045不同门窗开度下自然通风对室内空气品质及能耗的影响

门窗不同开度下自然通风对室内空气品质及能耗的影响清华大学建筑技术科学系石卉高鹏杨旭东摘要一直以来，自然通风对于能耗的影响是大家普遍关注和研究的焦点。近年来，由于住宅装修污染问题的加重，人们对于室内空气品质问题的关注程度和要求也在日益地提高。自然通风对室内空气品质及住宅能耗的综合影响研究是很有意义的。本文将研究不同门窗开度情况下住宅的自然通风对室内空气品质和能耗影响。首先以建筑热模拟模型（DeST）、多区域网络通风模型及多区域网络污染物浓度模拟模型为主要分析工具，搭建了一个分析自然通风、室内空气品质和能耗的综合平台；并利用计算流体力学软件研究并总结了平开类型开口不同开度下的流量系数变化规律；进而将上述成果应用于北京某住宅的实例中，通过实例的模拟，分析不同门窗开度组合下的自然通风状况以及其对室内空气品质及能耗的影响。关键词开度、流量系数、自然通风、室内空气品质、能耗1背景人们关注自然通风对于能耗的影响是由来已久的事情,而近年来，由于住宅装修污染问题的加重，人们对于室内空气品质问题的关注度和要求也在日益地提高。这种对能耗和空气品质的双重需求，最终决定着实际生活中的如何开关门窗的问题。而很多时候，这两种需求对自然通风的期望并不一致，比如在炎热的夏季和寒冷的冬季，自然通风在降低室内能耗方面是应当尽量避免，而在保证室内空气品质方面是应当大力提倡的。所以，不同门窗开启状态下自然通风对室内空气品质及住宅能耗的综合影响研究是一个十分有意义和重要的课题。要回答自然通风对二者的综合影响这一问题，准确地确定不同门窗开启状态下的自然通风量显得尤为重要。模拟计算是人们研究自然通风的有利工具，目前常见的自然通风软件有基于N-S方程的计算流体力学相关软件，比如Fluent，PHOENICS等，其特点是能详细的刻画房间中流场，有较高的精度，而缺点是模拟时间长，代价高，不太适合于长期动态模拟问题；另外还有基于多区域网络模型的CONTAMW，COMIS等。这些软件在对多房间的自然通风进行长期动态模拟方面见长，但没有考虑与热的耦合，输入参数较多，且对最后模拟结果的准确性影响较大[1]。所以总的来说，在自然通风量的软件方面，还需要人们根据需求进一步完善和提高。本文首先利用现已成熟的建筑热模拟软件DeST和多区域网络模型（通风模型，污染物传播模型）搭建综合分析室内自然通风、能耗、空气品质的模拟平台；针对多区域网络模型输入参数对模拟计算结果准确性影响较大的情况，利用数值计算流体力学相关软件，对建筑中普遍存在的平开类型开口阻力特性规律进行模拟分析。最后以北京一户住宅为例，模拟不同门窗开度组合的情况下的室内空气流通情况，分析其对空气品质和能耗的影响，并从中得到一定结论。2模拟平台简介此综合模拟平台由两部分组成：DeST-vent和IAQ模型。2.1DeST-ventDeST是由清华大学建筑技术科学系开发的建筑热模拟软件，目前在中国已经得到广泛应用。其最近开发的DeST-vent通风版本中。采用onion耦合的方法[2,3]综合考虑了通风与热之间的耦合作用：通风模型将计算结果输入热模拟模型，后者再将计算结果反馈回前者，如此循环，直到前后两次计算结果之差满足精度要求，再进入下一时刻的计算。DeST-vent通风计算采用多区域网络模型，将每个房间视为一个节点，同一节点内空气混合均匀，空气温度、密度、压力和污染物浓度等参数均匀一致；门、窗、缝隙等视为支路。所有的节点和支路组成流体网络。这样对于有N+1个节点（其中1个节点代表室外），B条支路的网络，每个节点流量平衡，每个支路均满足伯努利方程，这样可以得到N+B个方程来求解N+B个未知数。具体方程见下：视为常温常压下空气，根据理想气体状态方程：iiiiiiRTVPVm(1)式中：iP为节点参考压力；iV为节点体积；iT为节点空气温度，采用绝对温标；R为理想气体常数[J/kgK]对于常温常压下的干空气，气体常数Rair＝287J/kgK。