农村装配式住宅侧墙送风系统室内气流组织研究

董俊伟，李洪强，张国强*，徐 峰

(1.湖南大学土木工程学院，长沙 410082；2.湖南大学建筑学院，长沙 410082)

空调送风技术的推广与应用使人们对自然环境的依赖程度逐渐降低，极大地改善了人类的生存环境，提高了人们的生活质量。但伴随着人们生活水平的提高，传统空调系统仅可调控室内基本温湿度的功能已不能满足人们对室内空气品质和人体热舒适的需求。于是孔板送[1]、置换送风[2]和地板送风[3]等更加舒适的送风形式开始出现。同时，为了降低日益增加的建筑能耗，还诞生了诸如地板辐射采暖系统[4]、吊顶辐射制冷加独立新风系统[5]、空气载能辐射空调系统[6]、高大空间分层送风系统[7]和工位送风系统[8]等更为节能的室内空调供能形式。但上述室内空调送风形式多常见于城市办公建筑和公共建筑，而对于传统农村居住建筑来说，室内制冷和采暖仍多采用分体空调，少部分地区采用的有多联机系统和热泵系统，中央空调系统由于限制因素较多在农村地区鲜有应用。这就导致农村居住建筑室内环境较差，室内极易出现送风死角，且存在送风噪声大、污染物不能及时排出室内，室内风速、温度分布不均匀，局部地区会有不适吹风感等不利现象，在日益追求舒适生活的今天，这些不利现状都需要得以改善。

中国的建筑工业化最早始于建国初期，1956年5月，国务院印发了《关于加强和发展建筑工业的决定》，提出改善中国的建筑工业，有步骤地进行工厂化、机械化施工，逐步实现对建筑工业地技术改造[9]，从此中国开始了建筑工业化道路探索。1995年，建设部印发了《建筑工业化发展纲要》，明确指出建筑工业化是中国建筑业地发展方向，并提出了建筑工业化的基本内容[10]。伴随着中国工业实力的提升和建筑节能减排的需求，具有施工周期短、能耗低、对周围环境影响小、建筑材料回收率高等特点的装配式建筑[11]受到更多关注。2015年11月，住建部印发《建筑产业现代化发展纲要》，计划到2020年装配式建筑要占新建建筑面积的20%以上，到2025年，该比例要提升到50%[12]。2016年2月，国务院印发《关于大力发展装配式建筑的指导意见》指出要因地制宜发展各种形式的装配式建筑，力争用10年左右的时间，使装配式建筑占新建建筑面积的比例达到30%[13]。2017年5月，住建部《建筑业发展“十三五”规划》中，再次重申到2020年装配式建筑面积占新建建筑面积的比例要达到15%[14]。装配式建筑将成为中国未来建筑的主流形式。装配式建筑按其所应用的材料可主要分为装配式混凝土结构、装配式木结构和装配式轻钢结构[15]。其中，装配式轻钢结构由于自重轻，施工工艺简单，成本较低，地形适应性广等特点在农村地区被广泛应用[16]。

随着装配式建筑的应用越来越广泛，关于装配式建筑的研究已有大量报道。但研究主要集中于对装配式建筑围护结构传热性能、超低能耗装配式建筑的设计，装配式建筑围护结构的气密性等方面[17-20]，鲜有研究关注装配式建筑的室内环境。并且随着装配式建筑围护结构保温技术、预制构件链接技术以及建筑工业技术的提升，装配式建筑的保温性能、气密性等会逐渐变优。这虽然使得装配式建筑的能耗显著低于传统的现浇混凝土建筑，但也同时让装配式建筑室内逐渐变为更加封闭的空间，如果不进行合理的通风系统设计必然会使得室内的空气品质和人体热舒适状况很不理想。特别是对于农村地区来说，若仍采用分体空调进行室内的制冷和采暖，不仅不能满足室内空气品质和人员热舒适要求，而且也不能很好地发挥装配式建筑的预制优势，与装配式建筑进行耦合，极易破坏装配式建筑原有的优势，导致建筑气密性降低，产生新的热桥。为此，提出了一种与装配式建筑耦合的大面积侧墙送风系统，在采用冬季装配式地板辐射供暖的基础上[21]，增加大面积侧墙送风系统，用于优化建筑室内气流组织，为室内人员提供更舒适的生活环境。而且该系统送风末端耦合在装配式建筑室内侧墙上，可与建筑侧墙同时在工厂预制，保温性能和气密性更好，施工安装方便。

