1引言

我国夏季气候普遍炎热,在无机械降温情况下室内温度通常在30℃以上。笔者从1991年至1994年对重庆地区冬夏季室内热环境进行了长期实测。图1、图2为重庆市某住宅夏季一天24h的室内外空气温度和相对湿度变化图。该住宅位于8层楼的第6层,图3为该房间立面图。室内居住一对夫妇及一个3岁小孩。夏季用风扇降温,当室外最高温度达到40℃时,室内昼夜温度均高达32～35℃。人们生活居住在这样的热环境条件下,不仅生活和工作受到影响,而且身体健康也将受到危害。因此,室内热舒适条件亟待改善和提高,研究夏季住宅降温的有效方法极为重要。

在传统建筑中,通风降温是改善室内气候的有效方法。近来,利用地下能进行季节调节,通过埋管系统通风降温以改善室内热环境,得到人们的重视。

笔者将计算流体动力学软件与建筑物动态热模拟软件相结合,开发了CFD-HT软件,并利用实测资料,对通风降温建筑室内热环境进行了动态模拟,得到室内温度场、速度场分布,并在给定的典型夏季人体着装及活动量情况下,预测了室内热舒适性指标PMV/PPD(即热舒适预计平均投票率/热舒适预计平均不满意率)。

2传热及太阳得热

建筑物动态热模拟软件主要用于空调建筑物的空调动态负荷计算及能耗分析,输入当地气象资料及建筑物特性参数,可计算通过围护结构的传热,透过玻璃的太阳得热。应用该软件,笔者对中国北京、重庆等地及英国伦敦的典型通风降温建筑的室内温度、相对湿度进行了模拟计算。模拟建筑热过程时,采用ASHRAE设计基础手册(ASHRAEHandbookFundamantal,1981)推荐的热响应系数及传递函数法。

2.1导热传热

导热传热采用导热传递函数CTF法。t时刻的传导得热量Qt的计算公式为

这里,Xj,Yj(j=0,1,2…N),R为导热传递函数,To,t-j和Ta,t-j分别表示室外空气温度和室内空气温度,Qt-1为在Qt前1h的得热,已知To,t-1,To,t-2…To,t-j及Ta,t-1,Ta,t-2…Ta,t-j就可以确定瞬时导热传热,即可用式(1)通过Xj,Yj及R对Qt进行计算。对Qt的计算,取决于建筑物屋顶和墙体的构造形式,通常重型结构取大值,但极少超过20。Stephenson及Mitalas指出,在下式中,用多于一个的过去记录Qt(或Qt-j,j>1),数据可被减少,极大节省计算机机时。

此处,Aj,Bj,Dj为修正的导热系数。

2.2太阳得热及冷负荷计算

无论有无阳光,都存在通过窗户的导热传热,在计算冷负荷时,窗导热传热看成与屋顶、墙一样,即通过窗的太阳辐射得热和由于窗玻璃吸收太阳能提高温度后向室内放热的对流得热。

太阳通过窗玻璃的辐射得热量q1为:

q1=S·[τ1·(It-Id)+τ2·Id](3)

式中

q1——透过窗玻璃的太阳辐射得热量,W/m2;

It——太阳总辐射,W/m2;

Id——太阳散射辐射,W/m2;

τ1——直接辐射透过率;

τ2——散射辐射透过率;

S——玻璃遮阳系数。

当太阳光照射在窗户上时,一般窗户材料温度比室内表面的空气温度高,因此,热量通过长波辐射及由窗内表面对流传热进入室内。对流及长波辐射得热量q2按下式计算:

q2=φ1·(It-Id)+φ2·Id(4)

式中q2——太阳辐射对流得热量,W/m2;

φ1——太阳总辐射吸收率;

φ2——太阳辐射散射吸收率。

对入射角小于60°的太阳辐射,直射为主要因素,因此,在大多数情况下,散射辐射可用直射辐射计算。

采用ASHRAE手册提出的冷负荷系数法计算太阳辐射,得热冷负荷:

这里,(φ)j(j=0,1,2…N),为太阳得热的冷负荷系数;(qc)n为太阳得热冷负荷,W/m2;(q)n-j表示早于(qc)n第j小时的太阳得热。通过窗的总冷负荷为导热传热与太阳辐射得热的冷负荷之和。

3气流模型

室内热舒适性很大程度受室内气流分布的影响,室内气流特性可通过实验室或现场测试获得。近年来,计算流体动力学(CFD)用于预测建筑气流分布及评价室内热环境已成为国际室内热环境研究的热门课题。英国里丁大学开发的CFD程序,可对室内气流分布进行计算模拟。

气流模型包括连续性方程,N-S方程,能量方程及K-ε紊流模型方程。对非压缩稳流时均方程为:

h——混和空气比焓,J/kg;

K——紊流动能,m2/s2;

p——空气静压,Pa;

q——产热量,W/m3;

T——空气平均温度,℃;

ui——xi方向的平均速度,m/s;

β——体积膨胀系数,K-1;

