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1、从本学科出发，应着重选对国民经济具有一定实用价值和理论意义的课题。课题具有先进性，便于研究生提出新见解，特别是博士生必须有创新性的成果某双层玻璃幕墙建筑自然通风的数值模拟研究 黄艳 刘东 杨建坤 张恩泽 摘要： 根据双层玻璃幕墙建筑的特殊热环境，提出过渡季节采用 自然 通风的方式，确定了建筑围护结构的开口方式和开口大小，使各楼层的空气温度都在热舒适范围内； 应用 CFD数值模拟 方法 对各楼层房间的三维温度场，速度场进行了模拟， 研究 结果表明，利用自然通风能够有效地改善室内热环境，较好地满足人体热舒适的要求。 关键词： 自然通风 数值模拟 中庭编辑。 1. 引言 空调的应用为人们创造了舒适的
2、室内环境，但也带来了一些 问题 ；首先，空调建筑的密闭性较好，当新风量不足时，室内空气品质恶化会导致病态建筑综合症；其次，大量的空调器加剧了城市热岛效应，造成室外空气热环境恶化；再次，空调器的普及使建筑能耗有较大的增长趋势。 因此随着可持续 发展 战略的提出，同时发展生态建筑也是大势所趋，自然通风这项古老的技术重新得到了重视。合理利用自然通风能取代或部分取代传统制冷空调系统，不仅能不消耗不可再生能源实现有效被动式制冷，改善室内热环境；而且能提供新鲜、清洁的自然空气，改善室内空气品质，有利于人的身体健康，满足人们心理上亲近自然，回归自然的需求。采用双层玻璃幕墙可以进行有效的自然通风。 双层玻璃幕
3、墙又称动态幕墙，两层玻璃之间的距离为20mm500mm，利用“烟囱、热流道”效应，气流在两层玻璃幕墙中间由下向上循环，带走外面一层玻璃幕墙太阳辐射的能量，达到隔热、保温、节能、环保的功效。按照不同的通风原理双层玻璃幕墙可分为：整体式、廊道式、通道式和箱体式。双层玻璃幕墙具有多项功能：减少风及恶劣气候的 影响 、提高隔音能力、充分利用太阳能、使用自然通风使空调使用率降至最低。本文主要研究其自然通风的功能及效果。 . 研究对象及技术路线 .1 研究对象 本文中研究对象为采用双层玻璃幕墙带中庭的办公建筑，共6层，外形结构见图1，幕墙结构见图2： 图1 建筑外形图 图廊道式双层幕墙局部放大图 该幕墙为
4、廊道式双层幕墙，每层设置通风道，层间水平有分隔，无垂直换气通道，自然通风的路径为： 这类建筑室内环境易受太阳辐射影响，同时其空间高度高，上下温差大，这对预测带来很大困难，随着 计算 机及流体力学的发展，三维CFD模拟技术得到广泛应用，它即可以满足大型建筑多空间多开口的自然通风设计要求，又能精确预测各设计室内的空气速度场和温度分布，因此本文在满足顶层室内热环境的基础上设计了屋顶排风天窗面积，并在此基础上利用CFD对该建筑的局部房间室内热环境进行了数值模拟。 .技术路线 自然通风一般采用风压或者热压，中庭建筑的“烟囱效应”就是利用建筑内部的热压作用，由于室外风速和风向是经常变化的，因而风压作用不是
5、一个可靠的稳定因素，所以本文进行模拟计算时进行了简化，仅考虑热压下的自然通风。 热压通风，是利用建筑内部由于空气密度不同，热空气趋于上升，而冷空气趋向下降的特点。热压作用与进风口和出风口的高度差，以及室内外空气温度差存在着密切的关系：高度差愈大，温度差愈大，则热压通风的效果愈明显。因而大楼各楼层的进风量随楼层高度的增加而减小，基于这种情况考虑，在满足6楼室内热环境的要求下，设计屋顶侧窗面积。基本技术路线见图3： 图3基本技术路线 . 房间的计算数学模型 .1 物理模型 (b) (c) 图计算物理模型 a: 一个通风口 b: 两个通风口 c: 整条通风口 如图房间长，宽，高；房间内发热量包括人员
6、、灯光及设备， 图中3个长方体代表房间的人员及设备，顶部设9盏灯；图形左下角为三个双层玻璃幕墙进风口，均为1400mm300mm, 房间右上侧为通风口，通风口面积见表1。 .基本参数计算 . 计算室外气温为20时，6楼达到热舒适性要求的最低进口风速 式中： 楼的室内发热量，W; 空气比热， =1010J/kg.; 室外空气的密度，温度为20， kg/m ; 通风气流的温度差,; 楼的进风口面积, m . 计算得到 m/s .2.计算中和面的高度 根据 式中： 进风窗口的流量系数; 室内外空气的密度差,kg/m ; 顶层进风口的中心高度,m; 中和面的高度,m. 计算得到 m 根据中和面高度计算
