不同門(mén)窗開(kāi)度下自然通風(fēng)對(duì)室內(nèi)空氣品質(zhì)及能耗的影響

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專(zhuān)心-專(zhuān)注-專(zhuān)業(yè)專(zhuān)心-專(zhuān)注-專(zhuān)業(yè)精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專(zhuān)心-專(zhuān)注-專(zhuān)業(yè)門(mén)窗不同開(kāi)度下自然通風(fēng)對(duì)室內(nèi)空氣品質(zhì)及能耗的影響清華大學(xué)建筑技術(shù)科學(xué)系 石卉 高鵬 楊旭東 摘要 一直以來(lái)，自然通風(fēng)對(duì)于能耗的影響是大家普遍關(guān)注和研究的焦點(diǎn)。近年來(lái)，由于住宅裝修污染問(wèn)題的加重，人們對(duì)于室內(nèi)空氣品質(zhì)問(wèn)題的關(guān)注程度和要求也在日益地提高。自然通風(fēng)對(duì)室內(nèi)空氣品質(zhì)及住宅能耗的綜合影響研究是很有意義的。本文將研究不同門(mén)窗開(kāi)度情況下住宅的自然通風(fēng)對(duì)室內(nèi)空氣品質(zhì)和能耗影響。首先以建筑熱模擬模型（DeST）、多區(qū)域網(wǎng)絡(luò)通風(fēng)模型及多區(qū)域網(wǎng)絡(luò)污染物濃度模擬模型為主要分析工具

2、，搭建了一個(gè)分析自然通風(fēng)、室內(nèi)空氣品質(zhì)和能耗的綜合平臺(tái)；并利用計(jì)算流體力學(xué)軟件研究并總結(jié)了平開(kāi)類(lèi)型開(kāi)口不同開(kāi)度下的流量系數(shù)變化規(guī)律；進(jìn)而將上述成果應(yīng)用于北京某住宅的實(shí)例中，通過(guò)實(shí)例的模擬，分析不同門(mén)窗開(kāi)度組合下的自然通風(fēng)狀況以及其對(duì)室內(nèi)空氣品質(zhì)及能耗的影響。關(guān)鍵詞 開(kāi)度、流量系數(shù)、自然通風(fēng)、室內(nèi)空氣品質(zhì)、能耗 背景人們關(guān)注自然通風(fēng)對(duì)于能耗的影響是由來(lái)已久的事情, 而近年來(lái)，由于住宅裝修污染問(wèn)題的加重，人們對(duì)于室內(nèi)空氣品質(zhì)問(wèn)題的關(guān)注度和要求也在日益地提高。這種對(duì)能耗和空氣品質(zhì)的雙重需求，最終決定著實(shí)際生活中的如何開(kāi)關(guān)門(mén)窗的問(wèn)題。而很多時(shí)候，這兩種需求對(duì)自然通風(fēng)的期望并不一致，比如在炎熱的夏季和寒

3、冷的冬季，自然通風(fēng)在降低室內(nèi)能耗方面是應(yīng)當(dāng)盡量避免，而在保證室內(nèi)空氣品質(zhì)方面是應(yīng)當(dāng)大力提倡的。所以，不同門(mén)窗開(kāi)啟狀態(tài)下自然通風(fēng)對(duì)室內(nèi)空氣品質(zhì)及住宅能耗的綜合影響研究是一個(gè)十分有意義和重要的課題。要回答自然通風(fēng)對(duì)二者的綜合影響這一問(wèn)題，準(zhǔn)確地確定不同門(mén)窗開(kāi)啟狀態(tài)下的自然通風(fēng)量顯得尤為重要。模擬計(jì)算是人們研究自然通風(fēng)的有利工具，目前常見(jiàn)的自然通風(fēng)軟件有基于N-S方程的計(jì)算流體力學(xué)相關(guān)軟件，比如Fluent，PHOENICS等，其特點(diǎn)是能詳細(xì)的刻畫(huà)房間中流場(chǎng)，有較高的精度，而缺點(diǎn)是模擬時(shí)間長(zhǎng)，代價(jià)高，不太適合于長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)模擬問(wèn)題；另外還有基于多區(qū)域網(wǎng)絡(luò)模型的CONTAMW，COMIS等。這些軟件在對(duì)多

