小型太阳能新风机在晋北高校宿舍中的应用_刘旺.pdf

可再生能源12节能 ENERGY CONSERVATIONNO.01 2023小型太阳能新风机在晋北高校宿舍中的应用刘旺1 武晔秋2*刘玥2 马艺宸2（1.山西大同大学煤炭工程学院，山西 大同 037009；2.山西大同大学建筑与测绘工程学院，山西 大同 037009）摘要：为了改善高校宿舍室内空气状况，在高校宿舍安装节能低碳的小型太阳能新风机，通过数值模拟法研究宿舍室内气流组织状况。结果显示：与自然通风相比，在适宜的环境气候、合理设计下，安装小型太阳能新风机可以提高室内风速及宿舍室内温度；与自然通风相比，安装小型太阳能新风机时，人体呼吸区舒适度提高，更加稳定。安装小型太阳能新风机能够很好地改善高校宿舍环境，提高室内空气质量。关键词：小型太阳能新风机；气流组织；数值模拟；高校宿舍中图分类号：TU834 文献标识码：A 文章编号：1004-7948（2023）01-0012-05 doi：10.3969/j.issn.1004-7948.2023.01.004Application of small solar fresh air fan in college dormitory in northern ShanxiLIU Wang WU Ye-qiu LIU Yue MA Yi-chenAbstract：In order to improve the indoor air condition of university dormitories,it is proposed to install small solar fresh air fans with energy-saving and low carbon in college dormitories.The indoor air distribution of dormitory is studied by numerical simulation.The result showed that compared with natural ventilation,adding small solar fresh air fan can improve indoor wind speed and indoor temperature of dormitory under the small solar fresh air fan with appropriate environment and climate and reasonable design.Compared with natural ventilation,when installing small solar fresh air fan,the comfort of human breathing area is improved and more stable.The installation of small solar fresh air fan can improve the environment of university dormitory and indoor air quality.Key words:small solar fresh air fan;air distribution;numerical simulation;university dormitory引言室内送风回风状况、换气次数等因素均会影响宿舍室内空气质量。气流组织形式对研究宿舍室内空气质量至关重要。随着病态建筑综合征受到广泛关注，国内外学者对室内环境展开大量研究。Petra1使用跟踪测量方法对通风量进行深入研究。Laussmann2等利用跟踪测量方法测量室内通风量。Khan3等利用两相流模型模拟室内送风口、排风口位置，研究其位置对室内污染物扩散的影响。封志平4等利用CFD模拟学生宿舍的通风状况，并给出最优通风方式。翁锦萍5等实际测量学生宿舍的风速，利用流体模拟软件模拟室内气流组织。高衍新6等研究学校教室通风量不足导致的气体浓度超标等问题。曹永杰7等研究室内空气质量对幼儿园学生出勤率的影响。国内外学者大多在探究改善室内空气质量的手段，对能源利用情况的研究较少。以某校研究生宿舍为例，采用数值模拟方法，记录自然通风和安装小型太阳能新风机时的室内风速、温度状况，分析小型太阳能新风机提高宿舍室内空气质量的效果。1研究背景除去上课时间，学生在寝室度过的时间较长8，与室内空气污染物接触的时间远高于室外。建筑的密闭性程度较高，寝室空间狭窄，提高了学生与污染物的接触概率9。随着节能概念进入建筑行业，在建筑围护结构的传热系数以及窗户的气体密封等级方面均进行了改造，使建筑围护结构的传热系数降至节能标准，增加了窗户的气体密封性等级10。但门窗的气密性加强后，间接降低了室内新风量的补充，可能导致室内污染物聚集，不能被及时排出。北方地区较寒冷，采暖时期，晋北地区宿舍通过开作者简介：刘旺（1998），男，硕士在读，研究方向为太阳能热利用。通信作者：武晔秋（1986），女，博士，副教授，研究方向为太阳能热利用。