冬季高校宿舍阳台对室内环境影响的模拟研究

2021-08-09安法润陆万鹏刘吉营苗纪奎孔昊辰

山东建筑大学学报 2021年4期

安法润，陆万鹏，*，刘吉营，2，苗纪奎，孔昊辰

(1.山东建筑大学热能工程学院，山东济南 250101；2.山东格瑞德集团有限公司，山东德州 253000；3.山东建筑大学建筑城规学院，山东济南 250101；4.山东建大和盛建设项目管理有限公司，山东济南 250101)

0 引言

目前，国内高校宿舍的通风换气大多采用自然通风的方式，由于冬季气温较低，宿舍人员为了减少热量耗散选择少开窗或者不开窗，这严重影响了宿舍空气的流通，导致宿舍通风量和环境状况并没有达到预期目标[1]。宿舍通风量过低对于呼吸道疾病的传播有显著影响[2]，利用自然通风可以大大改善冬季宿舍室内环境[3]。阳台会影响室内外气流廓线和室内空气流速，从而改变室内热舒适性。高校宿舍作为人员相对密集的住所，通风量的微弱变化更容易影响室内人员的学习和生活。李峥嵘等[4]通过计算流体力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)模拟研究了阳台对低层建筑自然通风的影响，表明对单侧通风建筑迎风面房间，阳台能够提高某些房间的自然通风性能，而对背风面房间的自然通风会产生不利影响。张洁等[5]利用有限元分析软件ANSYS Fluent对有无阳台的公寓进行了气流组织和换气次数的模拟，表明公寓阳台对来流的空气有一定程度的阻碍作用。皮魁升[6]研究了夏热冬暖地区典型阳台类型对室内自然通风的影响，指出房间内的通风效果与风向角及阳台的敞开情况密切相关。IZADYAR等[7]研究表明阳台深度对平均室内空气品质的影响显著依赖于建筑的朝向。

PHOENICS是典型计算流体动力学软件，可用于求解三维空间可压缩及不可压缩流体的稳态、非稳态流动。CONTAM是多区域室内空气质量和通风分析软件，通过模拟可以确定建筑物的通风量、污染物浓度和个体暴露。王长鹏[8]采用PHOENICS软件模拟不同面积房间的分散式与集中式外窗布局下的室内风环境的效果，模拟结果表明在窗墙比固定的情况下，分散式布窗的通风效果优于集中式布窗。HAN等[9]将CFD风环境模拟、CONTAM多区域气流模拟和EnergyPlus能耗模拟软件相结合，比较不同空气渗入率计算方法对建筑能量模拟的准确性，指出在能源模拟中，应选择CFD多区域耦合方法估计渗透率，以考虑建筑结构、天气剖面、周围地形和遮蔽效果的复杂性。HERRING等[10]将CONTAM多区域建筑模拟工具与室外分散模型相结合，评估风压输入的保真度及室内模型的复杂度如何影响研究大楼的预测换气率。可以看出，许多研究采用了将CONTAM与其他软件相结合的方法。

虽然前人做了很多研究，但是目前关于阳台对室内通风影响的研究数据不足，难以支持对阳台进行合理的改进[11]。关于高校宿舍阳台对室内通风以及环境影响的研究更少[12]，而此类建筑人口密度较高，更应获得一定的关注。在将CONTAM应用于气流模拟时，需要准确的风压系数，PHOENICS可以提供这些参数，同时PHOENICS需要CONTAM所得风速参数。因此，文章以高校宿舍为切入点，旨在通过PHOENICS仿真模拟和CONTAM通风模拟相结合，重点探究高校宿舍阳台、宿舍位置、楼间距等因素对室内通风影响，及阳台对室内热环境的影响。

1 研究方法

1.1 耦合模拟策略

利用软件CONTAM进行通风模拟时，需要准确的气象参数以及风压系数文件。使用PHOENICS进行室外风环境模拟可以得出建筑表面风压，为CONTAM提供风压系数文件。使用PHOENICS进行室内环境模拟时，需要准确的入口边界条件，包括风量和风速，可以由CONTAM计算得出。所以文章将PHOENICS和CONTAM进行耦合，室内环境模拟耦合策略如图1所示。

