被动式太阳房阳光间通风口优化设计

马坤茹 李雅欣 颜丽娟

摘要：针对农村建筑节能改造设计中不同结构的附加式阳光间节能效果差异较大的情况，改良阳光间建筑结构形式并分析其温度场和气流组织分布情况，确定了最优建造方案。以河北省石家庄市某农宅为基础，对其阳光间进行开孔设计。在阳光间内侧墙面上开设不同半径和数量的通风口，设计12种不同的模型。结合Fluent模拟数据，对不同变量进行对比分析，研究不同半径和数量的通风口对室内热环境的影响，确定运行效果最优模型，对运行效果最优和效果最差的两种模型进行对比分析，进行通风口优化设计。结果显示，通风口半径为0.15m，设置3个进风口2个出风口时，室内温度最高。研究成果可以为附加式阳光间的设计提供参考，可用于改进农宅建筑形式，提升农宅附加式阳光间的节能效益。

关键词：太阳能;农宅;节能改造;附加式阳光间;Fluent模拟;通风口优化设计

中图分类号：TK519文献标志码：A

文章编号：1008-1534（2019）02-0107-08

Trombewall（特朗伯墙）[1-3]是被动式太阳房集热蓄热的典型围护结构，分为有内通风口和无内通风口2种形式。有内通风口的特朗伯墙墙外覆盖着一层玻璃罩，玻璃罩与墙体之间形成空气夹层，经过阳光照射，空气夹层的温度迅速升高，与室内的空气进行换热，其换热方式主要有3种：通过墙体的上下通风口与空气夹层的自然对流换热、辐射换热以及墙体自身导热。由于技术以及成本原因，特朗伯墙并不适合农村建筑节能应用，所以根据特朗伯墙的原理，设计了简易的阳光间[4-10]，并对其效果进行模拟分析。阳光间在农村新建建筑中已经有不少应用[11-13]，甄蒙等[14]研究了东北地区某农宅附加阳光间内的温度，在最不利的条件下，阳光间内温度比室外高9.9℃。阳光间内的热空气与室内进行热量交换主要依赖于对流换热[15-16]，阳光间内的空气与室内空气实现对流换热最有效的途径是在阳光间内侧墙壁上设置上下通风口[17]，可以根据阳光间温度手动控制开关通风口，风口的大小和数量对换热有直接影响。本研究以石家庄市某农村典型建筑为原型，通过对不同通风口半径和通风口数量进行效果对比，得出最优设计方案。

1模型建立

1.1住宅物理模型

本次模拟选择了位于河北省石家庄市某农村的一户单层农宅。该农宅分为正房和东西厢房，正房占地面积127m2，采用光伏+空气源热泵采暖模式，通过添加阳光间提升室内温度。依据《农村居住建筑节能设计标准》规定的冬季室内节能计算温度（14℃），将室内采暖温度维持在14℃[18]，建筑平面图、立面图及剖面图如图1所示。

1.2Gambit建模

采用Gambit建模软件建立模型，本次设计对比了不同进出风口半径和数量对室内温度场以及速度场的影响，建立了3种不同半径的模式，分别为0.05，0.1，0.15m，针对这3种尺寸的通风口，在卧室外墙上分别设置了2个进风口1个出风口、2个进风口2个出风口、3个进风口2个出风口、3个进风口3个出风口4种模式，将上述通风口尺寸及数量组合为12种模型，各模型通风口的位置在垂直方向上，如图1d）所示。水平方向上同一高度处有一个风口时，其位于中间处，有2个或3个风口时，其位置如图1b）所示。在客厅外墙上，受外门尺寸影响，所有模型中客厅通风口数量均为2个进风口2个出风口，通风口半径与卧室一致，且通风口位置如图1b）所示。所选建筑布局左右对称，故只研究左侧风口。为了方便对比，对其进行编号，如表2所示。

12个模型只在通风口半径和数量上有差别，所以只截取了通风口半径为0.15m、3个进风口2个出风口的模型，网格划分采用的是Tet/Hybrid型，网格主要元素为四面体网格，在适当的地方可以包含六面体等其他网格，如图2所示。

2Fluent模拟过程

2.1软件介绍

近年来，CFD（计算流体力学）在解决各类流体力学和传热问题上应用广泛，Fluent是常用的解决传热和流动问题的CFD软件，其主体是基于有限体积法的求解器，Fluent软件求解流程主要是选择求解模型，导入网格文件并检查网格，确定计算模型和流体物理性质，定义操作环境，设置边界条件和求解参数、初始化流场、设置迭代次数并计算求解。

对建筑进行了不同通风口情况下的Fluent模拟，为了简化计算，对相关条件进行假设[19]。

1）假设不考虑阳光间时室内有采暖措施，室温可达14℃。

2）室内气体为低速不可压流体，流态为湍流。

3）采用Boussinesq假设，不考虑流体黏性耗散，密度仅考虑动量方程中与体积有关的项，其余各项密度为常数。

4）重力加速度取-9.8m/s2。

5）不考虑室内空气的辐射换热。

6）不考虑室内家具和人员对温度场和速度场的影响。

7）不考虑通风口所在墙上的门窗缝隙通风所产生的误差。

2.2边界条件设置

进风口风速取0.03m/s，该模型是模拟简易阳光间中的高温空气通过阳光间内侧墙通风口与室内空气进行循环，方便阳光间的高温空气进入室内，提升室内温度，设置进风口温度为27℃。

