窗缝冷风渗透对房间热环境影响的模拟研究

陈刚 曾钰城 程昕 樊娇 张力国

窗缝冷风渗透对房间热环境影响的模拟研究

陈刚 曾钰城 程昕 樊娇 张力国

南华大学城市建设学院

本文以辐射地板采暖房间为研究对象，通过离散坐标辐射模型，根据某市采暖室外气象参数确定边界条件，模拟分析了窗缝冷风渗透对室内速度场和温度场的影响。结果表明，对于典型的窗体结构，在设定的条件下，冷风渗透使活动区的空气温度降低1.5℃；房间近地面区及近窗侧有吹风感。对外窗气密性能差的房间，冷风渗透不能忽略，但通过对窗缝进行处理，可有效减少冷风渗透对房间热环境的影响。

窗缝冷风渗透热环境数值模拟

0 引言

近些年来，模拟已成为室内热环境的重要研究手段，模拟结果也已成为建筑设计的重要依据。对于室内热环境的模拟研究，大多数学者以忽略冷风渗透作为前提[1～3]，然而很多地区冬季室外平均风速都比较高，导致冷风渗透的风速并不低，尤其是对于高层建筑，冷风渗透风速会更高，对室内热环境产生的干扰会更大。因此，研究自然通风状态下的窗体冷风渗透，对于了解室内温度及风速水平、设计低缝隙窗体及降低冷风渗透对室内热环境的扰动具有重要意义。

1 模型描述

1.1物理模型

如图1所示为长沙市区某地板辐射采暖房间（4m×3m×2.8m），窗朝北向。西、北两墙为外墙，采用190mm厚的蒸压加气混凝土砌块砌筑而成，两侧各抹20mm厚的普通水泥砂浆，整个墙体传热系数为1.65W/(m2·K)。图2为房间北向的普通民用窗体（1.6m×1.6m，离地面0.9m）示意图，考虑本房间窗体两侧、中间及底部的气密性高，几乎不对房间热环境造成影响，因此本文仅考虑窗体顶部有窗缝（红圈位置），并假定缝宽为5mm。房门底部有缝隙（0.9m×0.01m），模拟时以此作为计算域出口。计算中室外空气以一定的速度通过窗缝进入室内。研究内容为渗透冷风射流情况下的室内温度场、速度场。

图1 模拟房间示意图

图2 窗体冷风渗透位置

1.2数学模型

考虑到模拟对象是有冷风渗透的开放性空间，且在Fluent四种辐射模型当中，唯有离散坐标（DO）热辐射模式可以处理不透明和透明的材质，且对光学厚度没有要求，故选用DO模型。计算中，各围护结构内表面的比辐射率[4]见表1。

表1 各围护结构内表面的物性参数及边界条件

因室内流速低，室内空气流动可视为不可压缩流体低湍流问题，采用k-ε双方程湍流模型，控制方程包括连续方程、动量方程、能量方程、辐射方程、湍流脉动动能k方程和湍流能量耗散ε方程。本模型符合Boussinesq假设，即认为只有动量方程中的浮升项密度为变量。求解过程中，选用SIMPLE算法处理压力速度耦合问题。

2 数值模拟

2.1网格划分

室内流场的计算域为4m×3m×2.8m的空间，由于空气进口（窗缝）尺寸及出口（门缝）尺寸相对空间整体尺寸较小，于是采用TGrid程序对整体进行非结构化网格划分。在入口和出口附近流场变化梯度较大的区域进行网格加密处理。此外，为避免巨大的变化梯度对流动造成的影响，对近壁面区域也作了网格加密处理，共生成77 141个节点，391 937个网格。经过对网格进行细化，发现模拟结果没有较大变化，说明模拟结果不依赖网格划分。

2.2边界条件

计算域的边界条件主要有窗缝进风风速、内壁面温度、地板表面温度等，本文均按稳态进行模拟。本文主要探讨窗缝进风对房间热环境的影响，因此没有考虑太阳辐射、家具覆盖对房间热环境的影响。长沙冬季室外主要气象参数见表2。

表2 冬季室外主要气象参数

按规范[5]，本文采暖设计的室内计算温度、地板表面平均温度分别取17℃、28℃。假设围护结构内表面温度分布均匀，根据对流换热公式及牛顿冷却公式，可推出外墙、外窗的内表面温度见表2，模拟时以此作为边界条件的表达方式。

门窗缝隙形成的冷风渗透量在大多数天气状况下为0.3～1次/h换气次数[6]，本文取0.5次/h。推出入口风速为1.5m/s，方向为长沙地区冬季主导风向——北向，即与窗缝隙表面垂直。出口设置为自由出流边界。

3 模拟结果与分析

3.1室内速度场

以Z=1.5m的断面风速分布图（图3）为代表来分析冷风渗透对房间温度场的影响。可以明显看出，无冷风渗透时，室内最大风速为0.18m/s，中间风速比较低，四周相对比较高。而有冷风渗透时，由于冷风入口风速相对较大（1.5m/s），所以在风压的作用下，冷空气开始有小段水平吹入，之后开始下沉并扩散，再加上热压作用，导致冷空气速度逐渐下降。图中表明：房间大部分区域风速小于0.18m/s，但冷风渗透侧离墙0.9m范围内的风速大于0.4m/s，局部区域达到了0.6m/s，使得气流扰动增强，人体会产生吹风感。反之，忽略冷风渗透会忽略掉冷空气对冷风渗透侧一段空间热舒适性的干扰。