1 装配式居住建筑侧墙送风系统

1.1 装配式建筑侧墙送风系统架构

基于装配式建筑的研究现状，提出了一种将暖通空调设备集成于装配式建筑的侧墙送风系统。该送风系统主要由冷热源设备、空气处理设备、送风设备、回风设备、排风热回收设备及地板辐射采暖设备等部分组成。其中，冷热源设备主要为冷热源机组、自然冷热源收集装置、循环水泵、冷热水管、温度和压力监测调控装置等，分别用于夏季室内制冷和冬季室内供热。空气处理设备则主要为组合式空气处理机组，通过模块化集成的方式高效处理室内的回风和新风以满足室内送风需求。送风设备主要包括送风管、风阀、送风静压室、装配式侧墙送风多孔板。回风设备主要有格栅式回风口、回风污染物监测与控制装置、地板预埋式回风管道及回风过滤装置。排风热回收设备则主要为建筑围护结构内部的预留排风夹层和屋顶倾斜式太阳能烟囱，供室内排风经由建筑围护结构内部排出室外并带走围护结构的蓄热。低温地板辐射采暖设备则主要为铺设于地板下部的热水管网，水阀、排气阀、温度调节装置等。上述设备联合运行，可有效保证装配式建筑室内全年各季节均保持良好的室内空气品质和人体热舒适状况。

1.2 装配式建筑侧墙送风系统运行流程

该送风系统将室内侧墙作为送风末端，静压室位于通风侧墙内部。经组合式空气处理机组处理的新鲜空气先送入送风静压室内，再经侧墙孔板送入室内。送入室内的新鲜空气在室内经热湿交换后再由位于对面侧墙的回风口和排风夹层送出室内。该装配式建筑侧墙送风系统全年具体运行模式主要有三种，分别对应夏季制冷模式、过渡季通风模式和冬季采暖模式。

夏季制冷的运行模式为室内回风和室外新风在组合式空气处理机组混合段混合后，再经热湿处理到设计的温湿度后由变频风机送入室内通风侧墙内部，然后经由侧墙内部稳压层均匀地向室内送入，与室内空气进行热湿交换后，再由回风口和排风口分别进行回风和排风。回风口处安装有污染物浓度监测装置及排、回风控制装置，该装置可有效检测出室内回风中的甲醛浓度，当室内回风中甲醛浓度高于0.15 mg/m3时，控制装置就会调控室内回风和排风的比例，减少室内回风、增加室内排风，降低室内遭受二次污染的风险。回风管预埋于装配式建筑围护结构内部并直接与侧墙回风口相连，回风经回风管再返回组合式空气处理机组并和室外新风混合过滤后，送入组合式空气处理机组进行制冷或加热，然后再由风机送入室内，进而完成一次送风循环。室内排风则直接由建筑侧墙内部风道送至屋顶和吊顶之间的夹层内，该方式是通过在建筑的侧墙和屋顶与吊顶之间预留排风夹层，排风在流经排风夹层时与侧墙及屋顶等维护结构进行换热，带走维护结构多余的热量，进而实现排风热回收、冷却建筑围护结构，降低室内冷负荷。该运行模式下，室内风速、温度分布均匀，通风效果较好。

过渡季通风的运行模式较为简单，由于过渡季节室外空气的温度已可满足室内人员的需求，但室外空气的湿度和污染物浓度相对室内仍处于较高水平，故室外新风仍需经由组合式空气处理机组进行是处理和过滤处理，然后经由风机送入通风侧墙内部后，再由多孔板送入室内，最后经由排风口直接排出室内。同时为了增强过渡季室内的排风效果，在屋顶装有倾斜式太阳能烟囱与排风通道相连。通过这种有组织的机械通风的方式，可有效解决过渡季开窗通风带来的室内气流紊乱、噪声大、污染物飞尘等侵入室内的问题，提高室内人员的舒适性。