4、房間的自然通風(fēng)進(jìn)行長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)模擬方面見(jiàn)長(zhǎng)，但沒(méi)有考慮與熱的耦合，輸入?yún)?shù)較多，且對(duì)最后模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性影響較大1。所以總的來(lái)說(shuō)，在自然通風(fēng)量的軟件方面，還需要人們根據(jù)需求進(jìn)一步完善和提高。本文首先利用現(xiàn)已成熟的建筑熱模擬軟件DeST和多區(qū)域網(wǎng)絡(luò)模型（通風(fēng)模型，污染物傳播模型）搭建綜合分析室內(nèi)自然通風(fēng)、能耗、空氣品質(zhì)的模擬平臺(tái)；針對(duì)多區(qū)域網(wǎng)絡(luò)模型輸入?yún)?shù)對(duì)模擬計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性影響較大的情況，利用數(shù)值計(jì)算流體力學(xué)相關(guān)軟件，對(duì)建筑中普遍存在的平開(kāi)類(lèi)型開(kāi)口阻力特性規(guī)律進(jìn)行模擬分析。最后以北京一戶住宅為例，模擬不同門(mén)窗開(kāi)度組合的情況下的室內(nèi)空氣流通情況，分析其對(duì)空氣品質(zhì)和能耗的影響，并從中得到一定結(jié)論。 模

5、擬平臺(tái)簡(jiǎn)介此綜合模擬平臺(tái)由兩部分組成：DeST-vent和IAQ模型。DeST-ventDeST是由清華大學(xué)建筑技術(shù)科學(xué)系開(kāi)發(fā)的建筑熱模擬軟件，目前在中國(guó)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。其最近開(kāi)發(fā)的DeST-vent通風(fēng)版本中。采用onion耦合的方法2,3綜合考慮了通風(fēng)與熱之間的耦合作用：通風(fēng)模型將計(jì)算結(jié)果輸入熱模擬模型，后者再將計(jì)算結(jié)果反饋回前者，如此循環(huán)，直到前后兩次計(jì)算結(jié)果之差滿足精度要求，再進(jìn)入下一時(shí)刻的計(jì)算。DeST-vent通風(fēng)計(jì)算采用多區(qū)域網(wǎng)絡(luò)模型，將每個(gè)房間視為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，同一節(jié)點(diǎn)內(nèi)空氣混合均勻，空氣溫度、密度、壓力和污染物濃度等參數(shù)均勻一致；門(mén)、窗、縫隙等視為支路。所有的節(jié)點(diǎn)和支路組成流體

6、網(wǎng)絡(luò)。這樣對(duì)于有N+1個(gè)節(jié)點(diǎn)（其中1個(gè)節(jié)點(diǎn)代表室外），B條支路的網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)流量平衡，每個(gè)支路均滿足伯努利方程，這樣可以得到N+B個(gè)方程來(lái)求解N+B個(gè)未知數(shù)。具體方程見(jiàn)下：視為常溫常壓下空氣，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程： (1)ezji圖 1 通風(fēng)支路示意圖式中： 為節(jié)點(diǎn)參考?jí)毫Γ?為節(jié)點(diǎn)體積； 為節(jié)點(diǎn)空氣溫度，采用絕對(duì)溫標(biāo)；為理想氣體常數(shù)J/kg K 對(duì)于常溫常壓下的干空氣，氣體常數(shù)Rair287 J/kg K。由于建筑通風(fēng)都在中低壓下進(jìn)行的，空氣流動(dòng)可以考慮為不可壓縮流體的連續(xù)流動(dòng)，所以對(duì)于通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中的任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)i，根據(jù)連續(xù)性方程都有： (2)其中為與該節(jié)點(diǎn)相連的各支路質(zhì)量流量，為該節(jié)點(diǎn)的凈