图1 室内环境模拟耦合策略图

具体流程为(1)建立PHOENICS宿舍建筑全尺度模型，模拟室外风环境，得出不同房间的风压系数；(2)将风压系数作为必要参数输入CONTAM，结合其他参数设置，模拟得出宿舍通风量结果，分析通风量结果，得出阳台对宿舍通风的影响；(3)将CONTAM软件模拟所得风量和风速作为PHOENICS宿舍内部环境模拟的边界条件，得出阳台对宿舍内部环境的影响。

1.2 理论基础

1.2.1 PHOENICS理论基础

PHOENICS软件是模拟传热、流动、化学反应、燃烧过程的通用CFD软件，可用于求解三维空间不可压缩的稳态流动。

PHOENICS模拟基本控制方程为纳维－斯托克斯(N－S)方程，由式(1)表示为

式中φ为待求变量，如温度、速度等；ρ为密度，kg/m3；u为各个方向的速度，m/s；Γφ为对流项；Sφ为源项；t为时间，s。

室外风环境以及室内空气流动均为湍流流动，应用RNG k－ε模型，其k－ε两方程由式(2)和(3)表示为

式中k为湍动能；ak＝aε＝1.39；μeff为扩散系数；Gk为平均速度梯度引起的k的产生项；ε为紊动能耗散率；C′1ε为产生项的系数，由时均应变率等计算得到；C2ε为经验常数，取1.68。

1.2.2 CONTAM理论基础

CONTAM是多区域室内空气质量和通风分析软件，旨在帮助确定建筑物的通风量、污染物浓度和个体暴露。气流包括建筑系统渗透、排出和房间之间的气流速率和压力差，可以是机械通风、风压引起的空气流动、热压引起的空气流动。CONTAM软件能够计算建筑物通风量随时间的变化，评估围护结构对渗透率的影响，评价室内空气质量控制技术。

CONTAM软件采用瞬态模拟，由质量守恒定律得其控制方程由式(4)表示为

式中Vi为区域i的体积，m3；mi为区域i空气的质量，kg；Fji为区域j和i之间的流量，从j流入i为正值，从i流入j为负值，kg/s；ρi为区域i的空气密度，kg/m3。

在CONTAM软件模拟过程中，流体流动由伯努利方程控制，假设房间温度保持不变，同时考虑风压和热压的影响，则房间内外压力变化由式(5)表示为

式中ΔPij为房间区域内外压力差；Pi、Pj分别为区域i和区域j的总压，Pa；ΔPs为两区域的热压差值，Pa；ΔPw为两区域的风压差值，Pa。

由PHOENICS模拟得出建筑外表面压力后，研究中使用的风压系数由式(6)表示为

式中ΔP为建筑外表面风压差，Pa；CP为风压系数；u0为参考高度处风速，m/s。

1.3 PHOENICS模拟

1.3.1 宿舍楼全尺寸模型

宿舍建筑周围的风环境由PHOENICS模拟得到，进而得出建筑表面的风压。建立3栋宿舍楼全尺寸模型，中间一栋为研究对象，每栋建筑高H为18 m、宽W为15 m、东西长L为80 m、边界距离建筑均为15H。考虑宿舍楼之间的间距对室外风环境的影响，设计了3种不同楼高(H)与楼间距(D)之比的模型，分别为1∶1、1∶2、1∶3。宿舍楼全尺寸模型及网格划分如图2所示。

图2 宿舍楼PHOENICS全尺寸模型图

1.3.2 宿舍房间模型

宿舍内部模型分为有阳台和无阳台两种类型，宿舍整体尺寸均6.0 m×3.2 m×3 m(长×宽×高)，其中阳台面积为4.8 m2。门为关闭状态，渗透通风为门下方设置的面积较小的开口。外窗分为两部分，一部分设置为入口边界，另一部分设置为无风速开口。内窗设置为1 m×0.1 m。房间内设置两台铸铁散热器，每台散热器整体高为55 cm、宽为35 cm、厚度为10 cm。每台散热器距离地板20 cm，距离墙壁10 cm。宿舍房间模型及网格划分如图3所示。

图3 某典型宿舍模型图

1.3.3 参数设置

室外风环境模拟风速采用济南冬季室外平均风速2.9 m/s，考虑不同来流方向对建筑表面风压的影响，研究对来流方向为0°、30°、60°、90°、120°、150°、180°、210°、240°、270°、300°和330°等12种工况进行了模拟，得到来流方向不同时建筑周围风环境以及建筑表面风压。以30°风速方向为例，一层东南位置某房间外墙表面风压系数，如图4所示。