冬季采暖的运行模式为侧墙送风系统与地板辐射采暖系统共同工作的模式。经热源加热的循环水一部分送至组合式空气处理机组用于加热新风，另一部分则经由热水管道送至地板辐射采暖管网用于辐射采暖。热处理后的新风同样由变频风机送风装配式通风侧墙，经稳压后由多孔板均匀送入室内，最后由排风通道实现热量回收并将其排至室外。在此冬季采暖工况下，侧墙送风系统主要承担的是室内的湿负荷并排出室内的污浊空气，满足室内人员的新风需求，地板辐射采暖系统则主要承担室内的热负荷，满足室内人员的采暖需求。侧墙送风系统和地板辐射采暖系统协同工作的方式可在满足室内采暖需求的基础上提高室内的通风效果，进一步提升室内空气品质和人员的热舒适状况。图1为该送风系统示意图。

①为送风；②为回风；③为排风；④为热辐射

2 装配式居住建筑侧墙送风系统室内风环境分析数值模型

侧墙送风末端系统作为该装配式建筑侧墙多孔板送风系统的关键部分，是一种创新型的空调末端送风形式，其主要通过将室内局部侧墙作为送风末端直接向室内工作区供给新鲜的空气以满足室内空气品质和人体热舒适的需求。该送风末端综合吸收了孔板送风和置换送风的优点，具有送风面积大、送风温差小，送风量大、送风速度小、送风噪声小等显著特点，但要获得更好的室内空气品质和人体热舒适，仍需要合理的规划室内的气流组织，综合考虑热源位置、室内布局、送回风口的位置、送风温度及送风量等因素对室内气流组织的影响，故而有必要开展研究重点对该侧墙送风系统的室内气流组织进行优化。

室内气流组织研究方法通常采用的有射流公式法、区域化模型法、模型试验法和计算流体力学(computational fluid dynamics, CFD)方法等[22]，由于CFD方法具有成本低、周期短、可视化明显等优点而被广泛应用于室内气流组织预测的模拟研究[23-25]。因此，采取CFD方法对该装配式建筑侧墙孔板送风系统夏季室内气流组织进行模拟研究，并根据送风系统的特点设置不同的送风工况，分析不同送风工况下该系统室内气流组织的优劣，为该系统实际的工程应用提供理论指导。

2.1 建模基准参数与假设

以湖南省长沙市某农村轻钢装配式建筑为例，建立装配式侧墙孔板送风系统室内简化模型。在该简化模型中，东墙、南墙为外墙，西墙、北墙为内墙，窗户和门分别位于东、西侧墙上，送风多孔板位于北侧墙上，回风口位于南侧墙上。送风多孔板距地最低高度为0.3 m，左右两侧均留有0.5 m的空间。经组合式空气处理机组处理的新鲜空气由北侧墙内部格栅风口送入静压室内稳压后再经侧墙多孔板风口送入室内，用于承担室内的冷热负荷，为室内人员创造舒适的人工环境。在模拟计算时，为提高网格质量和计算精度，将室内人员简化为长方体，房门、窗户和灯具等简化为长方形。室内污染源为地板，所释放的污染物为甲醛。房间、风口、热源、污染源等的数量及几何尺寸如表1所示，风口、热源、污染源等在室内的布置如图2所示。

图2 送风房间室内三维简化模型

表1 模型尺寸及数值模拟计算边界条件

同时，在保证模拟结果可靠的前提下，对实际的室内空气流动做如下假设：①室内送风气流流动属常温常压下的黏性不可压缩流动，其运动规律遵循Navier-Stokes(N-S)方程,且仅考虑密度变化对浮升力的影响，满足Boussinesq假设；②室内空气为稳态湍流流动，不考虑黏性力做功产生的耗散热；③不考虑太阳辐射作用以及室内热源之间的辐射作用; ④内墙和地面均为绝热壁面，不考虑周围房间传热的影响；⑤在室内进风口处，送风射流参数均匀。