7、流量，忽略動(dòng)能的變化。對(duì)自然通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中任意一條支路e：當(dāng)e為內(nèi)部支路時(shí)，根據(jù)恒定總流能量方程有： (3)當(dāng)e為外部開(kāi)口，i為室外時(shí)： (4)其中為室外風(fēng)速；為室外風(fēng)場(chǎng)引起的支路e壓力增加值；為支路e建筑表面風(fēng)壓系數(shù)；z為開(kāi)口e中心距離房間地面的高度；為支路e的阻力系數(shù)。應(yīng)用上式，以矩陣和向量的形式表達(dá)，考慮風(fēng)壓作用以及支路兩側(cè)節(jié)點(diǎn)位能差，建筑自然通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模型方程如下： (5)式中參數(shù)定義如下： 網(wǎng)絡(luò)關(guān)聯(lián)矩陣； 支路流體質(zhì)量流量，kg/s； 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)靜壓，Pa； 支路兩端壓力差，Pa；室外來(lái)流對(duì)支路產(chǎn)生的壓力增加值，Pa； 支路阻力系數(shù)，； 支路垂直投影高度，m； 空氣密度，隨溫度不同而不同，k

8、g/m3； 自由落體加速度，。整個(gè)系統(tǒng)有N個(gè)未知數(shù)，N個(gè)方程，求解此方程組，即可獲得各個(gè)支路的流量，同時(shí)可以得到房間節(jié)點(diǎn)、通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的靜壓。IAQ模型以DeST-vent中計(jì)算得到的空氣流量為輸入?yún)?shù)，可以計(jì)算得到室內(nèi)的污染物濃度。污染物輸運(yùn)方程、污染物散發(fā)方程及其邊界條件如下： (6) (7) (材料-空氣界面的邊界條件) (8) (空氣邊界條件) (9) at t=0 (材料中污染物初始濃度) (10)t 時(shí)間；Ci 節(jié)點(diǎn)i中污染物濃度； Vi 節(jié)點(diǎn)i的體積；Qj-i 從節(jié)點(diǎn)j到i的體積流量； Si 節(jié)點(diǎn)i中污染源的散發(fā)效率；Ri 節(jié)點(diǎn) i中匯的吸附效率。Cm 材料中VOC 濃度；

9、C0 VOC 初始濃度；Dm VOC在材料中的有效擴(kuò)散系數(shù)； Cs 材料-空氣界面VOC濃度； KVOC分離常數(shù) ； Croom 房間濃度；hm 平均對(duì)流傳質(zhì)系數(shù)。程序框架圖2為計(jì)算程序的框架。首先輸入?yún)?shù)進(jìn)行熱與通風(fēng)的耦合模擬，得到支路流量后，再由IAQ模擬模塊計(jì)算得到室內(nèi)污染物濃度。圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料；人員、設(shè)備、燈光、空調(diào)設(shè)置等DeST圖形界面描述幾何位置關(guān)系，地域，氣象參數(shù)通風(fēng)部件阻力參數(shù)設(shè)置；表面風(fēng)壓參數(shù)設(shè)置等Result list：房間溫度房間間空氣流量房間負(fù)荷房間污染物濃度支路流量房間溫度網(wǎng)絡(luò)關(guān)聯(lián)矩陣熱模擬模塊通風(fēng)模擬模塊IAQ模擬模塊污染源匯相關(guān)參數(shù)房間溫度支路流量DeST-vent