7、各楼层进风速度，并根据回风口风速范围 3 计算房间通风口面积,计算结果如表1所示： 表1 各楼层进风速度及房间通风口面积 楼层 2楼 3楼 4楼 5楼 6楼 进风速度(m/s) 房间通风口面积 (mmmm) 1000400 800400 800400 800400 800250 注：1楼为开放式大堂 .控制方程 模拟房间内的气流属于非稳态的三维不可压缩紊流流动，因此在计算中采用当前在计算房间气流时最常用的 模型。模型所遵守的偏微分方程的向量表示如下： 连续性方程： 动量方程： 紊流能量传递方程： 紊流能量耗散方程： 能量方程： 上式列表中， ；i=1,2,3；j=1,2,3； 为速度， 为密度
8、， 为分子粘性系数， 为紊动能， 为紊动能耗散率。 模型中的经验常数可按表2取。 表 模型中的经验常数取值 4. 模拟 计算 及结果 室外气象参数及室内负荷大小直接 影响 房间的室内热环境，由于大楼顶层的 自然 通风量最小，室内热环境最恶劣，因此以顶层房间为 研究 对象，研究 内容 如下： 不同大小的室内通风口，房间的温度场和速度场分布 不同室外温度，不同室内发热量，6楼的温度场分布 .1 不同大小的室内通风口，房间的温度场及速度场分布 计算工况：室外温度为20，室内发热量为50W/m ；比较房间设置一个800mm250mm通风口，两个800mm250mm通风口，及一个8400mm250mm通
9、风口的室内温度场和速度场 (1) 一个通风口：z=处的温度场和速度场 图5a z=剖面温度场示意图 单位：K 图5b z=剖面速度场示意图 单位：m/s (2)两个通风口：z=处的温度场和速度场 图6a z=剖面温度场示意图 单位：K 图6b z=剖面速度场示意图 单位：m/s (3) 整条通风口：z=处的温度场和速度场 图7a z=剖面温度场示意图 单位：K 图7b z=剖面速度场示意图 单位：m/s 温度场 分析 ：由于进风口偏左，房间左端温度较右端低; 房间沿气流流动方向温度逐渐增高； 比较图5a,6a,7a可以看出房间设置两个通风口室内热环境明显优于设置一个通风口，而设长条风口的优势并
10、不明显。 速度场分析：比较图5b,6b,7b,可以看出设置一个通风口，工作区流场比较平缓，在近热源及出风口局部有漩涡；而设置两个通风口及整条通风口的房间，在近内部热源处气流扰动比较大，房间气流形成了两个大涡流区，涡流流线呈闭合状。气流速度除了热源和风口处较高以外，在人员工作区的大部分地区，风速基本保持在/s以内满足房间舒适区要求。 模拟计算得到不同出风口的室内温度分布范围见表3 表不同出风口形式下的室内温度分布 室外温度 出风口形式 温度范围 平均温度 20 单个 两个 整条 .室外温度变化时,不同负荷下6楼的温度场分布 表计算工况 计算工况 室外温度() 室内发热量 目的 备注 Case1
11、20 50 计算不同室温变化时，不同室内发热量下房间的温度场，得到不同室内发热量下可采用自然通风的室外温度范围 取定房间舒适性温度范围为：1626 Case2 22 40，50 Case3 23 40，50 Case4 24 30，20 Case5 25 20，10 Case1: 室外温度t=20 ,室内发热量为50W/m 时，房间的温度分布 图z=处的温度分布(t=20 q=50W/m ) 单位：K case2: 室外温度 t=22，室内发热量为40,50W/m 时的温度分布 图z=处的温度分布(t=22 q=50W/m ) 单位:K 图10 z=处的温度分布(t=20 q=40W/m )
12、单位:K Case3: 室外温度t=23 ,室内发热量为40,50W/m 时，房间的温度分布 图11 z=处的温度分布(t=23 q=50W/m )单位:K 图1z=处的温度分布(t=23 q=40W/m )单位:K Case4: 室外温度t=24 ,室内发热量为20,30W/m 时，房间的温度分布 图1z=处的温度分布(t=24 q=30W/m )单位:K 图1z=处的温度分布(t=24 q=20W/m )单位:K Case5: 室外温度t=25 ,室内发热量为20,10W/m 时，房间的温度分布 图1z=处的温度分布(t=25 q=20W/m )单位: K 图1z=处的温度分布(t=25
13、q=10W/m )单位:K 根据模拟结果可以看到，当室内平均发热量在10W/m 50 W/m 之间变化时，大楼适用自然通风的室外温度也会随着变化，其适用情况如下表所示： 表不同室内发热量条件下大楼适用自然通风的室外温度范围 室内发热量(W/m ) 10 20 30 40 50 适用室外温度范围() 1625 1624 1624 1623 1622 . 结论 通过以上的模拟工作，我们可以得出以下结论： .1 在相同的室内发热量及室外温度下，房间的通风口面积越大，自然通风效果越好，但是增加到一定值，改善效果便不明显，因此设计时要确定合理的通风口面积。 . 完全依靠自然通风的效果取决于室内发热量及室外温度