2.2 数值模拟边界条件

设定室内原始温度为32 ℃，室内设计温度为25 ℃，室内甲醛原始浓度为0，室内回风口均为自由出流(outflow)。室内人员和灯具为室内热源，作定热流密度边界(heat flux)处理。设置地板为室内污染源，其边界条件为质量流量进口(mass flow inlet)。由于外围护结构与室外环境存在热交换，故设定东外墙、南外墙、东外窗、屋顶为定热流密度(heat flux)边界条件。由于相邻房间均为空调房间，内墙和门与室内相邻房间传热量较少，故均设定为绝热边界条件。侧墙送风多孔板边界条件为多孔阶跃(porous-jump)边界，该边界类型是对多孔板的二维简化，可在保证数值模拟结果预测的准确性的前提下减小计算工作量[26]。数值模拟计算边界条件如表1所示。

2.3 室内关键监测点布置

为更好地评价室内气流组织和室内人员的热舒适性，在室内Z=0.1、1.2、2.0 m高度均匀取点，分别对应于人的脚踝高度、坐姿时呼吸区高度，室内工作区最高高度。每个高度面上均匀取9个点，且每个高度面上的取点位置相同。X方向上监测点与监测点，监测点与墙之间的距离均为1 000 mm，Y方向上监测点与监测点的距离为 1 500 m，监测点与墙之间的距离为1 000 mm。通过撷取模拟监测点的温度和风速值并结合相关评价指标，可直观地分析室内的气流组织情况和室内人员的热舒适状况。室内模拟关键监测点布置如图3所示。

A1、B1、C1、C2、C3、D1、E1、F1、F2、F3、L1、M1、N1、N2、N3均为对应位置测点编号

2.4 数值模型工况设定

室内气流组织的分布与多种因素有关，如热源的位置和强度，送回风口的位置和大小，围护结构的热流密度，送风量和送风温度等。这些因素都会对其室内的气流组织产生直接的影响，进而影响室内的空气品质和室内人员的热舒适状况。而对于系统提出的侧墙孔板送风系统来说，作为一种大面积、小温差、大风量的侧墙末端送风形式，由于其所处位置的特殊性，使其有别于传统的空调末端送风系统形式。这主要是由于侧墙送风末端较大，送回风口的相对位置成为影响室内气流组织的关键因素。因此，为了更好地研究室内的气流组织情况，在相同的制冷量下，分析不同的送回风方式对室内流场、温度场和污染物浓度场的影响，并设置传统的射流送风工况作为对比。具体的数值模拟送风工况设置如表2所示。

表2 数值模拟工况设置

2.5 数值模型求解方法

采用有限体积法(finite volume method，FVM)对所建立的物理模型进行离散，采用Fluent16.0商业软件对雷诺平均纳维斯托克斯(reynolds-averaged-navier-stokes，RANS)方程进行数值求解。求解器选用基于压力(pressuredbased)的隐式(implicit)格式，对流项离散格式除压力为体积力加权(body forced weighted)格式，其余均采用二阶迎风格式(second order upwind)，压力与速度耦合方式采用由Patankar 提出的SIMPLE算法[27]，湍流模型选用适用于室内风环境模拟的重整化群(renormalization group, RNG)k-ε两方程模型(k为紊流脉动动能、ε为紊流脉动动能的耗散率)，并选用标准初始化方法为模型赋初值。由于模型较为复杂，建筑整体内部网格划分采用四面体非结构化网格，为了保证对壁面处速度梯度的准确模拟，对室内热源、热壁面、送风口和出风口处网格均做加密处理。同时通过不断的优化使网格的质量在0.5以上以保证求解过程中迭代的速度及求解质量。同时在数值模拟过程中不断细化网格，最终得到计算结果与网格无关的网格尺寸。