10、圖 2 計(jì)算程序框架示意圖 不同門(mén)窗開(kāi)度下的流量系數(shù)研究研究自然通風(fēng)量是研究其對(duì)室內(nèi)空氣品質(zhì)及能耗影響的重要基礎(chǔ)。而基于多區(qū)域網(wǎng)絡(luò)模型的通風(fēng)模擬程序中，其相關(guān)系數(shù)的取值對(duì)模擬計(jì)算的準(zhǔn)確性影響極大，自然通風(fēng)部件（門(mén)、窗、縫隙等）的阻力特性就是其中之一。自然通風(fēng)建筑內(nèi)外環(huán)境由開(kāi)口相連，用來(lái)衡量開(kāi)口阻力特性的流量系數(shù)直接影響通風(fēng)量的大小。在對(duì)自然通風(fēng)的分析研究中對(duì)開(kāi)口流量系數(shù)的取值，一般均采用流體力學(xué)中孔口出流原理,取銳角開(kāi)口為0. 60.1 4，認(rèn)為流量系數(shù)為常值，未考慮開(kāi)口其他特性，如尺寸、角度等的影響。但大量的研究表明，對(duì)于不同類(lèi)型開(kāi)口及不同使用環(huán)境，流量系數(shù)并非為定值5,6。所以由于流量系數(shù)

11、影響因素較多，在進(jìn)行自然通風(fēng)研究計(jì)算時(shí)，必須重視對(duì)流量系數(shù)的分析，為自然通風(fēng)計(jì)算提供完備的基礎(chǔ)計(jì)算參數(shù)。在一般的住宅自然通風(fēng)中，主要的通風(fēng)開(kāi)口為門(mén)窗。對(duì)于開(kāi)口形式為門(mén)洞的推拉門(mén)窗而言，流量系數(shù)影響因素的研究相對(duì)較多，對(duì)于平開(kāi)門(mén)則研究較少。平開(kāi)門(mén)的門(mén)扇在不同角度下對(duì)空氣的阻礙作用不盡相同，研究這類(lèi)開(kāi)口的流量系數(shù)對(duì)于研究住宅中的自然通風(fēng)特性很為必要。為此，這里采用數(shù)值模擬的方法，在Airpak軟件中根據(jù)建筑中實(shí)際門(mén)及房間的尺寸搭建數(shù)值風(fēng)洞模型進(jìn)行不同開(kāi)度下平開(kāi)門(mén)流量系數(shù)研究，在這里門(mén)扇打開(kāi)方向順著來(lái)流。將問(wèn)題簡(jiǎn)化為等溫流動(dòng)，采用k-模型，模擬不同開(kāi)度不同來(lái)流流速下的空氣流動(dòng)情況。從圖3的流線圖可以

12、看出由于門(mén)扇的作用，射流中心在經(jīng)過(guò)門(mén)之后發(fā)生不同程度的偏轉(zhuǎn)。在整個(gè)過(guò)程中，能量以碰撞，渦旋，摩擦等形式損失掉。因而不同開(kāi)度下，門(mén)扇作用的不同會(huì)導(dǎo)致流量系數(shù)取值的差異。 （a）90度時(shí)的流線 （b）60度時(shí)的流線 （c）45度時(shí)的流線 （d）30度時(shí)的流線圖3 平開(kāi)門(mén)在不同開(kāi)度下的流線圖此時(shí)通過(guò)建筑物開(kāi)口門(mén)、窗的氣流流動(dòng)可視為薄壁孔口出流，其流量可由下式計(jì)算： (9)這里，Q通過(guò)門(mén)窗的氣流體積流量，m3/s；流量系數(shù)；A門(mén)窗面積，這里取為最大門(mén)洞面積，m2，為定值；氣流密度，kg/m3；門(mén)窗前后壓差，Pa。按上式整理模擬結(jié)果，得到開(kāi)度從0到90度變化過(guò)程中的流量系數(shù)如圖4和表1所示。圖4 平開(kāi)門(mén)