Fluent软件在进行流动与传热计算时，需要在计算域的进口、出口及远场边界给定输运的湍流参数。常用的湍流参数定义方法有4种形式：kandepsilon（湍动能k和湍动耗散率ε）;intensityandlengthscale（湍流強度I和湍流长度L）;intensityandviscosityratio（湍流强度I和湍动黏度比μt/μ）;以及intensityandhydraulicdiameter（湍流强度I和水力直径DH）。这里选用intensityandhydraulicdiameter（湍流强度I和水力直径DH）方法进行定义。

水力直径DH计算公式：

湍流强度I的计算公式：

式中ReDH为按水力直径DH计算得到的Reynolds数。

根据模型参数，设置出风口边界为自由出流。

假设通过采暖设施使室内温度恒定为14℃，所以计算时给定室内初始计算温度为14℃，外围护结构绝热。

与阳光间相邻的外墙和门窗设为第3类边界条件，表面传热系数[20]为8.7W/（m2·K）。

内墙设为第2类边界条件，其給定温度为287K。

内门设为自由出流。

2.3房间空气热平衡方程

通过通风口设计，室外空气可以与室内空气通过对流换热进行热交换，这是一个动态过程，其热平衡方程中换热量主要包括各内表面的对流换热量、其他对流换热量、冷风渗透换热量、供暖系统供热量。

LH为房间潜热得热，W;HG为供暖系统供热量，W;V为房间容积，m3。

3计算结果

由于建筑布局左右对称，所以只选取左侧卧室和客厅作为研究对象，选取了平面y=2m和平面z=1.5m交线上的6个测点、平面y=2m和平面z=2m交线上的6个测点，其中卧室6个测点，客厅6个测点，分别是（0.8，2，1.5），（1.6，2，1.5），（2.4，2，1.5），（4.6，2，1.5），（5.7，2，1.5），（6.8，2，1.5），（0.8，2，2），（1.6，2，2），（2.4，2，2），（4.6，2，2），（5.7，2，2）和（6.8，2，2），对其温度进行监测。在运行初期，各测点温度迅速增加，2h以后温度趋于平稳。图3是各模型运行2h后各测点的温度值。

从图3可以看出，在建筑中1.5m高和2m高处各模型卧室和客厅温度值趋势一致，所以只分析z=1.5m处数据，按照从高到低排列，如表3所示。

4温度场和速度场对比分析

模型11（半径为0.15m，3个进风口2个出风口）和模型1（半径为0.05m，2个进风口1个出风口）是所有模型中运行效果最好和运行效果最差的，所以对其温度场和速度场进行对比分析。

4.1温度场分析

计算时监测了各测点运行2h的逐时温度变化情况，对数据进行处理后得到如图4和图5所示的各测点温度随运行时间变化曲线图。

从图4和图5可以看出，随着运行时间的增加，各测点温度逐渐上升，但是上升趋势逐渐变缓。模型11卧室逐时温度比模型1高4～5℃。

截取了2个模型的z=1.5m截面和x=1.6m截面，对其温度分布云图进行分析，如图6—图9所示。

从图6—图9可以看出，阳光间对建筑的影响主要在与阳光间相邻的房屋。在与阳光间相邻的4个房间中，客厅开口数量没有变化，且客厅空间较大，所以温度低于卧室。从x=1.6m截面可以看出，房间上部温度明显高于下部，这是由于热空气从上进风口进入，冷空气从下出风口流出。从整体温度场分布来看，模型11比模型1温度场分布明显更加均匀，整体温度更高。

4.2速度场分析

房间内的气流组织分布影响了房间温度以及舒适度，选取了2个模型的纵截面x=1.6m，x=6.8m，分析其速度矢量图，这2个截面分别是卧室和客厅中间位置，如图10—图13所示。

从图10—图13中可以看出，2个模型均在各个纵截面形成稳定的涡旋，但是模型1的速度分布明显弱于模型11，空气流通效果较差。

在水平面上截取z=1.5m截面，其速度分布图如图14和图15所示。

从水平截面上的速度分布图对比来看，模型11能形成稳定涡流，但是模型1由于速度较低，空气流通效果较差，换热效果较差，导致其室内温度低于模型11。

5结论

通过对各个模型温度场和速度场进行分析，并列出运行效果最好和最差的2种模型的温度、速度分布云图，可以明显看出其中的差异。由于Fluent模拟存在相对误差，所以从整体考虑，得出以下结论。

1）以通风口半径为变量，对相同进出风口数量的模型进行比较，发现模型风口半径越大，室内温度越高。

2）以风口数量为变量，对相同通风口半径的模型进行比较，得出模型有3个进风口2个出风口时，室内温度最高。

3）所有模型中，模型11（半径为0.15m，有3个进风口2个出风口）室内温度最高。

4）通风口半径和进出风口数量对室内温度的影响与建筑体积以及进深有关。

5）通风口的数量和半径影响了室内空气流通效果，进出风口的面积比例为3∶2时换热效果最好，在所有计算模型中，通风口半径越大，室内空气流速越快，换热效果也就越好。

笔者研究了不同半径和数量的通风口对阳光间温度分布效果的影响，模拟通风口设计为圆形，未考虑其他形状通风口对研究结果的影响。未来可以对不同形状的通风口进行对比研究。

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