图4 一层东南侧宿舍外墙表面风压系数图

宿舍内部环境模拟时室外温度设定为0℃，散热器表面温度为60℃。外窗入口设置4种开窗面积分别为0.044、0.088、0.132、0.176 m2；开口设置4种开窗面积分别为0.052、0.104、0.156、0.208 m2；对应不同外窗开窗宽度(Window Width，WW)分别为0.08、0.16、0.24、0.32 m。用CONTAM模拟所得风速为:有阳台时0.16～0.24 m/s，平均风速为0.21 m/s；无阳台时0.24～0.30 m/s，平均风速为0.29 m/s。入口风速有阳台时设置为0.21 m/s，无阳台时设置为0.29 m/s。内墙传热系数为1.557 W/(m2·K)，外墙传热系数为0.548 W/(m2·K)。

1.4 CONTAM模拟

1.4.1 宿舍楼模型

CONTAM软件中宿舍模型同样为有阳台和无阳台两种类型，每种工况宿舍尺寸相同，宿舍楼模型如图5所示。有阳台房间的气流通道为门、内窗和外窗，无阳台房间的气流通道为门和窗。门窗均采用双向流路径，楼梯间设计单向流的孔口路径。每栋楼有6层，每层有56个房间，其中包括活动室和学生宿舍。文章重点研究学生宿舍的通风状况，简化了模型，并将房间分为6个区域，具体划分如图5(b)所示。

图5 宿舍楼CONTAM模型图

1.4.2 参数设置

房间温度设定为20℃。气象参数按照GB 50736—2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》要求[13]，风速设置同1.3.3，风向采用冬季最多方向E[13]。双向流路径时，流动指数为0.78，外窗开度宽度为0.08 m。CONTAM中所需要的风压由式(6)计算得出，同一区域的风压文件相同。

1.5 评价标准

研究结果的评价标准主要有两个方面:(1)宿舍人员密度≤0.4人/m2，最小新风量为26 m3/h[13]，宿舍为自然通风，新风量等同于通风量，默认为4人间时，通风量不宜≤104 m3/h；(2)冬季宿舍热舒适的评价标准主要为温度，供暖室内温度不低于18℃[13]。

1.6 模拟验证

1.6.1 PHOENICS全尺寸验证

参照MENG等[14]的研究进行模拟以验证PHOENICS全尺寸模型边界条件和参数设置的准确性。对于计算区域的大小，横向边界和顶部边界距离建筑设置5H以上，入口边界与建筑之间的距离设置为与风洞内光滑地面覆盖的迎风区域相对应，出流边界应与建筑物保证10H以上的距离。对比分析如图6(a)所示，模拟与实验结果平均误差低于8%，验证了全尺寸数值模拟的准确性。

1.6.2 PHOENICS室内模拟验证

参照HORIKIRI等[15]的研究进行模拟验证PHOENICS室内模型边界条件和参数设置的准确性。在其研究中，引入热舒适温度Tcomfort来评价房间的热舒适，并将结果统一成无量纲数值θ以便比较，对比分析如图6(b)所示，模拟与实验结果平均误差低于5%，验证了室内环境模拟的准确性。

1.6.3 CONTAM模拟验证

CONTAM通风模拟部分参照ZHU等[16]的研究进行验证。选择低通风量建筑中的3个房间，分别比较了关闭门窗、只开门、只开窗3种情况下的通风量，比较结果如图6(c)所示。模拟与实验结果平均误差低于7%，验证了研究边界条件和参数设置的准确性，为进一步模拟奠定了基础。

图6 实验与模拟结果对比图

2 模拟结果及分析

2.1 阳台对宿舍通风量的影响

有无阳台时不同房间的通风量状况如图7所示。有阳台时宿舍通风量明显低于无阳台时，这可能是内墙对气流组织的影响。有阳台时宿舍的最大、最小通风量分别为75.34、56.19 m3/h；无阳台时宿舍最大、小通风量分别为94.61、81.83 m3/h。有无阳台时最大通风量均不满足室内通风量标准，这可能跟开窗大小有关。两种情况下，最大通风量均在7:00左右，最小通风量在16:00—18:00。有阳台时宿舍24 h通风量的变化程度大于无阳台时。有无阳台时通风量的差值如图8所示，在通风量最大的时刻，有无阳台通风量差值最小；相反，在通风量最小的时刻，该差值最大。不同位置的房间有无阳台的通风量差值不同，东北侧房间通风量差值大于西北侧房间。