基金项目：山西省教育厅高等学校科技创新项目（项目编号：2019L0763）收稿日期：2023-06-02引用本文：刘旺，武晔秋，刘玥，等.小型太阳能新风机在晋北高校宿舍中的应用 J.节能，2023，42（1）：12-16.可再生能源13NO.01 2023节能 ENERGY CONSERVATION窗或开门进行室内通风会增加能量损耗。通过数据模拟方法，研究与分析自然通风和机械通风在不增加建筑能耗前提下的效果，安装小型太阳能新风机以满足学生学习和生活空间的室内气流分布。小型太阳能新风机使用太阳能热发电驱动风机，将户外新鲜空气经过滤网送入房间，排风口处排出室内污浊空气，在实现系统热平衡的同时，实现了房间室内与室外的空气置换。工作原理：新风系统由新风换气机及管道附件组成，是一套空气处理系统，通过太阳能光伏发电获得系统电能。室外的空气进入管道，经过滤网过滤，与室内空气进行热质交换，利用感应器检测进入室内的空气质量，判断系统是否开启加湿或烘干功能、是否改变室内空气流进量以及更换滤网，并自动调节系统的工作状况，减少不必要的工作过程和能量消耗，使清洁适宜的空气流入居室，提升室内空气质量。小型太阳能新风机工作原理如图1所示。2Fluent数值模拟2.1数学模型质量守恒总方程为：t+xi()ui=Sm(1)利用能量方程可以计算流固之间的传热问题，能量方程为：t()E+xiui()E+p=xi()keffTxi-jhjJj+uj()ijeff+Sh(2)标准k-模型方程为：DkDt=xi ()+ikkxi+Gk+Gb-YM(3)DDt=xi ()+ikxi+C1k()Gk+C3Gb-C22k(4)2.2物理模型模型以某晋北高校研究生宿舍为依据，长、宽、高分别为4.85 m、3.40 m和3.70 m。宿舍有两个推拉式铝合金窗，距地面1.0 m，尺寸为1.5 m0.8 m；木门尺寸为2.0 m0.7 m，与墙之间的距离为0.5 m。宿舍内有3张桌子、3个床和3个楼梯，尺寸分别为2.0 m0.9 m，距地面高0.6 m；2.0 m0.9 m0.1 m，距地面高1.95 m；每个楼梯4块，尺寸为0.2 m0.2 m0.4 m。运用Ansys软件的Geometry模块中的DM搭建模型。宿舍俯视图如图2所示。将矩形拉高3.7 m，形成宿舍体，打开Geometry模块中的SC边界命名。宿舍三维影像如图3所示。送风口和排风口的位置决定了宿舍室内气流流动模式。文中分别研究自然通风模式和机械通风（小型太阳能新风机）模式下的宿舍气流组织状态。自然通风模式的送风口为窗户，排风口为门上设置的出口。而机械通风模式的送风口位于二窗中间下部，排风口为窗上面的出口。按照室内空气质量标准(GB/T 188832002)，人均所需的最小新风量为30 m3/h。根据通风与空调工程施工规范(GB 507382011)和风量要求，送风口尺寸分别为0.90 m0.15 m、0.40 m0.12 m，排风口尺寸为0.2 m0.3 m。宿舍网格分布情况如图4所示。图1小型太阳能新风机工作原理图4宿舍网格分布情况图2宿舍俯视图图3宿舍三维影像可再生能源14节能 ENERGY CONSERVATIONNO.01 2023以宿舍空间为主要计算区域，为了增强模拟的有效性，采用非机构化网格划分，将区域分成由三角形和四边形构成的混合型状。设置单元尺寸为0.06 m，分割后的网格总量为847 684，节点总量为164 923。宿舍室内环境较复杂，墙壁、床、桌椅等物件均设置为墙壁边界条件；进风口设置为速度入口的边界状态；排风口设置为压力出口边界条件；窗在自然通风模式中设置为速度入口边界条件，在机械通风中设为墙体边界条件。2.3工况选取（1）工况一：自然通风模式。设定门关闭，窗户开启面积比为0.375，尺寸为0.90 m0.15 m，速度入口取0.4 m/s；排风口尺寸为0.2 m0.3 m，压力出口。（2）工况二：机械通风模式（小型太阳能新风机）。设定门、窗关闭，进风口尺寸为0.40 m0.12 m，速度入口取 2.0 m/s，排风口尺寸为 0.2 m0.3 m，压力出口。2.4模拟步骤定义求解器，利用Smooth命令令模型网格光滑，利用Define-General-Solver命令选择压力求解器，速度方程选择绝对速度。操作时考虑重力的影响，模型Y方向的重力加速度为-9.81 m/s2。定义求解模型，包括能量模型和湍流模型。利用Define-Models-Energy命令开启能量方程；利用Define-Models-Viscous命令选择开启k-湍流模型。定义不同工况的边界条件，设定边界的湍流强度和水力直径。边界水力直径为：D=4流通截面积/湿润周边长(5)自然通风模式下，入风口的水力直径为1.3 m，出风口的水力直径为0.24 m；机械通风模式下，入风口的水力直径为0.18 m，出风口的水力直径为0.24 m。求解控制时，利用Solve-Solution Controls命令选择Coupled算法，利用Solve-Initialize命令，以all-zones开始全局初始化。计算求解利用Solve-Run Calculation命令选择迭代次数为500，进行迭代计算，迭代在300步迭代收敛。