徐港昌，劉 義＊，陳 星

（揚州大學(xué)a．水利與能源動力工程學(xué)院；b．建筑科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚州225127）

極小居住空間是一種新興的居住空間模式，具有節(jié)約建筑面積、功能多樣和布局多元化的優(yōu)點，但空間內(nèi)的氣流組織比較復(fù)雜，且易受外部環(huán)境影響．Fi?er［1］和Zhang［2］等對飛機(jī)艙內(nèi)的通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行深入的研究；Huang［3－4］等對地鐵隧道不同的通風(fēng)方式進(jìn)行了數(shù)值模擬；Kaye［5］和楊秀峰［6］等對瞬態(tài)自然通風(fēng)進(jìn)行了數(shù)值分析；簡君翰［7］深入解析了無動力太陽能通風(fēng)塔的能源效益；王小巍［8］將豎壁貼附射流應(yīng)用于膠囊旅館．本文擬對極小空間既定布局，采用CFD（computational fluid dynamics）數(shù)值模擬的方法［9］，對此空間的氣流特征進(jìn)行求解計算，從而了解極小居住空間室內(nèi)氣流組織的特性．

1 模型與計算

為探討極小居住空間的氣流特征，本文搭建了如圖1所示的示范型建筑．建筑的層高2．3m，開間2．2m，進(jìn)深2．0m，總?cè)莘e為10．12m3，其中天花板中部放1盞34W 的LED 燈；衛(wèi)生間和床頭各開1個通風(fēng)口，其尺寸分別為0．8m×0．5m 和0．6m×0．3m，離地面高度分別為1．7，0．7m；門下方設(shè)有1個0．7m×0．3m 的通風(fēng)格柵；灶臺上方距地面1．6m 處設(shè)1個0．5m×0．4m 的排風(fēng)口．圍護(hù)結(jié)構(gòu)的厚度為0．01m，以聚氨酯作為墻體保溫材料，木龍骨作為承重結(jié)構(gòu)．模型坐南朝北置于教學(xué)樓頂，空氣在熱壓和風(fēng)壓的共同作用下流經(jīng)室內(nèi)，為獲得室內(nèi)實際的流速和溫度，進(jìn)行了現(xiàn)場實時測量，測量點分布見圖2．

由于室內(nèi)空氣的流動狀態(tài)為湍流，故本文選擇適用于大雷諾數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)RNG （re－normalization group）k－ε 模型．為方便建模和求解，假設(shè)：①室內(nèi)氣流為常物性不可壓縮牛頓流體；②流體為穩(wěn)態(tài)湍流模型，且考慮了熱壓及風(fēng)壓；③Boussinesq假設(shè)成立，不考慮氣流滲透作用．引入空氣齡表示空氣在室內(nèi)的滯留時間，反映室內(nèi)空氣的新鮮程度；PMV（predicted mean vote）指標(biāo)反映人體熱反應(yīng)的程度；PPD（predicted percentage of dissatisfied）指標(biāo)反映人群對熱環(huán)境不滿意度，采用Fluent 6．0軟件求解此極小空間空態(tài)時室內(nèi)空氣的流動特征．

圖1 示范型極小居住空間（mm）Fig．1 Tiny living space model（mm）

圖2 測試點分布圖（mm）Fig．2 The measuring points distribution（mm）

2 結(jié)果與分析

圖3為x＝0．6m 截面上室內(nèi)空氣流動的速度分布圖．結(jié)果顯示，在熱壓和風(fēng)壓的共同作用下，室外空氣從衛(wèi)生間的通風(fēng)口流入，主體流速較大，最大流速出現(xiàn)在灶臺通風(fēng)口，達(dá)到0．994m·s－1．由于灶臺上方吊柜的阻擋，主體氣流穿過衛(wèi)生間后流向斜下方，并從灶臺上的排風(fēng)口流出室外，形成一股穿堂風(fēng)．而氣流邊緣受到灶臺的阻擋，回流到衛(wèi)生間，并在衛(wèi)生間內(nèi)形成局部渦流，這有利于改善衛(wèi)生間的空氣質(zhì)量．圖4為x＝0．6m 截面上室內(nèi)平均空氣齡分布圖．結(jié)果表明，主體氣流的空氣齡大約為7．13s，由于形成通風(fēng)死角，灶臺下方的空氣齡最大，達(dá)到41．63s，衛(wèi)生間受到渦流的影響而促使空氣進(jìn)行更新，其下方空氣齡為26．01s．

圖5為x＝1．0m 截面上室內(nèi)空氣流動的速度分布圖．從圖5可以看出，由于置物架的阻擋作用，氣流從衛(wèi)生間通風(fēng)口進(jìn)入后直接向下流動，促使衛(wèi)生間內(nèi)空氣快速流動．該截面上空氣流速在門下方通風(fēng)格柵處達(dá)到最大，約為0．995m·s－1，置物架后面的空氣流速較小，其中置物架中部流速約為0m·s－1．由于家具的阻擋，使得空氣之間的流動互相干擾，可以看到該截面上空氣流速整體較小．圖6為x＝1．0m 截面上平均空氣齡分布圖．由圖6可知，衛(wèi)生間內(nèi)的空氣齡較小，小于29．86s，說明衛(wèi)生間內(nèi)空氣更新速度較快，而置物架后由于空氣流速非常小，導(dǎo)致該處空氣齡最大，約為59．73s．