图7 有无阳台时三楼西北侧房间的通风量图

图8 东北和西北侧房间有无阳台时通风量之差图

2.2 宿舍建筑特征对通风量的影响

2.2.1 宿舍位置对通风量的影响

受盛行风向以及建筑布局等因素的影响，同一楼层不同位置房间的通风量有所不同。如图9所示，有阳台时不同位置的宿舍通风量的差别较大，其中东北和西南位置的宿舍通风量最大，平均通风量为64.3 m3/h；正北和正南位置的宿舍通风量最小，平均通风量为60.87 m3/h。无阳台时不同位置的宿舍通风量的差别较有阳台时小，其中正北和正南位置的宿舍通风量最大，平均通风量为91.24 m3/h；东北和西南位置的宿舍通风量最小，平均通风量为88.76 m3/h。在建筑对角位置的宿舍通风量大致相同。由上可知，阳台对于南北侧宿舍通风量的影响最大，对东北侧和西南侧宿舍通风量的影响最小。受盛行风的影响，东北、西南侧宿舍室内外压差较大，这在一定程度上削弱了阳台对气流的阻碍作用。而南北侧宿舍受到相邻建筑的影响，盛行风受阻挡，导致室内外压差较小，阳台对通风量的影响较为明显。

图9 不同位置房间有无阳台时的通风量箱形图

2.2.2 宿舍楼层对通风量的影响

随着建筑高度的变化，建筑内外压差发生变化，通风量也会不同。有无阳台时不同楼层房间的通风量如图10所示。有阳台时一层宿舍通风量最小，平均通风量为60.87 m3/h；六层通风量最大，平均为72.08 m3/h，并且随楼层的增高，宿舍通风量的增加较均匀，宿舍最大与最小通风量相差值为29.23 m3/h。无阳台时一至三层宿舍通风量逐渐减小，三层宿舍通风量明显低于其他楼层，三层平均通风量为85.7 m3/h，四至六层宿舍通风量逐渐增加，六层平均通风量为96.21 m3/h，宿舍最大通风量与最小通风量相差19.58 m3/h。分析发现无阳台时三层通风量最小，主要由于无阳台时宿舍楼内压力受中和面的影响较大，阳台的布置削弱了楼内中和面的影响，使得压力变化有了缓冲。

图10 不同楼层北侧房间的通风量图

2.2.3 宿舍楼间距对通风量的影响

不同宿舍楼间距时，宿舍楼北侧房间的通风量对比如图11所示。由图11(a)可知，有阳台时楼间距对四至六层宿舍的通风量影响较小，在楼高与楼间距之比为1∶3时，二、三层宿舍通风量略大于其他两种情况。由图11(b)可知，无阳台时一至三层在楼高与楼间距之比为1∶3时，四至六层在楼高与楼间距之比为1∶2时，通风量最大。因此，楼高比楼间距为1∶2或1∶3时，更有利于宿舍通风，在建设宿舍时，结合实际情况，可以优先选择这两种布局形式。

图11 不同楼间距时北侧房间的通风量箱形图

2.3 阳台对宿舍内温度分布影响

评价环境舒适与否的重要因素之一是环境温度，冬季温度的重要性更为突出。宿舍内外窗开窗宽度均为0.08 m时，x－z面高度方向温度分布如图12所示。可以看出，有阳台时，阳台温度变化较为剧烈，温度分层现象比较明显。在高度1.1 m处，居住区域平均温度约为17.95℃，满足冬季室内供暖要求温度。无阳台时，居住区域平均温度约为14.15℃，比有阳台时低约4℃，低于冬季室内供暖要求温度。宿舍有阳台时，可以有效地将冷空气限制在阳台区域，使冷热空气进行混合，从而流入居住区域的空气温度变化较小。无阳台时居住区域更容易受到窗口气流的影响，冷空气直接流入房间，由于密度大而下降，在地板附近与室内热空气进行混合，导致地面附近有明显的温度波动，这会导致室内人员脚踝与上肢体感温差较大，加剧不舒适感。

图12 外窗开窗宽度为0.08 m时宿舍温度分布图

此外，还分析了开窗宽度的影响。外窗开窗其他宽度时宿舍居住区域1.1 m处平均温度对比见表1。WW为0.16 m时平均温度比WW为0.08 m时降低约0.53℃。随着开窗宽度的增加，无阳台时宿舍内温度的降低比有阳台时更显著。开窗导致的温度下降会使室内人员倾向不开窗行为，那么通风量会随之下降，空气品质将无法保证。