βc——浓度体积膨胀系数,K-1;

δij——Kronecker(克朗内克)δ符号,

μ,μt——分别为层流、紊流耗散率,kg/(m·s);

ρ——空气密度,kg/m3;

Pr,Sch——分别为紊流普朗特数和施密特数。

以上各式中的经验系数:cμ=0.09;cd=1.0;c1=1.44;c2=1.92;c3=1.0;σt=0.9;σc=1.0;σK=1.0;σε=1.22。

4自然通风

在炎热地区,自然通风是传统建筑设计中改善室内热环境的有效方法。

室内自然通风的冷却作用在于:①造成室内气流流动,通过直接加强对流及人体蒸发散热来达到人体降温的目的;②流经建筑的气流可以带走建筑物构件及家具的蓄热;③在适当的条件下,用室外凉空气代替室内热空气,降低室内空气温度。

为了研究在我国南方地区利用自然通风降温的可行性,笔者对位于重庆地区的自然通风建筑进行了传热及CFD模拟计算。在阴天气象条件下,进风口温度为26℃时,室内温度分布如图4所示。由图可以看出,居住区的室内温度为27～28℃,这个温度是重庆地区居民所能接受的。但在夏季晴天,计算模拟表明,在自然通风建筑中有过热的可能,造成过热现象的主要原因为从窗户传入的太阳得热及室外过高温度的热空气直接进入室内。这将引起人们的热不舒适感。

5地下埋管通风系统

自然通风对住宅降温的作用是有限的,在中国南方极热天气(平均气温33～34℃)情况下,自然通风仍不能达到热舒适要求。而地下埋管通风系统在这种极热情况下,可以改善室内热环境。表1为地下埋管系统进出口空气温湿度。从表1可以看出,在重庆夏季室外温度为36℃时,埋管系统最高出口温度为27～28℃。

日期	时刻	Tai/℃	Tao/℃Δ	T/℃	Twi/℃	Two/℃	φi/%	φo/%
7月14日	9:30	31.4	27.5	3.9	25.6	24.6	63	79
	15:30	36.2	27.9	8.3	28.5	26.1	57	86
7月15日	9:40	30.6	27.8	2.8	25.7	25.0	67	80
7月16日	15:30	34.7	27.8	6.9	26.9	25.1	55	81
	9:00	29.7	26.8	2.9	25.2	25.6	68	91
	15:00	36.3	27.6	8.7	28.5	26.0	55	87

注:表中Tai为进口干球温度,℃;Tao为出口干球温度,℃;Twi为进口湿球温度,℃;Two为出口湿球温度,℃;φi为进口相对湿度,%;φo为出口相对湿度,%。

笔者利用传热及CFD模型,应用CFD-HT软件,将地下埋管出口空气作为房间送风,对房间进行了计算机模拟。当送风温度为26℃,送风速度为0.5m/s时,室内温度与速度分布如图5、图6所示,热舒适预测平均不满意百分率PPD<25%。如图7所示,这说明埋管送风可以使室内环境热舒适性得到改善。图8为埋管送风室内空气速度矢量图。

6结论

6.1我国南方地区夏季室内气温通常在30℃以上,重庆市区典型住宅室内最热月晴天昼夜气温为32～34℃,人们长期生活在这样的热环境条件下,不仅生活和工作受到影响,而且身心健康也将受到危害,室内热舒适条件亟待改善和提高,需研究适合我国国情的建筑降温方法和措施,改善人们的生活和居住环境,为民造福。

6.2现行的热舒适标准,如国际标准ISO7730以及美国供暖制冷空调工程师学会标准ASHRAE55-92,都以丹麦技术大学Fanger教授建立的热舒适模型为基础,采用PMV/PPD模型,本文将PMV/PPD模型与住宅传热动态模拟及计算流体动力学(CFD)模拟相结合,直接输入室外气象条件及建筑物特性参数,预测模拟室内温度及速度分布,并在给定人体着装及活动量条件下,预测PMV/PPD分布,从而进行热舒适性分析。该软件可用于建筑热环境优化设计和室内气流组织设计。

6.3在我国传统建筑中,自然通风降温与建筑遮阳结合,是改善室内热环境的有效方法。本文利用计算机模拟得出了自然通风房间温度、速度及热舒适指标分布。结果表明,一般气候条件下,自然通风可以保持较满意的室内热环境。现代建筑设计应认真总结前人经验,加强自然通风理论研究,利用计算机模拟技术,进行建筑自然通风优化设计。

6.4利用地下能源,通过埋管系统降温通风,可以保持满意的室内热舒适条件,对改善夏季室内热环境行之有效。在重庆夏季典型气候条件下,埋管降温通风系统可使室内生活区温度维持在28℃左右。应注意对埋管送风可能引起的污染问题,并对室内空气相对湿度增加问题加以研究。

6.5一般说来,通风降温建筑室内总存在过热的现象,因此,在制定建筑通风设计标准及评价时,应借助计算机模拟,统计室内可能过热的总小时数,使设计标准更加科学合理。