3模拟结果与分析3.1两种工况下不同高处的速度与温度模拟结果模拟两种工况下宿舍1.2 m、1.6 m高处的速度云图、速度矢量图和温度云图，测定每个参考面的平均风速及温度。（1）工况一模拟结果。工况一时宿舍1.2 m、1.6 m高处速度云图如图5、图6所示。工况一时宿舍 1.2 m、1.6 m 高处速度矢量图如图7、图8所示。工况一时宿舍1.2 m、1.6 m高处温度云图如图9、图10所示。图5工况一时宿舍1.2 m高处速度云图图6工况一时宿舍1.6 m高处速度云图图7工况一时宿舍1.2 m高处速度矢量图图8工况一时宿舍1.6 m高处速度矢量图图9工况一时宿舍1.2 m高处温度云图可再生能源15NO.01 2023节能 ENERGY CONSERVATION由图5图10可知，站姿呼吸区域（1.6 m高处）的平均风速约0.064 74 m/s，平均温度约296.91 K；坐姿呼吸区域（1.2 m高处）的平均风速约0.064 82 m/s，平均温度约296.87 K。（2）工况二模拟结果。工况二时宿舍1.2 m、1.6 m 高处速度云图如图11、图12所示。工况二时宿舍1.2 m、1.6 m高处速度矢量图如图13、图14所示。工况二时宿舍1.2 m、1.6 m高处温度云图如图15、图16所示。由图11图16可知，站姿呼吸区域（1.6 m高处）的平均风速约0.075 72 m/s，平均温度约298.64 K；坐姿呼吸区域（1.2 m高处）的平均风速约0.083 18 m/s，平均温度约298.56 K。3.2模拟结果分析研究自然通风与机械通风工况下的速度定量分析，取自然通风平均风速0.064 m/s作为定量，比较不同工况下不同高度的速度分布情况。自然通风与机械通风速度等高线如图17、图18所示。图11工况二时宿舍1.2 m高处速度云图图10工况一时宿舍1.6 m高处温度云图图17自然通风速度等高线图12工况二时宿舍1.6 m高处速度云图图13工况二时宿舍1.2 m高处速度矢量图图14工况二时宿舍1.6 m高处速度矢量图图16工况二时宿舍1.6 m高处温度云图图15工况二时宿舍1.2 m高处温度云图可再生能源16节能 ENERGY CONSERVATIONNO.01 2023由图17、图18可知，自然通风工况下，风直接吹入工作区，站姿呼吸区与坐姿呼吸区的风速差很大，工作学习区产生了很强的涡流，过道以外的区域空气很难更新。机械通风工况采用下送上回模式，站姿呼吸区与坐姿呼吸区的风速差很小，工作学习区风速均匀，过道以外的区域产生了很强的涡流，空气易于更新。冬天室内适宜温度为1825，夏天室内适宜温度为2328。适宜温度数据集中在23 与25 周围，取室内适宜温度为22.525.5，比较不同工况下不同高度的温度分布情况。自然通风与机械通风温度等高线如图19、图20所示。由图19、图20可知，自然通风工况下，风直接吹入工作区，使站姿呼吸区与坐姿呼吸区的温度很低，不利于学生工作学习。机械通风工况采用下进上出模式，站姿呼吸区与坐姿呼吸区的温度差很小，工作学习区温度均匀，环境适合学生工作学习和休息。自然通风直接吹入工作区，使温度、风速变化较大，产生吹风感。机械通风（小型太阳能新风机）采用置换通风下进上出模式，且考虑重力影响，温度风速变化不大，使室内更加舒适。4结语小型太阳能新风机在晋北地区运用，可以实现超低能耗，节能低碳，适合小型的室内区域安置。通过对晋北高校宿舍气流速度场与温度的数值模拟，针对宿舍这类小型室内区域建筑，得到如下结论：（1）自然通风使室内风速与温度分布不均。与机械通风相比，自然通风的效果不够理想，但能够使室内温度平均降低1.7。采暖期，自然通风模式会使室内热量散失，导致能源浪费。（2）机械通风（小型太阳能新风机）模式下的室内风速和温度分布相对均匀，使学生在宿舍生活和学习更加舒适，可以通过太阳能新风装置调节宿舍室内风速、风量和温度，运行灵活稳定。（3）自然通风条件下，室内外温差较小时，受温差影响的风速降低，对宿舍室内空气净化效果降低。（4）与传统机械通风相比，小型太阳能新风机更节能低碳，优于传统机械通风。机械通风模式的通风效果优于自然通风模式，小型太阳能新风机可以在节能低能耗的基础上，很好地改善高校宿舍中的室内空气质量。参考文献1 Petra S.Experimental evaluation of ventilation in dwellings by tracer gas CO2D.Prague：Czech Technical University，2011.2 Laussmann D，Helm D.Air change measurements using tracer gases：Methods and results.Significance of air change for indoor air qualityM.INTECH Open Access Publisher，2011.3 Khan J A，Feigley C E，Lee E，et al.Effects of inlet 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