13、不同開(kāi)度下流量系數(shù)表1 平開(kāi)門(mén)不同開(kāi)度下流量系數(shù)變化開(kāi)度1030456090流量系數(shù)0.17 0.34 0.43 0.54 0.66 當(dāng)平開(kāi)門(mén)門(mén)扇打開(kāi)方向順著來(lái)流時(shí)的流量系數(shù)隨開(kāi)度變化經(jīng)驗(yàn)公式如下，適用于開(kāi)口與所在墻面積比較小的情況： (10) 案例分析由于冬季房間的密閉以及裝修污染問(wèn)題的日益突出，冬季室內(nèi)空氣品質(zhì)越來(lái)越引起了大家的普遍關(guān)注。這里選取冬季典型天，以北京一戶復(fù)式住宅為例（戶型平面圖見(jiàn)圖5），借助于前面介紹的模擬分析平臺(tái)及流量系數(shù)取值，首先對(duì)其房間在不同門(mén)窗開(kāi)度下的室內(nèi)通風(fēng)量進(jìn)行模擬，然后分析不同通風(fēng)量下室內(nèi)空氣品質(zhì)與能耗之間的關(guān)系?？蛷d廚房F1 客臥F1 主臥陽(yáng)臺(tái)走廊樓梯F2 客

14、臥F2 主臥走廊Stairs (a) 一層 (b) 二層圖5 復(fù)式住宅戶型圖參數(shù)設(shè)定污染源信息污染源設(shè)定在一層主臥，其與污染物散發(fā)相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表2。表2 住宅甲醛散發(fā)相關(guān)參數(shù)Dm (m2/s)Hm (m/s)KC0 (mg/m3)衣柜尺寸 (LWH) (m)板厚 (mm)4.13e-110.00251600014793.61.00.60.8417氣象、室溫及風(fēng)壓系數(shù)設(shè)定選取北京典型天室外溫度（見(jiàn)圖6），室外風(fēng)速風(fēng)向?yàn)楸憋L(fēng)3m/s，室內(nèi)始終維持在18度，建筑表面風(fēng)壓系數(shù)如圖7所示。模擬時(shí)間段：冬季典型日從早上7點(diǎn)到第二天早上6點(diǎn)。圖6 室外溫度變化圖7 風(fēng)壓系數(shù)取值模擬工況設(shè)定：所有外窗、內(nèi)門(mén)均關(guān)

15、閉，打開(kāi)F1主臥和F2客臥的內(nèi)門(mén)，并同時(shí)改變兩個(gè)臥室的外窗開(kāi)度，模擬計(jì)算出通風(fēng)量、F1主臥空氣品質(zhì)和住宅能耗變化情況，模擬工況見(jiàn)表3。表3 模擬工況列表Case1門(mén)窗全關(guān)，外窗滲風(fēng)面積18cm2/unit開(kāi)窗時(shí)間表 / 外窗打開(kāi)角度07:00-11:00 & 14:00-18:00開(kāi)窗07:00-9:00 & 14:00-16:00開(kāi)窗Case2全為10度Case3全為30度Case4全為45度Case5全為60度Case6全為90度Case7全為90度結(jié)果分析1）房間空氣流通情況在室內(nèi)外熱壓和風(fēng)壓的共同作用下，室內(nèi)冷空氣從一層主臥進(jìn)入室內(nèi)，從二層臥室排出。不同通風(fēng)方案下，一層主臥的室內(nèi)換氣次

16、數(shù)的逐時(shí)變化如圖8所示。房間換氣次數(shù)隨著外窗開(kāi)度的明顯上升。并且可以看出，房間通風(fēng)潛力較強(qiáng)，門(mén)窗只要稍稍開(kāi)啟，便可達(dá)到較高的室內(nèi)換氣次數(shù)。關(guān)閉門(mén)窗后，室內(nèi)的換氣次數(shù)降低到很小，約0.18次/h左右，稱(chēng)之為背景換氣次數(shù)，由房間氣密性決定。圖8 不同通風(fēng)策略下，F(xiàn)1通風(fēng)換氣次數(shù)比較2）室內(nèi)污染物濃度控制情況圖9為7種工況下，一層主臥室的污染物濃度變化情況。沒(méi)有開(kāi)窗通風(fēng)的case1室內(nèi)污染物濃度一直超標(biāo)。從逐時(shí)變化趨勢(shì)上來(lái)看，室內(nèi)污染物濃度先是逐漸上升，由于所給定的源衰減較快，加上室內(nèi)較高的濃度對(duì)甲醛散發(fā)的抑制作用，4個(gè)小時(shí)后，室內(nèi)污染物濃度開(kāi)始下降。case2case6這六種開(kāi)窗時(shí)間一致的工況，室

