零能耗太陽能住宅優化設計論文

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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26號教學樓旁，北緯39.1°，東經117.2°，海拔5m。運用Airpark2.1模擬軟件模擬參賽建筑室內通風工況，作為建筑設計前期的室內風量預測，優化設計方案。首先建立住宅物理模型和數學模型，然后劃分網格和求解。建筑布局：建筑風格以“徽派民居”為原型，空間布局吸取中國傳統的“庭院”布局，既可作為整個空間布局的視覺中心，又可成為建筑空間的“環境調節區”，同時解決建筑的采光、通風問題。建筑空間布局圍繞中庭南向依次布置餐廳、客廳、書房、臥室，在北向布置衛生間、廚房，成為“溫度阻尼區”。住宅采用木結構體系，墻體采用歐松板和聚苯乙烯復合的SIP結構板。室內家用電器齊全，根據生活需求配置相應的工作任務來考核室內的物理環境控制情況，為住宅的平面圖。

該零能耗住宅建筑面積為74m2。建筑北側衛生間窗戶為1.2m×0.35m，廚房窗戶為1.35m×0.6m；建筑南側書房的有效通風面積為0.8m×0.8m，餐廳窗戶為1.4m×1.2m，所有側窗距地板高度均為0.9m；在中庭上空安裝了3扇1.4m×1m的天窗，天窗距室內地面高度為2.5m。住宅為3口之家使用，室內家電齊全：1臺筆記本電腦、1臺電視、烤箱、電磁爐、冰箱、5盞熒光燈等。數值模擬方法分別對人坐、站立、行走高度的風環境進行模擬，使室內空間具有良好的通風組織。根據零能耗太陽能住宅原型的自然通風特性和內部布局，進行大氣邊界條件的設置并建立室內不同工況的自然通風模型，再選用k-ε兩方程湍流模型進行模擬求解。室外送風口送風風速為5.5m/s，送風溫度為20℃，送風濕度為30%，相對濕度為40%。根據居住設計要求，室內四季恒溫24℃±1℃，并且始終保持40%~55%的濕度，室內空氣懸浮顆粒物、CO2濃度等均有嚴格的指標控制。本課題研究的是住宅室內自然通風，選擇標準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網格劃分

網格的劃分質量決定計算結果的精度和運算時間。網格單元最大X、Y、Z尺寸為該空間相應方向尺寸的1/25，Airpak2.1軟件自動生成模型中各個區域的網格，調整網格的疏密和網格質量，網格數48175，檢查最小網格單元容積，網格質量劃分良好。根據運行求解，迭代次數適中，計算收斂良好。

1.3模擬方法模擬條件

送風風速為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，室內共3人活動。室內冰箱、電腦熱源開啟。室內風壓、熱壓共同作用的自然通風常出現溫度分層，模擬取X=4.8m、Y=2.5m、Z=2.8m處的測試斷面，測點選取離地板高度H=0.8m、H=2m的位置，這些測點能較全面反映該住宅內的溫度場和速度場分布情況。

2模擬結果分析

建筑室內送風口的形式、數量和位置、排（回）風口位置、送風參數（送風溫度、送風口風速）、風口尺寸等均會影響氣流流動模式，通過不同工況的模擬，預測流場來指導設計和探討紊流模型的準確性。由于自然通風氣流運動具有不可控制性，模擬計算均是在特定的通風模式下進行穩態模擬。比較建筑有無天窗對室內溫度場和速度場的影響分布為了驗證設計方案的合理性，運用Airpark2.1模擬軟件對有無天窗2種工況的室內通風情況進行比較，以期將室內的平均溫度控制在熱舒適度范圍內，

3結語

(1)通過簡化室內自然通風模型

應用Airpak2.1軟件對零能耗太陽能住宅原型室內氣流組織進行數值模擬研究，速度矢量圖、PMV云圖可以有效預測室內的風環境，通過對建筑有無天窗、窗戶開啟方式和位置進行設計，從而優化室內氣流組織，提高人體熱舒適性。

(2)自然通風物理模型的模擬結果

表明了室內速度場和溫度場的狀況，模擬結果與室內實驗結果基本一致，基本能滿足居住者的使用要求，為優化室內的自然通風設計提供了理論依據和科學指導。

作者：Alheji Ayman Khaled 郭娟利 管乃彥 劉洪冰 單位： 天津大學建筑學院綠色建筑研究所 天津市建筑物理與生態技術實驗室