零能耗太阳能住宅优化设计论文

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1模拟方法

1.1研究对象

该零能耗太阳能住宅位于天津市天津大学26号教学楼旁，北纬39.1°，东经117.2°，海拔5m。运用Airpark2.1模拟软件模拟参赛建筑室内通风工况，作为建筑设计前期的室内风量预测，优化设计方案。首先建立住宅物理模型和数学模型，然后划分网格和求解。建筑布局：建筑风格以“徽派民居”为原型，空间布局吸取中国传统的“庭院”布局，既可作为整个空间布局的视觉中心，又可成为建筑空间的“环境调节区”，同时解决建筑的采光、通风问题。建筑空间布局围绕中庭南向依次布置餐厅、客厅、书房、卧室，在北向布置卫生间、厨房，成为“温度阻尼区”。住宅采用木结构体系，墙体采用欧松板和聚苯乙烯复合的SIP结构板。室内家用电器齐全，根据生活需求配置相应的工作任务来考核室内的物理环境控制情况，为住宅的平面图。

该零能耗住宅建筑面积为74m2。建筑北侧卫生间窗户为1.2m×0.35m，厨房窗户为1.35m×0.6m；建筑南侧书房的有效通风面积为0.8m×0.8m，餐厅窗户为1.4m×1.2m，所有侧窗距地板高度均为0.9m；在中庭上空安装了3扇1.4m×1m的天窗，天窗距室内地面高度为2.5m。住宅为3口之家使用，室内家电齐全：1台笔记本电脑、1台电视、烤箱、电磁炉、冰箱、5盏荧光灯等。数值模拟方法分别对人坐、站立、行走高度的风环境进行模拟，使室内空间具有良好的通风组织。根据零能耗太阳能住宅原型的自然通风特性和内部布局，进行大气边界条件的设置并建立室内不同工况的自然通风模型，再选用k-ε两方程湍流模型进行模拟求解。室外送风口送风风速为5.5m/s，送风温度为20℃，送风湿度为30%，相对湿度为40%。根据居住设计要求，室内四季恒温24℃±1℃，并且始终保持40%~55%的湿度，室内空气悬浮颗粒物、CO2浓度等均有严格的指标控制。本课题研究的是住宅室内自然通风，选择标准k-ε湍流模型。动量松弛因子和压力松弛因子取值分别为0.7和0.3。

1.2网格划分

网格的划分质量决定计算结果的精度和运算时间。网格单元最大X、Y、Z尺寸为该空间相应方向尺寸的1/25，Airpak2.1软件自动生成模型中各个区域的网格，调整网格的疏密和网格质量，网格数48175，检查最小网格单元容积，网格质量划分良好。根据运行求解，迭代次数适中，计算收敛良好。

1.3模拟方法模拟条件

送风风速为5.5m/s，室外空气温度为30℃，笔记本电脑开启，1人坐在电脑桌前，室内共3人活动。室内冰箱、电脑热源开启。室内风压、热压共同作用的自然通风常出现温度分层，模拟取X=4.8m、Y=2.5m、Z=2.8m处的测试断面，测点选取离地板高度H=0.8m、H=2m的位置，这些测点能较全面反映该住宅内的温度场和速度场分布情况。

2模拟结果分析

建筑室内送风口的形式、数量和位置、排（回）风口位置、送风参数（送风温度、送风口风速）、风口尺寸等均会影响气流流动模式，通过不同工况的模拟，预测流场来指导设计和探讨紊流模型的准确性。由于自然通风气流运动具有不可控制性，模拟计算均是在特定的通风模式下进行稳态模拟。比较建筑有无天窗对室内温度场和速度场的影响分布为了验证设计方案的合理性，运用Airpark2.1模拟软件对有无天窗2种工况的室内通风情况进行比较，以期将室内的平均温度控制在热舒适度范围内，

3结语

(1)通过简化室内自然通风模型

应用Airpak2.1软件对零能耗太阳能住宅原型室内气流组织进行数值模拟研究，速度矢量图、PMV云图可以有效预测室内的风环境，通过对建筑有无天窗、窗户开启方式和位置进行设计，从而优化室内气流组织，提高人体热舒适性。

(2)自然通风物理模型的模拟结果

表明了室内速度场和温度场的状况，模拟结果与室内实验结果基本一致，基本能满足居住者的使用要求，为优化室内的自然通风设计提供了理论依据和科学指导。

作者：Alheji Ayman Khaled 郭娟利 管乃彦 刘洪冰 单位： 天津大学建筑学院绿色建筑研究所 天津市建筑物理与生态技术实验室