3 装配式居住建筑侧墙送风系统室内风环境评价指标

为了更直观地对室内气流组织进行评价，选取不均匀性系数，空气扩散性能系数、垂直温度、通风效率等评价指标，分别基于流场的均匀性、室内的舒适性和室内的空气品质对4种不同送风工况进行评价，并根据评价结果分析不同送风工况下室内气流组织和人员的热舒适状况。

3.1 风速不均性系数

风速不均匀性系数是概率统计中反映数组中个体间的离散程度的速度标准差与面平均速度之间的比值。不均匀性系数大小，可反映平面流场速度之间的差别，δ越小，室内流场越均匀，室内气流组织越好。δ计算公式为

(1)

3.2 空气扩散性能指标

空气性能扩散指标(air diffusion performance index，ADPI)的定义是满足规定风速和温度的测点数与总测点数之间的比值。由于室内的过冷或过热以及风速的过大与过小都会严重影响室内人体的热舒适性，故室内空气性能扩散指数(ADPI)能有效反映室内热舒适情况。由此可知，室内舒适区的范围随空气扩散性能指标的增加而扩大，ADPI计算公式为

100%

(2)

ΔET=(ti-tn)-7.66(ui-0.15)

(3)

式中：ΔET为有效温度差, ℃；ti、tn分别为室内测点温度和室内设计温度，℃；ui为室内测点风速，m/s。

ADPI越接近100%，表明室内工作人员对室内工作区热舒适度的满意度越高，当ADPI≥80%时，可认定此时室内的气流组织是令人满意的。因此，在一般情况下要保证室内的空气扩散性能指标在80%以上[28]。

3.3 通风效率

通风效率(E)为排风口处的污染物浓度和室内平均污染物弄的比值，该值的大小可反映室内污染物的排出效率，故可用于评价室内的空气品质。E的计算公式为

(4)

3.4 垂直温差

室内垂直温度梯度可以有效地反映出室内竖直高度方向上的温度变化的剧烈程度，垂直温度梯度变化越小，表明竖直方向上的温度变化较小，室内人员的热舒适性越好，一般规定室内垂直温度梯度不大于3 ℃/m[29]。同时，为避免室内人员因明显的吹风感带来的热不舒适性，夏季室内工作区域的风速应不大于0.3 m/s[30]。工作区的范围为距通风侧墙0.5 m，竖向垂直高度为0.1～2 m的室内区间范围。

4 装配式居住建筑侧墙送风系统室内风环境结果分析

4.1 人体所在平面的速度和温度云图分析

图4～图7分别为不同送风方式下，人体所在平面的速度和温度云图。其中图4～图6为装配式侧墙大面积孔板送风，图7为传统射流送风。从速度云图中可以看出，4种送风方式下室内的风速均未超过0.3 m/s，室内人员无明显的吹风感，满足夏季室内送风需求。其中，下送上回和中送风工况下室内的风速分布均匀，没有明显的涡流和热羽流产生。而上送下回工况下，室内风速则出现明显的区域性特征，即正对送风口的上部风速较大，而下部风速较小，且存在送风死区，工作区内风速分布不合理。同样传统射流送风工况下，室内风速分布也很不均匀，不仅由于室内的高速送风产生局部涡流，而且室内存在大面积的送风死角和高速回流区，这对于室内温度分布的均匀性是十分不利的。

图4 工况1下人体所在断面速度和温度云图

图5 工况2下人体所在断面速度和温度云图

图6 工况3下人体所在断面速度和温度云图

图7 工况4下人体所在断面速度和温度云图

从温度云图可以看出，下送上回工况下，室内工作区的空气温度除热源处外，温度均低于室内设计温度25 ℃且在靠近东外墙的一定范围内出现了温度梯度，但温度梯度较小可满足空调室内设计温度的要求。中送风条件下，由于回风口正对送风孔板形成室内单向流，导致室内上部的温度较高，从云图上看，在靠近东外墙的一侧也出现横向温度分层现象，但温度梯度变化仍较小在工作区下部温度仍可满足室内设计温度要求。然而上送下回方式下，室内的空气温度呈现出明显的上低下高的现象，在工作区上面温度较低，而工作区内温度较高，有些区域甚至高于25 ℃，室内温度分布的均匀性较差。对于传统射流送风条件下，整个室内的温度除正对送风口的区域温度明显较低外，其余大部分区域均高于25 ℃，不满足室内设计温度要求。

