基于Airpak的某建筑工地活动板房室内热环境数值模拟

狄育慧,高亚茹,蒋 婧

(西安工程大学 城市规划与市政工程学院,陕西 西安 710600)

0 引 言

随着城镇化发展和人口增长迅速,我国建筑业迅猛发展,大量的临时建筑应用于永久性建筑物、构筑物及道路桥梁、交通设施等的建设及使用过程中。活动板房作为临时建筑广泛应用于建筑工地的办公和居住。

学者们对活动板房进行了研究。文献[1-2]对活动板房进行了现场实测,得出活动板房室内环境全年相对恶劣,严重影响了人们的身体健康;文献[3-4]以建筑工地宿舍为研究对象,通过测试与计算得出板房壁厚在70～90 mm范围内经济性最佳;文献[5]通过对郑州地区夏季建筑工地活动板房内热环境的实测与数据分析,得出室内空气温湿度、壁面温度的变化规律及其与室外热环境的关系。但目前研究主要集中在活动板房室内热环境的实测分析,对人体舒适性考虑较少,且缺少与常规建筑进行对比分析。

Airpak软件是HVAC领域的一种可靠的模拟工具,可以模拟不同空调系统送风气流组织形式下的温度场、速度场、预测平均投票数(predicted mean vote,PMV)场、预计不满意者的百分比(predicted percentage of dissatisfied,PPD)场[6-7]。本文采用Airpak3.0对西安市某建筑工地的活动板房临时办公室进行数值模拟,从温度场、速度场、PMV场以及PPD场等角度与常规建筑的办公室进行对比,分析板房室内环境对工作人员热舒适感的影响程度。

1 物理模型及模拟方法

1.1 物理模型

选取西安市某建筑工地活动板房临时办公室为研究对象,房间尺寸大小为6 000 mm×3 000 mm×2 300 mm,板房外墙、内墙和屋面由0.5 mm彩钢板+49 mm岩棉夹心板+0.5 mm彩钢板组成。与之对比的常规建筑办公室的外墙为370 mm混凝土砌块墙,内面白灰粉刷,门窗均为常规铝合金防盗门。房间空调为柜式空调,放置于右侧墙体中间,出风口百叶上下活动,空调送风量1 600 m3/h,送风温度25 ℃,送风风速0.2 m/s[8]。夏季室外干球温度35.2 ℃。在活动板房内,工作人员主要以坐姿为主进行办公活动,因此PMV-PPD计算选择人员静坐情况,不计人体对外做功[9-10]。一般活动板房围护结构的热惰性较小,故考虑室外太阳辐射对室内热环境的影响。GB 50736—2012《民用建筑供暖通风与空调设计规范》规定,夏季设计工况中东西南北4个朝向的太阳辐射强度分别为372 、176 、294、176 W/m2。某建筑工地活动板房临时办公室物理模型如图1所示,活动板房内工位从左到右,从上到下依次编号为1～8。

图1 某建筑工地活动板房临时办公室

活动板房室内各主要物体具体参数及边界条件见表1,其中尺寸表示各物体所占室内空间大小。

表1 室内物体具体参数及边界条件

1.2 数学模型

为了便于计算,假设活动板房临时办公室室内空气是不可压缩流体[11],室内空气流动为稳态流动且空气为辐射透明介质,忽略门窗等漏风的影响,活动板房气密性良好。活动板房内的空气流动遵循控制方程组[12],即

1) 连续性方程

(1)

式中:ui为xi方向的平均速度分量;ρ为空气密度。

2) 动量方程

(2)

式中:uj为xj方向的平均速度分量;Ui和Uj分别为脉动速度分量;p为空气压力;μ为动力黏度。

3) 能量方程

(3)

式中:H和H′分别表示静焓和脉动静焓;cp表示定压比热容。

流体的流动和传热常用的湍流模型有标准k-ε模型、零方程模型和RNG方程模型。研究表明,使用零方程模型模拟的准确率比其他模型更高且与实验结构吻合度好[13-15]。室内零方程模型指不需要微分方程而是用代数关系式把湍流黏性系数与均值联系起来的模型,即将湍流黏度归结为当地平均速度和长度尺度的函数,与湍流的特性参数无关[16-17]。最著名的零方程模型是Prandtl提出的混合长度模型[18]。即

(4)

式中:vt为湍流运动黏性系数,m2/s;lm为混合长度,m。

活动板房室内的空气流动采用混合长度湍流模型,利用Boussinesq涡黏性假设评估雷诺应力和通量。

1.3 网格划分

模型采用六面体非结构网格,其中各轴向方向节点间距离不大于最大尺寸的1/20。 对灯具,电脑等热源以及进回风口处进行局部加密,以更准确地反映活动板房内的气流组织变化。当网格的Face Alignment以及Quality均大于0.15,且网格越接近1其质量越好,计算结果精度越高[19-20],故确保绝大数网格Face Alignment以及Quality均接近1时,保证结果具有一定的准确性。

1.4 计算模型验证

为了检验数值模拟结果的准确性,采用MI6401热舒适仪在0.6 m高度(腿部对热舒适性的判断区)和1.5 m高度(室内人员头顶上方感知温度区)处进行温度的测定,并选取温度稳定时的测试数据与模拟得到的数据进行对比,各工位0.6 m和1.5 m高度模拟温度与实测温度对比结果见表2。

