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零能耗太陽(yáng)能住宅優(yōu)化設(shè)計(jì)論文

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零能耗太陽(yáng)能住宅優(yōu)化設(shè)計(jì)論文

1模擬方法

1.1研究對(duì)象

該零能耗太陽(yáng)能住宅位于天津市天津大學(xué)26號(hào)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(cè),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(guó)傳統(tǒng)的“庭院”布局,既可作為整個(gè)空間布局的視覺(jué)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(wèn)題。建筑空間布局圍繞中庭南向依次布置餐廳、客廳、書(shū)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(lái)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(hù)為1.2m×0.35m,廚房窗戶(hù)為1.35m×0.6m;建筑南側(cè)書(shū)房的有效通風(fēng)面積為0.8m×0.8m,餐廳窗戶(hù)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(tái)筆記本電腦、1臺(tái)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(duì)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(yáng)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(duì)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(dòng)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(dòng)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(kāi)啟,1人坐在電腦桌前,室內(nèi)共3人活動(dòng)。室內(nèi)冰箱、電腦熱源開(kāi)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(cè)試斷面,測(cè)點(diǎn)選取離地板高度H=0.8m、H=2m的位置,這些測(cè)點(diǎn)能較全面反映該住宅內(nèi)的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)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(huì)影響氣流流動(dòng)模式,通過(guò)不同工況的模擬,預(yù)測(cè)流場(chǎng)來(lái)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(dòng)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(wú)天窗對(duì)室內(nèi)溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)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(duì)有無(wú)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(yǔ)

(1)通過(guò)簡(jiǎn)化室內(nèi)自然通風(fēng)模型

應(yīng)用Airpak2.1軟件對(duì)零能耗太陽(yáng)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(cè)室內(nèi)的風(fēng)環(huán)境,通過(guò)對(duì)建筑有無(wú)天窗、窗戶(hù)開(kāi)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(chǎng)和溫度場(chǎng)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(mǎn)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

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