零能耗太陽能住宅優(yōu)化設(shè)計(jì)論文
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1模擬方法
1.1研究對象
該零能耗太陽能住宅位于天津市天津大學(xué)26號教學(xué)樓旁，北緯39.1°，東經(jīng)117.2°，海拔5m。運(yùn)用Airpark2.1模擬軟件模擬參賽建筑室內(nèi)通風(fēng)工況，作為建筑設(shè)計(jì)前期的室內(nèi)風(fēng)量預(yù)測，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。首先建立住宅物理模型和數(shù)學(xué)模型，然后劃分網(wǎng)格和求解。建筑布局：建筑風(fēng)格以“徽派民居”為原型，空間布局吸取中國傳統(tǒng)的“庭院”布局，既可作為整個(gè)空間布局的視覺中心，又可成為建筑空間的“環(huán)境調(diào)節(jié)區(qū)”，同時(shí)解決建筑的采光、通風(fēng)問題。建筑空間布局圍繞中庭南向依次布置餐廳、客廳、書房、臥室，在北向布置衛(wèi)生間、廚房，成為“溫度阻尼區(qū)”。住宅采用木結(jié)構(gòu)體系，墻體采用歐松板和聚苯乙烯復(fù)合的SIP結(jié)構(gòu)板。室內(nèi)家用電器齊全，根據(jù)生活需求配置相應(yīng)的工作任務(wù)來考核室內(nèi)的物理環(huán)境控制情況，為住宅的平面圖。
該零能耗住宅建筑面積為74m2。建筑北側(cè)衛(wèi)生間窗戶為1.2m×0.35m，廚房窗戶為1.35m×0.6m；建筑南側(cè)書房的有效通風(fēng)面積為0.8m×0.8m，餐廳窗戶為1.4m×1.2m，所有側(cè)窗距地板高度均為0.9m；在中庭上空安裝了3扇1.4m×1m的天窗，天窗距室內(nèi)地面高度為2.5m。住宅為3口之家使用，室內(nèi)家電齊全：1臺筆記本電腦、1臺電視、烤箱、電磁爐、冰箱、5盞熒光燈等。數(shù)值模擬方法分別對人坐、站立、行走高度的風(fēng)環(huán)境進(jìn)行模擬，使室內(nèi)空間具有良好的通風(fēng)組織。根據(jù)零能耗太陽能住宅原型的自然通風(fēng)特性和內(nèi)部布局，進(jìn)行大氣邊界條件的設(shè)置并建立室內(nèi)不同工況的自然通風(fēng)模型，再選用k-ε兩方程湍流模型進(jìn)行模擬求解。室外送風(fēng)口送風(fēng)風(fēng)速為5.5m/s，送風(fēng)溫度為20℃，送風(fēng)濕度為30%，相對濕度為40%。根據(jù)居住設(shè)計(jì)要求，室內(nèi)四季恒溫24℃±1℃，并且始終保持40%~55%的濕度，室內(nèi)空氣懸浮顆粒物、CO2濃度等均有嚴(yán)格的指標(biāo)控制。本課題研究的是住宅室內(nèi)自然通風(fēng)，選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型。動量松弛因子和壓力松弛因子取值分別為0.7和0.3。
1.2網(wǎng)格劃分
網(wǎng)格的劃分質(zhì)量決定計(jì)算結(jié)果的精度和運(yùn)算時(shí)間。網(wǎng)格單元最大X、Y、Z尺寸為該空間相應(yīng)方向尺寸的1/25，Airpak2.1軟件自動生成模型中各個(gè)區(qū)域的網(wǎng)格，調(diào)整網(wǎng)格的疏密和網(wǎng)格質(zhì)量，網(wǎng)格數(shù)48175，檢查最小網(wǎng)格單元容積，網(wǎng)格質(zhì)量劃分良好。根據(jù)運(yùn)行求解，迭代次數(shù)適中，計(jì)算收斂良好。
1.3模擬方法模擬條件
送風(fēng)風(fēng)速為5.5m/s，室外空氣溫度為30℃，筆記本電腦開啟，1人坐在電腦桌前，室內(nèi)共3人活動。室內(nèi)冰箱、電腦熱源開啟。室內(nèi)風(fēng)壓、熱壓共同作用的自然通風(fēng)常出現(xiàn)溫度分層，模擬取X=4.8m、Y=2.5m、Z=2.8m處的測試斷面，測點(diǎn)選取離地板高度H=0.8m、H=2m的位置，這些測點(diǎn)能較全面反映該住宅內(nèi)的溫度場和速度場分布情況。
2模擬結(jié)果分析
建筑室內(nèi)送風(fēng)口的形式、數(shù)量和位置、排（回）風(fēng)口位置、送風(fēng)參數(shù)（送風(fēng)溫度、送風(fēng)口風(fēng)速）、風(fēng)口尺寸等均會影響氣流流動模式，通過不同工況的模擬，預(yù)測流場來指導(dǎo)設(shè)計(jì)和探討紊流模型的準(zhǔn)確性。由于自然通風(fēng)氣流運(yùn)動具有不可控制性，模擬計(jì)算均是在特定的通風(fēng)模式下進(jìn)行穩(wěn)態(tài)模擬。比較建筑有無天窗對室內(nèi)溫度場和速度場的影響分布為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的合理性，運(yùn)用Airpark2.1模擬軟件對有無天窗2種工況的室內(nèi)通風(fēng)情況進(jìn)行比較，以期將室內(nèi)的平均溫度控制在熱舒適度范圍內(nèi)，
3結(jié)語
(1)通過簡化室內(nèi)自然通風(fēng)模型
應(yīng)用Airpak2.1軟件對零能耗太陽能住宅原型室內(nèi)氣流組織進(jìn)行數(shù)值模擬研究，速度矢量圖、PMV云圖可以有效預(yù)測室內(nèi)的風(fēng)環(huán)境，通過對建筑有無天窗、窗戶開啟方式和位置進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而優(yōu)化室內(nèi)氣流組織，提高人體熱舒適性。
(2)自然通風(fēng)物理模型的模擬結(jié)果
表明了室內(nèi)速度場和溫度場的狀況，模擬結(jié)果與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，基本能滿足居住者的使用要求，為優(yōu)化室內(nèi)的自然通風(fēng)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)和科學(xué)指導(dǎo)。
作者：Alheji Ayman Khaled 郭娟利 管乃彥 劉洪冰 單位： 天津大學(xué)建筑學(xué)院綠色建筑研究所 天津市建筑物理與生態(tài)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室