图4为距离地面0.1m处的横截面速度场，可见有冷风渗透时的风速分布均匀性比无冷风渗透时差。前者除门所在的内墙与邻外墙相交这个角落的风速比较低外，其余区域风速都大于0.2m/s，尤其是窗所在的外墙与邻内墙相交的这个区域达到了0.5m/s，不符合冬季室内采暖设计的规定；而后者整个区域最高才0.2m/s，满足规范要求。风速不均匀原因是外窗上部有冷风渗透进入，进入之后冷空气下沉，使近地面风速增大，加上空气出口是在窗对面的房门底部，以致内侧的风速比外侧的风速高，最终影响踝关节所在水平面大部分区域的热舒适性。且易导致室内扬尘较多，对卫生不利。

图3 Z=1.5m的速度分布

图4 Y=0.1m的速度分布

因此，对于外窗气密性能差的房间进行相关模拟研究时，冷风渗透不能忽略。对于冷风渗透，可以通过改变窗体的结构以降低气流速度或改变气流流向；若吹风感难以避免，则可通过在窗缝部位设置一些材料作为阻挡，以减少甚至避免冷空气向室内传播。

3.2室内温度场

本次计算考虑了热浮力的影响，从Y轴方向看，两种情形的人体主要活动区（0.1～1.7m）等温面比较大，温度分布均匀，两者温度梯度均在0.6℃/m左右。从图5可以看到，忽视冷风渗透时，活动区温度主要集中在18.5℃～19.5℃之间，考虑冷风渗透时温度主要集中在17.5℃～18.5℃之间，两者相差1℃左右。同时，可观察到靠近冷风渗透侧离墙0.5m范围内温度低于15.5℃，显然不符合居住建筑采暖设计要求的16℃～22℃[5]。原因是考虑冷风渗透时，冷风渗透与室内空气有热对流与热传导。随着冷空气下沉并扩散，热对流与热传导程度逐渐减弱，离进风口位置越远温度越高。

图5 Z=1.5m的温度分布

由于涉及到是否有冷风渗透问题，所以室内温度分布必然存在差异。两种情形的垂直温度分布如图6所示。对比结果表明：两种模型在距离地面0.1～1.7m的活动区内，空气在垂直方向上的温度分布都非常均匀，温度梯度均约为0.6℃/m。在同一高度，冷风渗透房间的温度比无冷风渗透房间低1.5℃左右，这说明，冷风渗透会降低室内垂直方向上的空气温度。

图6 空间温度随高度的变化（中心位置）

4 结语

本文以地板辐射采暖房间为研究对象，运用DO辐射模型模拟分析了窗缝冷风渗透对室内速度场和温度场的影响，得出结论如下：

1）对于窗缝冷风渗透，进风风速为1.5m/s时，近地面区风速高于0.2m/s，局部达到0.5m/s，使人体产生显著的吹风感；室内平均温度比无冷风渗透时低1.5℃。尤其是对于高层建筑，进气风速更高，对室内的热环境影响更显著。

2）对于外窗气密性能差的房间进行模拟研究时，由于室内的温度场、速度场会受到冷风渗透的影响，因此模拟研究时冷风渗透不能忽略。

3）当冷风渗透进入，且未施加有效减速措施时，室内近壁区温度较低速度较大，人员将受到冷风感影响。通过对窗户进行一定的改造或者对窗缝设置风障，可降低冷风渗透产生的吹风感。

[1]蔺洁,陈超.低温辐射供暖地板表面温度与人体热舒适性关系的理论研究[J].暖通空调,2009,(10):137-142

[2]朱宝仁,岳晓敏.散热器采暖室内温度场和速度场的数值模拟[J].建筑热能通风空调,2011,(5):92-94

[3]Mehdi Maerefat,Alireza Zolfaghari.On the conformity of floor heating systems with sleeping in the eastern-style beds;physio logical responses and thermal comfort assessment[J].Building and Environment,2012,47:322-329

[4]葛绍岩,那鸿悦.热辐射性质及其测量[M].北京:科学出版社, 1989

[5]中国建筑科学研究院,重庆大学.夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准(JGJ134-2010)[S].北京:中国建筑工业出版社,2010

[6]清华大学建筑节能研究中心.中国建筑节能年度发展研究报告2013[M].北京:中国建筑工业出版社,2013

The Sim ula tion Re s e a rc h on the Influe nc e of the Air Infiltra tion to the The rm a l Environm e nt in Room

CHEN Gang,ZENG Yu-cheng,CHENG Xin,FAN Jiao,ZHANG Li-guo
School of Urban Construction,University of South China

This article took radiant floor heating room as the research object.Based on the discrete ordinates radiation model and the boundary conditions determined by the outdoor meteorological parameters of a city,modeling was used to research the influence of the air infiltration to the velocity field and temperature field in room.The result shows that for the typical window,the air infiltration make air temperature drop 1.5℃.There is the draught rating near ground layer and window.For the worse air tightness of external window in room,the air infiltration can't be ignored.And after the treatment,the influence of the air infiltration to the thermal environment can be effectively reduced.

window seam,air infiltration,thermal environment,numerical simulation

1003-0344（2014）06-036-4

2013-9-2

陈刚（1968～），男，教授；湖南省衡阳市南华大学城市建设学院（421001）；E-mail:cg9019@163.com