由于建筑通风都在中低压下进行的，空气流动可以考虑为不可压缩流体的连续流动，所以对于通风网络中的任意一个节点i，根据连续性方程都有：ijijFf(2)其中ijf为与该节点相连的各支路质量流量，iF为该节点的净流量，忽略动能的变化。对自然通风网络中任意一条支路e：当e为内部支路时，根据恒定总流能量方程有：gzffsgzPgzPPijjijiejjiieij)()()((3)当e为外部开口，i为室外时：22)()()(windwindepijjijiejjewiieijvCgzffsgzPPgzPP(4)其中windv为室外风速；ewP为室外风场引起的支路e压力增加值；epC为支路e建筑表面风压系数；z为开口e中心距离房间地面的高度；eS为支路e的阻力系数。应用上式，以矩阵和向量的形式表达，考虑风压作用以及支路两侧节点位能差，建筑自然通风网络模型方程如下：图1通风支路示意图zjiewindTPgdZFFSPPPAAF0(5)式中参数定义如下：A－网络关联矩阵；F－支路流体质量流量，kg/s；P－网络节点静压，Pa；P－支路两端压力差，Pa；windP－室外来流对支路产生的压力增加值，Pa；S－支路阻力系数，22kgsPa；Z－支路垂直投影高度，m；－空气密度，随温度不同而不同，kg/m3；g－自由落体加速度，2sm。整个系统有N个未知数，N个方程，求解此方程组，即可获得各个支路的流量，同时可以得到房间节点、通风网络各个节点的静压。2.2IAQ模型以DeST-vent中计算得到的空气流量为输入参数，可以计算得到室内的污染物浓度。污染物输运方程、污染物散发方程及其边界条件如下：)()()()(tRtStCQtCQdtdCViijijijjijii(6)jmmjmxCDxtC(7)smKCC(材料-空气界面的边界条件)(8)roomsmmmCChxCD(空气边界条件)(9)0CCmatt=0(材料中污染物初始浓度)(10)t——时间；Ci——节点i中污染物浓度；Vi——节点i的体积；Qj-i——从节点j到i的体积流量；Si——节点i中污染源的散发效率；Ri——节点i中汇的吸附效率。Cm——材料中VOC浓度；C0——VOC初始浓度；Dm——VOC在材料中的有效扩散系数；Cs——材料-空气界面VOC浓度；K——VOC分离常数；Croom——房间浓度；hm——平均对流传质系数。2.3程序框架图2为计算程序的框架。首先输入参数进行热与通风的耦合模拟，得到支路流量后，再由IAQ模拟模块计算得到室内污染物浓度。图2计算程序框架示意图3不同门窗开度下的流量系数研究研究自然通风量是研究其对室内空气品质及能耗影响的重要基础。而基于多区域网络模型的通风模拟程序中，其相关系数的取值对模拟计算的准确性影响极大，自然通风部件（门、窗、缝隙等）的阻力特性就是其中之一。自然通风建筑内外环境由开口相连，用来衡量开口阻力特性的流量系数直接影响通风量的大小。在对自然通风的分析研究中对开口流量系数的取值，一般均采用流体力学中孔口出流原理,取锐角开口为0.6±0.1[4]，认为流量系数为常值，未考虑开口其他特性，如尺寸、角度等的影响。但大量的研究表明，对于不同类型开口及不同使用环境，流量系数并非为定值[5,6]。所以由于流量系数影响因素较多，在进行自然通风研究计算时，必须重视对流量系数的分析，为自然通风计算提供完备的基础计算参数。在一般的住宅自然通风中，主要的通风开口为门窗。对于开口形式为门洞的推拉门窗而言，流量系数影响因素的研究相对较多，对于平开门则研究较少。平开门的门扇在不同角度下对空气的阻碍作用不尽相同，研究这类开口的流量系数对于研究住宅中的自然通风特性很为必要。为此，这里采用数值模拟的方法，在Airpak软件中根据建筑中实际门及房间的尺寸搭建数值风洞模型进行不同开度下平开门流量系数研究，在这里门扇打开方向顺着来流。