CFD在住宅室内设计中的应用

苏华东 龚七一

在住宅室内设计中,合理的室内气流组织不仅能营造舒适健康的居室热环境,还能降低住宅今后的使用能耗。CFD软件是计算流体力学(Computational Fluid Dynamics)软件的简称,是专门用来进行流场分析、流场计算、流场预测的软件。借助CFD软件对室内气流的模拟,我们可以了解室内空气分布的详细情况,并通过分析发生在流场中的现象,对室内设计进行调整,合理组织室内气流,提升住宅的节能性和舒适性,从而达到最佳设计效果。

1 空调房间的气流组织与节能

一般来讲,空调房间的气流组织是指通过空调房间送、回风口的选择和布置,使送入房间的空气在室内合理地流动和分布,从而使空调房间的温度、湿度、速度和洁净度等参数能很好地满足生产工艺和人体热舒适的要求。然而,对于普通住宅而言,房间尺寸较小,一定程度上限制了室内空调器的摆放位置,且室内机位置还受室外机位置及配管长度的限制。室内设计的原则以根据不同功能空间内人员活动的状态特点以及空调所能摆放的位置来进行平面布置,使具体工况条件下的气流组织重点满足人员活动密集区域的热舒适度要求为准,对于人员活动较少的区域可放宽其对舒适度的要求,从而降低空调能耗,提高能源效率,达到节能的目的。

2 室内设计方案的CFD模拟

本文以重庆市某小区七楼一户型的两个设计方案为例,为简化模型的建立工作,取空间较大、家具陈设较为复杂的客厅为研究对象(见图1,图2)。客厅长、宽、高尺寸分别为6.5 m×6 m×2.8 m,墙面为内粉刷,吸声石膏板吊顶,邻室、楼道均为空调房间,不考虑墙面传热。该客厅夏季采用海尔柜式空调制冷,大部分时间人员静坐于沙发上。

2.1 物理模型

考虑到计算机内存和计算速度,在不影响计算结果的前提下,对模型进行适当简化:房间玄关与左边玻璃平面补齐,因室内各处窗户关闭,将客厅内的两个门洞以实墙填补。空调室内机上部为0.5 m×0.3 m送风口,下部为0.5 m×0.5 m回风口,送风方向与水平面夹角成45°。Airpak 2.1建模如图3,图4所示。

2.2 数学模型和边界条件

2.2.1 数学模型

CFD技术在室内热环境中的应用是基于对室内不可压缩气体质量、动量、能量守恒微分方程的离散化处理及其数值解析[1]。本文是一个紊流的三维稳定流场流动问题,基于空气紊流特性的微观解析,采用室内零方程模型求解方程组,限于篇幅,关于该模型的详细介绍本文不再叙述。为了简化问题,并作如下假设[2]:

1)室内空气低速流动,可视为不可压缩流体且符合Bossinesq假设;2)流动为稳态流动;3)室内空气为辐射透明介质;4)不考虑门的影响;5)不考虑漏风影响,认为房间气密性良好。

2.2.2 边界条件

入口边界:室内空调送风速度为2 m/s,送风温度为20℃。

出口边界:出口边界采用局部单向化处理,即假定出口界面上的节点对第一个内节点已无影响,因而可令对内节点的影响系数为零,这样无需知道出口边界上的值[3]。

壁面边界:室内壁面边界条件设为恒温边界,南墙和东墙壁温为 30℃,南窗和东窗为36℃,其余壁温均为29℃;电视设为热流边界,热流量为180 W;客厅吊灯总热流量为90 W。人体简化为棱柱形,每人总热流为75 W;其余物体边界设为绝热边界。

3 CFD技术用于指导优化室内设计

3.1 在设计中组织平面功能布局

图5～图7为客厅方案A中Y=0.9 m截面上的温度和热舒适性评价指标PMV,PPD的分布图。

Y=0.9 m平面大致上是坐在沙发上的人员头颈部的位置,是对环境舒适性感受最强烈的位置。图5～图7中客厅方案A布局经模拟所得的这样一种温度分布状态,对设计而言显然是不合理的,在这种平面布局下,人员所处的室内环境温度过高,没有较好的热舒适感受,而温度适宜的区域却没有被很好的利用。

在这种设计方案下,为了使位于沙发区域的人员能够满足热舒适度的要求,就不得不加大室内空调的送风速度或降低送风温度,这势必将增加耗电量,常年累月将产生非常可观的电量消耗,并且加大送风速度还会使房间内的平均风速过高,有明显的吹风感,影响舒适,而降低温度也会使原本如客厅中心区域附近已经达到舒适度要求的地方变得较冷,不利于能源的经济利用。

这样一种设计方案从利用室内设计满足人员舒适要求的角度出发,是不可取的方案。将室内设计方案调整至客厅方案B所示的布置,则在不改变原空调送风温度和速度的条件下,位于沙发区域的人员即能得到较好的热舒适性(见图8)。

3.2 在设计中组织室内气流

客厅方案A中,冷风自空调柜机出来后经过隔断的阻隔,一部分反弹到了回风口,另一部分则流向斜对面的墙角,再慢慢流动到沙发区域,此时,冷风的温度和速度衰减都非常大,到达沙发区域的风速均小于0.15 m/s。

根据以上情况,将设计方案调整至客厅方案B后,经过沙发背后隔断的有效拦截,大部分的冷风气流都在沙发区域循环,能够快速降低该区域的温度至舒适范围,该区域大部分的风速小于0.25 m/s,在舒适度标准范围以内。

由此可见,通过对室内气流的模拟,可以对室内设计方案在气流组织上的好坏进行预先判断,并根据分析判断结果,运用隔断、家具、吊顶等不同形式的室内设计手段来优化气流组织,使之导向人员密集活动的区域形成良好的热舒适环境。此外,运用CFD技术的模拟,我们还可以对室内设计中所采用的不同装饰材料所带来的不同舒适感受进行研究,以使室内设计能够从技术上加以控制,使之创造出更好的健康节能室内环境。

4 结语

从本次模拟可知,运用CFD技术能较好地对住宅室内的温度场、速度场、空气龄以及热舒适性等进行分析,并根据分析结果,对室内设计方案进行调整和优化,根据门窗、空调、隔断等的位置,合理组织室内气流,提高空调制冷采暖的效率,降低住宅使用能耗,从而减少室内设计的盲目性。

[1] Jelena S,Chen QY.Validation of Zero-Equation turbulence Model for Complex Indoor Airflow Simulation[J].ASHRAE Trans,1999(105):414-427.

[2] SV帕坦卡.传热与流体流动的数值计算[M].张 政,译.北京:科学出版社,1984:13-18.

[3] 陶文铨.数值传热学[M].第 3版.西安:西安交通大学出版社,1988:290.