表2 各工位模拟温度与实测温度对比

通过对比0.6 m和1.5 m高度的模拟温度和实测温度,发现两者相差很小,变化规律也基本一致。在0.6 m高度,最大误差为6.85%,最小误差为4.95%,平均误差为5.84%;在1.5 m高度,最大误差为6.31%,最小误差为3.81%,平均误差为5.05%。2个高度的误差均为可接受范围,模型可靠性较好。

2 模拟结果对比

温度场指物质系统内各个点上温度的集合,速度场指由每一时刻、每一点上的速度矢量组成的物理场。在办公环境中室内人员大多数时间以坐姿进行办公活动,因此室内人员头顶上方感知温度区为距离地面高约1.5 m,腿部对热舒适性的判断区距离地面约0.6 m[21]。PMV值根据人体热平衡计算生成用来表征人体热反应(冷热感)的评价指标[22-23],采用ASHRAE七级分度指标:-3冷、-2凉、-1稍凉、0中性、1稍暖、2暖、3热,其中-1到1属于舒适性指标。PPD值为预计处于热环境中的群体对热环境不满意的投票平均数,20%以内为可接受范围[24-25]。主要对距离地面0.6、1.5 m处的温度场、速度场、PMV场以及PPD场进行模拟分析。

2.1 温度场

在0.6 m和1.5 m高度温度场分布图像显示结果如图2～3所示。

图2 常规建筑温度场

图3 活动板房温度场

从图2～3可以看出:在0.6 m和1.5 m高度,常规建筑和活动板房的温度场分布在人体、电脑等热源处的温度均在32 ℃左右,而靠近柜式空调的区域温度最低。常规建筑的室内温度分布大部分维持在23～29 ℃之间,处于人体舒适范围。而活动板房的室内温度大部分区域偏高,工作人员周围温度均在30 ℃以上,仅靠近空调的小部分区域温度在29 ℃以下。夏季人体舒适温度为23～28 ℃之间,活动板房室内温度明显超过了夏季人体舒适温度。相较于常规建筑办公室,尤其在夏季,由于活动板房大多采用岩棉夹芯板等轻质墙体,对照射在外墙上的太阳辐射量的衰减和延迟不明显,使得壁面温度过高,室内外空气温度衰减和延迟过小,室内温度升高,板房室内人员易产生燥热感,舒适度差。

2.2 速度场

在0.6 m和1.5 m高度速度场分布图像显示结果如图4～5所示。

图4 常规建筑速度场

图5 活动板房速度场

从图4～5可以看出:在0.6 m和1.5 m高度,常规建筑和活动板房的速度场大部分处于-0.2～0.2 m/s之间。其中在1.5 m高度,靠近柜式空调的区域风速较高,超过0.3 m/s。夏季风速小于0.3 m/s时为舒适风速,且风速小于0.2 m/s时最舒适。常规建筑和活动板房速度场的分布主要受开窗程度和空调风速的影响。本文开窗程度和空调风速条件设置相同,因此常规建筑办公室和活动板房等临时性办公室,其位于0.6 m和1.5 m高度处的风速差异不大且基本处于人体舒适范围。

2.3 PMV场

在0.6 m和1.5 m高度PMV场分布图像显示结果如图6～7所示。

图6 常规建筑PMV场

图7 活动板房PMV场

从图6～7可以看出:在0.6 m和1.5 m高度,常规建筑和活动板房在室内工作人员办公区域PMV值都较高。由于电脑散热及人体散热大且该处风速较低导致PMV值偏高。常规建筑办公室大部分区域的PMV值在-0.75～0.75之间,PMV值满足舒适性指标。而活动板房工作人员办公区域PMV值较高,其中在1.5 m高度PMV值在1.5以上,远超出人体舒适性指标。

2.4 PPD场

在0.6 m和1.5 m高度PPD场分布图像显示结果如图8～9所示。

图8 常规建筑PPD场

图9 活动板房PPD场

从图8～9的PPD可以看出:在0.6 m和1.5 m高度,常规建筑和活动板房在室内人员办公区域PPD值都较高,PPD值均在20%以上。在常规建筑办公室PPD值的可接受范围20%内,常规建筑办公室工作人员的不满意百分比较低。活动板房大部分区域的PPD值约在40%,其中在1.5 m高度最高为65%,该区域的温度较高且风速较低,位于该区域的人员舒适感降低,不满意百分比升高。

3 结 论

1) 通过本文模拟,在夏季室外干球温度35.2 ℃条件下,活动板房室内温度、PMV以及PPD值整体高于人体舒适范围,平均温度为31 ℃,PMV值在0.6 m高度为0.75以上,1.5 m高度为1.5以上。PPD值在40%左右,部分区域最高为60%。同等模拟条件下,常规建筑的温度、PMV以及PPD基本满足了人体舒适指标。活动板房和常规建筑办公室的风速大部分小于人体舒适风速0.3 m/s。

2) 夏季活动板房等临时办公室内温度波动大,容易出现燥热感,同时适当地加入一定风速的通风可轻微缓解燥热感,但通风带走的热量对室内温度影响很小,室内舒适性仍然较差,室内人体满意度不高。