17、內(nèi)污染物濃度變化規(guī)律差別不是很大。室內(nèi)污染物濃度主要是由室內(nèi)源的散發(fā)強(qiáng)度和通風(fēng)換氣量綜合決定的。開(kāi)窗通風(fēng)時(shí)，換氣量較大，室內(nèi)污染物濃度迅速降低，開(kāi)啟90度時(shí)濃度下降最快，10度相對(duì)而言較慢，但在總體而言，六個(gè)工況之間的室內(nèi)濃度差別并不是很大。關(guān)閉外窗后，由于室內(nèi)背景換氣次數(shù)僅0.18次/h，污染物開(kāi)始在室內(nèi)慢慢累積。如果封閉時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，室內(nèi)空氣品質(zhì)會(huì)再次超標(biāo)，例如case7超標(biāo)情況在第一段關(guān)閉門(mén)窗的3個(gè)小時(shí)后便出現(xiàn)。當(dāng)室內(nèi)裝修污染更為嚴(yán)重、室內(nèi)密閉性更強(qiáng)即背景換氣次數(shù)更低時(shí)，關(guān)窗后濃度上升得更快，從關(guān)閉到超標(biāo)的時(shí)間間隔將會(huì)更短。圖9 不同通風(fēng)策略下F1主臥甲醛濃度變化圖10 不同通風(fēng)策略下，F(xiàn)1

18、主臥通風(fēng)換氣次數(shù)比較3）熱負(fù)荷房間不同工況下，一天總熱負(fù)荷如圖10所示。相對(duì)于關(guān)閉門(mén)窗的case1而言，其余工況雖然在室內(nèi)污染物濃度上差異不大，但是由于自然通風(fēng)量的加大，熱負(fù)荷增大很多。以case1為參考，窗戶開(kāi)大10度，能量增加約17.5%。同時(shí)還可以知道，由于換氣次數(shù)相對(duì)于源的散發(fā)而言已經(jīng)較大，室內(nèi)污染物濃度已較低，再無(wú)謂的增大外窗開(kāi)度只會(huì)增大能耗成本，而在改善室內(nèi)空氣品質(zhì)的收益上收獲甚微。圖11 開(kāi)窗時(shí)不同換氣次數(shù)甲醛濃度的變化情況下面改變開(kāi)窗時(shí)的換氣次數(shù)，開(kāi)窗時(shí)間跟case2一樣設(shè)置，模擬得到不同換氣次數(shù)下室內(nèi)污染物濃度控制情況如圖11所示。由此可見(jiàn)，如僅從滿足室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)來(lái)講，只要開(kāi)窗時(shí)的換氣次數(shù)大于2次/小時(shí)即可基本保證全天室內(nèi)污染物濃度不超標(biāo)。case27開(kāi)窗后的室內(nèi)換氣次數(shù)均遠(yuǎn)大于2次/小時(shí)，都存在較大的能耗浪費(fèi)。在本案例中，一打開(kāi)外窗則通風(fēng)換氣次數(shù)迅速增長(zhǎng)，只調(diào)節(jié)現(xiàn)有窗扇的開(kāi)度來(lái)實(shí)現(xiàn)2次/小時(shí)的小換氣次數(shù)不太現(xiàn)實(shí)?？梢钥紤]通過(guò)減小窗洞面積，更或者安裝通風(fēng)面積可調(diào)的窗式自然通風(fēng)器來(lái)實(shí)現(xiàn)。結(jié)論自然通風(fēng)既關(guān)系居住者人體的健康，又影響著能耗，確定如何通風(fēng)時(shí)需要二者兼顧。本文通過(guò)搭建綜合的模擬平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)熱、空氣流動(dòng)、污染物傳播的動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)模擬。這是用來(lái)分析此研究自然通風(fēng)、室內(nèi)空氣品質(zhì)和能耗三