圖3 x＝0．6m 處室內(nèi)空氣速度矢量圖（m·s－1）Fig．3 The velocity vector at x＝0．6m（m·s－1）

圖4 x＝0．6m 處室內(nèi)空氣齡圖（s）Fig．4 The mean age of air at x＝0．6m（s）

圖7 為x＝1．7m 截面上室內(nèi)空氣流動的速度分布圖．結(jié)果顯示，床位上方形成一股類似穿堂風(fēng)的氣流，其主體流速達(dá)到0．70m·s－1．室內(nèi)出現(xiàn)2個渦流，一個位于2個吊柜之間，這是由于氣流上層受到吊柜的阻擋，回流后又受到另一個吊柜的阻擋所致；另一個位于室內(nèi)中部，因氣流主體遇到墻體的阻擋所致，這有利于促進(jìn)床位上方空氣的更新．圖8為x＝1．7 m 截面上室內(nèi)平均空氣齡分布圖．由圖8可知，床位這部分空間的氣流受到阻擋較小，空氣流動非常順暢，除渦流中心外，其余各處的空氣齡均小于58．77s．由于床位上方渦流中心空氣流速非常小，使得此處的空氣齡較大（69．53s）．總體而言，布局決定了氣流流動特性，進(jìn)而影響室內(nèi)空氣質(zhì)量．

圖9為y＝1．7m 截面上室內(nèi)空氣流動的速度分布圖，圖10為此截面上室內(nèi)平均空氣齡分布圖．圖9顯示，受置物架的阻擋，置物架后大部分區(qū)域空氣流速較小，直接導(dǎo)致該處的空氣齡較大；從圖10可以看出，此處空氣齡最大，達(dá)到45．42s．受穿堂風(fēng)的影響，空氣直接從兩個通風(fēng)口穿過室內(nèi)，繞過置物架后從門下方格柵流出，所受阻擋較小，氣流主體流速較大，空氣流速最大處位于灶臺通風(fēng)口，約1．79m·s－1，在房間角落處衰減很快．在y＝1．7m 截面上除置物架后方與床位上方邊緣的空氣齡較大外，整個空間的空氣齡均小于32．44s，因為流經(jīng)通風(fēng)口的空氣基本穿越了整個空間，空氣流速較大，使得整體空氣更新速度較快．

圖11為y＝1．2m 截面上室內(nèi)空氣的PMV 分布圖．由圖11可知，在室外溫度為30．4 ℃且沒有空調(diào)的條件下，室內(nèi)大部分空間PMV 指標(biāo)大于2．10，說明此時室內(nèi)整體偏暖，而氣流主體邊緣和角落處的PMV 指標(biāo)略小于整體空間的PMV 值，約為2．08．圖12為y＝1．2m 截面上室內(nèi)空氣的PPD）

圖5 x＝1．0m 處室內(nèi)空氣速度矢量圖（m·sFig．5 The velocity vector at x＝1．0m（m·s－1）分布圖．

圖6 x＝1．0m 處室內(nèi)空氣齡圖（s）Fig．6 The mean age of air at x＝1．0m（s）

圖7 x＝1．7m 處室內(nèi)空氣速度矢量圖（m·s－1）Fig．7 The velocity vector at x＝1．7m（m·s－1）

圖8 x＝1．7m 處室內(nèi)空氣齡圖（s）Fig．8 The mean age of air at x＝1．7m（s）

圖9 y＝1．7m 處室內(nèi)空氣速度矢量圖（m·s－1）Fig．9 The velocity vector at y＝1．7m（m·s－1）

圖10 y＝1．7m 處室內(nèi)空氣齡圖（s）Fig．10 The mean age of air at y＝1．7m（s）

圖11 y＝1．2m 處室內(nèi)空氣PMV Fig．11 The PMV at y＝1．2m

圖12 y＝1．2m 處室內(nèi)PPD Fig．12 The PPD at y＝1．2m

由圖12可知，極小居住空間的整體PPD 指標(biāo)超過78．26%，說明此時大部分人對所處環(huán)境感到不滿意．在環(huán)境與燈具的共同影響下，最不滿意區(qū)域出現(xiàn)在室內(nèi)中央，此處PPD 的最大值為85．82%．

［1］ FI?ER J，JíCHA M．Impact of air distribution system on quality of ventilation in small aircraft cabin［J］．Build Environ，2013，69（11）：171－182．

［2］ ZHANG Tengfei，CHEN Qingyan．Novel air distribution systems for commercial aircraft cabins［J］．Build Environ，2007，42（4）：1675－1684．

［3］ HUANG Yuandong，LI Chan，KIM C N．A numerical analysis of the ventilation performance for different ventilation strategies in a subway tunnel［J］．J Hydrodyn，2012，24（2）：193－201．

［4］ HUANG Yuandong，GAO Wei，KIM C N．A numerical study of the train－induced unsteady airflow in a subway tunnel with natural ventilation ducts using the dynamic layering method［J］．J Hydrodyn，2010，22（2）：164－172．

［5］ KAYE N B，JI Y，COOK M J．Numerical simulation of transient flow development in a naturally ventilated room［J］．Build Environ，2009，44（5）：889－897．

［6］ 楊秀峰，鐘珂，亢燕銘，等．室內(nèi)初始溫度較高條件下的瞬態(tài)自然通風(fēng)［J］．揚州大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2012，15（4）：68－73．

［7］ 簡君翰．無動力太陽能通風(fēng)塔能源效益解析——以綠色魔法學(xué)校國際會議廳為例［D］．臺灣：國立成功大學(xué)，2009．

［8］ 王小巍．適用于膠囊旅館的氣流組織形式［D］．西安：西安建筑科技大學(xué)，2013．

［9］ 李先庭，趙彬．室內(nèi)空氣流動數(shù)值模擬［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009．