4.2 基于ADPI和通风效率指标评价

图8为4种送风方式下室内各平面的速度不均匀性系数，从柱状图中可明显的看出，在Z=0.1 m平面处各送风方式的风速不均匀性系数的值均较大，表明在该平面上各处风速变化较大，室内气流组织差。从整体上来看，大面积侧墙下送上回和中送风方式下的各平面的风速不均匀性系数为0.432和0.386要优于上送下回和传统射流0.543和0.552。且中送风工况下3个平面的风速不均匀性系数之间变化更小，室内整体的风速不均匀性要优于下送上回，室内气流组织状况最好。图9为4种送风方式下室内的ADPI和通风效率情况。从图9可以看出，ADPI最高的是下送上回，为0.963；其次是中送风，为0.926；最差的是传统射流送风，仅为0.483，远低于室内热舒适要求的0.8。对于通风效率(图9)来说，最优的是上送下回，为1.602；其次为中送风，为1.574；最差的为传统射流送风，为1.081。而下送上回方式的通风效率也仅为1.279，低于中送风和上送下回。

图8 不同工况下各平面的速度不均匀系数

图9 不同工况下的ADPI和通风效率

4.3 室内垂直温度变化及室内各平面平均温度变化

图10、图11分别为各送风方式下室内的垂直温度变化和室内各平面的平均温度。从垂直温度可以看出，上送上回和中送风工况下，室内的垂直温度变化平稳，在室内工作区高度室内的垂直温差均在1 ℃/m内，满足ThermalEnvironmentalConditionsforHumanOccupancy(ARSHRAE Standard 55—2017)[29]中关于室内垂直温差小于3 ℃/m的要求。而且在工作区内垂直温度在25 ℃以下，满足室内的设计温度要求，但中送风整体温度要低于下送上回。而上送下回工况下，室内垂直方向上则呈现出明显的温度分层，在0.5 m以下的区域温度较高，超过了25 ℃，在1 m以上的区域整体温度较低。对于传统射流来说，虽没有明显的温度分层和温差变化，但整体温度均在25 ℃以上，不能满足室内的设计温度要求。从室内各平面平均温度可得出，中送风在工作区下整体温度要低于其他的送风方式，这与垂直温度变化的趋势是一致的，说明在相同的制冷量下，中送风具有更强的降温能力，在到达相同的室内温度效果时，中送风具有较强的节能潜力。

图10 不同工况下的室内垂直温差

图11 不同工况下各平面的平均温度

5 结论

基于计算流体力学方法和Fluent软件，对提出的装配式住宅侧墙大面积孔板送风系统运行效果表征的关键环节即夏季不同送风工况下室内气流组织，进行数值模拟和计算，并得出如下结论。

(1)在相同的制冷量下，侧墙大面积孔板送风能很好地满足夏季室内室内设计温度要求和室内风速要求，室内人员无不适吹风感，且中送风方式下室内整体速度不均匀性系数为0.386，风速变化较小，室内气流组织较好。

(2)基于ADPI和通风效率评价指标，侧墙大面积下送上回和中送风的ADPI值较高，分别为0.963和0.926，室内人员热舒适性好。而侧墙大面积上送下回和中送风的通风效率较高，分别为1.602和1.574，室内的空气品质优于其他送风方式，但上送下回工况下的ADPI仅为0.778，不能满足室内热舒适要求。

(3)基于垂直温差和各平面平均温度来看，除上送下回方式的室内垂直温差变化较大外，其余工况下均在1 ℃/m之内，满足室内垂直温差低于 3 ℃/m 要求。而且在室内工作区范围内，中送风方式下，室内温度更低，在满足室内设计温度要求的前提下具有明显的节能潜力。