建筑技术丨某超低能耗居住建筑通高区域气流组织数值模拟研究

超低能耗居住建筑可大幅度降低供暖、空调需求，超低能耗居住建筑采用一套集供暖、供冷、除霾、引进新风、排风高效热回收、室内CO2自动监控、室内PM2.5自动监控等多种功能于一体的专用能源环境一体机，已经得到了很好的推广应用，但对该系统在住宅的通高区域使用效果的研究甚少。本文针对某超低能耗居住建筑的通高区域，采用数值模拟分析验证其气流组织的可行性。1、研究对象本文以某超低能耗居住建筑作为研究对象，该建筑为框架结构4层联排别墅，1~2层局部为通高区域（起居室）。首层层高3.3 m，其余层层高均为3.0 m。1.1系统设计该建筑每户采用3台（1层1台、2层1台、3层及4层1台）专用能源环境一体机（以下简称“能源环境机”）对各房间进行供冷、供热及新风供给，其冷热源为低温空气源热泵主机，机组应符合低环境温度名义工况下的性能系数COP在2.00及以上。室外机放置于地面和露台，室内机安装在厨房、衣帽间或卫生间的吊顶内。室内气流组织设计按各主要功能房间分别设置送风口，在餐厅、衣帽间、走道设置集中回风口。其中1~2层通高区域采用一台能源环境机，其室内机的关键性能参数见表1。表1 通高区域室内机的关键性能参数能源环境机全热回收效率不小于70%，显热热回收效率不小于75%，热回收装置单位风量风机耗功率不大于0.45 Wh/m³；可根据室内温度和CO2浓度自动运行；设有低阻高效空气净化装置；冬季当室外新风温度低于–5℃时，对室外新风进行自动预热；在与室外连通的排风、新风管路上均设有保温密闭型电动风阀，与系统联动；送风及回风管设消音器；室外新风口、排风口选用防雨型风口并设置防止蚊虫、柳絮等通过的过滤措施。不设过流口或回风口的房间，其内门与地面净空留有20~25 mm宽缝隙，用于回风。1.2风系统设置新风气流应从起居室、卧室等主要活动区（送风区）流向卫生间、厨房等功能区（排风区），楼梯间、过道和敞开式厨房的餐厅可作为过流区，通过空气流动间接得到送风和排风，保证所有房间得到充分通风。该建筑通高区域在1~2层穿梁布置两个双层百叶侧向送风口（每个送风口尺寸为240 mm×120 mm），一层餐厅设置单层百叶回风口（集中回风，风口尺寸为900 mm×270 mm），具体布置如图1所示。为减少能量损失，送风管包覆30 mm厚橡塑保温层、并选择气密性好的风管连接方式和空气处理设备，减少因漏风造成的能量损失。图1通风区域风管布置示意2、气流组织模拟分析空调房间的气流组织，是指确定合适的送回风口形式、位置、规格、数量和送回风量、风速、温度等参数，使室内工作区空气的温度、湿度、速度和洁净度能更好地满足工艺要求及人们的舒适感要求。良好的气流组织形式，不但有助于人体健康，提高工作效率，而且可降低建筑物的能耗。因此合理的气流组织对创造良好舒适的室内热环境意义重大。本建筑设计阶段采用数值模拟计算冬季和夏季通风系统的温度、速度等分布情况，以实现室内良好的气流组织。2.1数值模拟（1）创建该超低能耗居住建筑通高区域的几何模型并划分结构网格。该通高区域的几何模型和物理模型透视图如图2所示。（a）

（b）图2通高区域的几何模型和物理模型透视图（a）几何模型；（b）物理模型透视图（2）湍流模型选用K-epsilon（k-ε）模型，不考虑流体粘性。选择分离式求解器（segregatedsolver），采用SIMPLE算法。（3）流体介质为空气，模型送风口设置为velocity-inlet，每个送风口风速为3.47 m/s，夏季、冬季风口送风温度分别为19.5℃、27℃；回风口设置为outflow；其他设置为wall。（4）通过检查变量的残差变化，监视计算的收敛性，除能量的残差值外，当所有变量的残差值均小于表2的值时，即认为计算收敛。表2相邻两次迭代的残差界限（5）初始化流场，开始迭代计算，显示并保存求解结果。2.2模拟结果及分析按上述求解过程，针对冬季和夏季该超低能耗居住建筑通高区域的气流组织进行模拟计算。模拟结果如图3所示。（a）（b）图31.5 m高度水平面温度分布云图（计算机截图）（a）冬季工况；（b）夏季工况从图3可看出人员活动区温度分布较为均匀，冬季工况大致处于18.8~21.3℃之间、夏季工况大致处于24.0~26.4℃之间（空气温度的最大差值均小于3℃）。送风口正下方受冬季（夏季）热（冷）气流的影响温度相对较高（低），由于该建筑为超低能耗居住建筑，故靠近外墙部位受室外气温的影响很小。人员活动区风速是影响室内热舒适性的重要因素。空调设计规范规定：舒适性空调冬季室内风速不应大于0.2 m/s，夏季不应大于0.3 m/s，最高不超过0.5 m/s，从图4可看出，所有区域的风速均低于0.3 m/s，人体不会有吹风感。（a）

（b）图41.5 m高度水平面速度分布矢量图（计算机截图）（a）冬季工况；（b）夏季工况送风自侧向送风口射出后，进入室内形成淹没射流且冬季（夏季）出流温度高于（低于）周围空气温度，所以相对密度也较小（大），促使气流向上（下）流动。在向上（下）运动的过程中，送风气流吸收周围环境热量，温度降低（升高），并同时受到室内低温（高温）气流下降（上升）运动的影响及周围空气的阻碍，使通高区域在垂直高度方向上空气温度出现轻微的分层现象。从图5可看出，垂直方向上空气温度的最大温差小于3℃，且围护结构内表面温度与室内温度差值也小于3℃，符合超低能耗居住建筑标准的相关规定。图5靠近回风的送风口处温度分布云图（计算机截图）（a）冬季工况；（b）夏季工况3、结束语（1）某超低能耗居住建筑根据设计的系统进行模拟计算，该居住建筑通高区域室内温度的最大温差小于3℃，所有区域的风速均低于0.3 m/s，风速没有太大波动。说明利用数值模拟可以指导超低能耗居住建筑