompun，Jongjit Hirunlabh，Joseph Khedari，BelKacem Zeghmati.Investigation on the application of solar chimney for multi-storey buildings[J].Renewable Energy，2009（34）：2545-2561.

[4]王冬梅，方廷勇，曹必腾．建筑窗口对室内风环境影响研究[C]．//第十届国际绿色建筑与建筑节能大会暨新技术与产品博览会论文集，北京，2014．

[5]饶永.自然条件下合肥地区住宅室内热舒适研究[J].合肥工业大学学报（自然科学版），2010(12):1843-1846+1857.

[6]伍超．空气流速对PMV指标的影响分析[J]．装备制造，2009（12）：145-146.

[7]周斌，张伟林．夏热冬冷地区被动式建筑示范房节能效果模拟分析[J]．安徽建筑大学学报，2015,23(3):52-55.

[8]Tanabe S,Kimura K.Effects of air temperature, humidity, and air movement on thermal comfort under hot and humid conditions[J]. ASHRAE Transactions . 1994.

Numerical Simulation Research of Passive Building on Air Age and Thermal Comfort

HE Jun, ZHANG Weilin, GAO Ke, LIU Xiaofeng, ZHANG Jingjing

To study the impact of basement,ventilation shaft and opening area of ventilation shaft of passive building on indoor air age and thermal environment.we use CFD software PHOENICS to study the above situations.The results show that: the air age and indoor thermal environment of the passive building with basement and ventilation shaft are improved. The impact of building setting ventilation shaft alone on air age is big,but that on thermal environment is small.When the ratios of the opening area of ventilation shaft to its cross-sectional area are repectivery two-thirds, half and one third,the air age and indoor thermal environment of the first floor is best when the ratio is half.

passive house,basement,ventilation shaft,thermal environment,air age

TU834.1

A

2095-8382(2016)06-079-05

10.11921/j.issn.2095-8382.20160617

2016-03-08

“十二五”国家科技支撑计划课题（2011BAJ03B04）。

何军（1990-），男，硕士研究生，研究方向：建筑节能。

(School of Civil Engineering, Anhui Jianzhu University, HeFei, 230601, China)