将问题简化为等温流动，采用k-模型，模拟不同开度不同来流流速下的空气流动情况。从图3的流线图可以看出由于门扇的作用，射流中心在经过门之后发生不同程度的偏转。在整个过程中，能量以碰撞，涡旋，摩擦等形式损失掉。因而不同开度下，门扇作用的不同会导致流量系数取值的差异。围护结构材料；人员、设备、灯光、空调设置等DeST图形界面－描述几何位置关系，地域，气象参数通风部件阻力参数设置；表面风压参数设置等Resultlist：房间温度房间间空气流量房间负荷房间污染物浓度支路流量房间温度网络关联矩阵热模拟模块通风模拟模块IAQ模拟模块污染源汇相关参数房间温度支路流量DeST-vent（a）90度时的流线（b）60度时的流线（c）45度时的流线（d）30度时的流线图3平开门在不同开度下的流线图此时通过建筑物开口门、窗的气流流动可视为薄壁孔口出流，其流量可由下式计算：PAQ2(9)这里，Q——通过门窗的气流体积流量，m3/s；——流量系数；A——门窗面积，这里取为最大门洞面积，m2，为定值；——气流密度，kg/m3；P——门窗前后压差，Pa。按上式整理模拟结果，得到开度从0到90度变化过程中的流量系数如图4和表1所示。y=0.0381x0.6386R2=0.99840.000.100.200.300.400.500.600.700.800102030405060708090开启角度流量系数图4平开门不同开度下流量系数表1平开门不同开度下流量系数变化开度1030456090流量系数0.170.340.430.540.66当平开门门扇打开方向顺着来流时的流量系数随开度变化经验公式如下，适用于开口与所在墙面积比较小的情况：6386.00381.0(10)4案例分析由于冬季房间的密闭以及装修污染问题的日益突出，冬季室内空气品质越来越引起了大家的普遍关注。这里选取冬季典型天，以北京一户复式住宅为例（户型平面图见图5），借助于前面介绍的模拟分析平台及流量系数取值，首先对其房间在不同门窗开度下的室内通风量进行模拟，然后分析不同通风量下室内空气品质与能耗之间的关系。(a)一层(b)二层图5复式住宅户型图4.1参数设定1）污染源信息污染源设定在一层主卧，其与污染物散发相关参数见表2。表2住宅甲醛散发相关参数Dm(m2/s)Hm(m/s)KC0(mg/m3)衣柜尺寸(L×W×H)(m)板厚(mm)4.13e-110.00251600014793.61.0×0.6×0.84172）气象、室温及风压系数设定选取北京典型天室外温度（见图6），室外风速风向为北风3m/s，室内始终维持在18度，建筑表面风压系数如图7所示。模拟时间段：冬季典型日从早上7点到第二天早上6点。-8-6-4-2024687:0010:0013:0016:0019:0022:001:004:00室外温度/oC-0.6-0.4-0.200.20.40.60.80306090120150180210240270300330360风向与墙法线方向夹角风压系数图6室外温度变化图7风压系数取值F2客卧F2主卧走廊客厅厨房F1客卧F1主卧阳台走廊楼梯Stairs3）模拟工况设定：所有外窗、内门均关闭，打开F1主卧和F2客卧的内门，并同时改变两个卧室的外窗开度，模拟计算出通风量、F1主卧空气品质和住宅能耗变化情况，模拟工况见表3。表3模拟工况列表Case1门窗全关，外窗渗风面积18cm2/unit开窗时间表/外窗打开角度07:00-11:00&14:00-18:00开窗07:00-9:00&14:00-16:00开窗Case2全为10度Case3全为30度Case4全为45度Case5全为60度Case6全为90度Case7全为90度4.2结果分析1）房间空气流通情况在室内外热压和风压的共同作用下，室内冷空气从一层主卧进入室内，从二层卧室排出。不同通风方案下，一层主卧的室内换气次数的逐时变化如图8所示。房间换