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1、通风工程通风工程通风工程通风工程同济大学同济大学 机械工程学院机械工程学院暖通空调及燃气研究所暖通空调及燃气研究所2013年年第七章第七章自然通风的设计计算自然通风的设计计算1课程提纲课程提纲自然通风的背景知识自然通风的基本原理自然通风的CFD设计方法自然通风的区域网络设计方法2第一节第一节自然通风的背景知识自然通风的背景知识3一、基本概念自然通风定义什么是自然通风? 利用自然的手段(风压、热压等)将室外空气不经过空调处理就引入室内以达到维持室内空气舒适性的方法目的 带走热湿量（保持室内热舒适性） 带入新风 (保持室内空气品质）4 优点 无能耗 建筑能耗占总能耗30 空气品质好 机械通风空调：
2、“病态建筑” 缺点 难控制 有时风量不足 解决办法：自然通风和机械通风相结合，机械辅助自然通风一、基本概念 自然通风的特点5一、基本概念自然通风的舒适性6一、基本概念 中央空调建筑的用户对温度偏差比自然通风建筑敏感中央空调建筑的用户对温度偏差比自然通风建筑敏感 中央空调建筑用户对温度恒定的要求更高，当温度发生中央空调建筑用户对温度恒定的要求更高，当温度发生偏差时就会不满偏差时就会不满 自然通风建筑表现出了更广温度范围内的适应力自然通风建筑表现出了更广温度范围内的适应力7一、基本概念自然通风的基本形式风压作用自然通风热压作用自然通风风压、热压联合作用自然通风roomroomroomroomroo
3、mroomshaft依靠屋顶风机进行的自然进风机械排风 8一、基本概念自然通风的基本形式9一、基本概念 自然通风的存在的问题 湿度控制湿度控制 噪声控制噪声控制 ( (开窗时减少开窗时减少10dB10dB相当于关窗时减少相当于关窗时减少30dB)30dB) 空气质量空气质量 空调负荷空调负荷 安全性安全性 下雨下雨10二、几种典型的自然通风形式风压自然通风新卡里多尼亚Tjibaou文化中心全景新卡里多尼亚气候炎热，常年多风；文化中心10个棚屋组成，最高28m,造型是经过多次CFD模拟分析和风洞实验后确定的11二、几种典型的自然通风形式风压通风原理棚屋背面指向主导风向棚屋背面为正压区，下风处为负
4、压区压差产生空气流动针对不同风速（从微风到飓风），调节百叶开合及方向，控制室内流动12二、几种典型的自然通风形式热压自然通风Costozza别墅由6座别墅组成，建立在山坡上，通过热压拔风原理，利用地下洞穴作为天热冷源，获得很好的制冷效果13二、几种典型的自然通风形式热压通风在室内热压的作用下热空气上升，洞穴中12度的风通过的地板上的通气孔进入室内14二、几种典型的自然通风形式热压和风压结合通风英国蒙特福德大学机械馆机械馆一般为矩形平面，进深大，双面走廊，两侧为实验室和办公室，人工产热多，一般需要采用大规模空调系统15二、几种典型的自然通风形式充分利用烟囱效应进行通风诺丁汉国内税务中心建筑呈院落
5、式布局，周边风速较小，不能很好满足风压通风的需求，考虑加强热压通风16二、几种典型的自然通风形式热压和风压结合通风办公室、实验室报告厅、大厅位于分支部分的办公室、实验室进深小，采用风压通风位于中央部分的报告厅、大厅采用“烟囱效应”进行热压通风17二、几种典型的自然通风形式充分利用烟囱效应进行通风采用顶帽可以升降的圆柱形玻璃通风塔，作为建筑的入口和楼梯间，最大吸收太阳能量，提高塔内温度，加强烟囱效应；冬季顶帽降下以封闭排气口，形成玻璃暖房，节省采暖能耗18二、几种典型的自然通风形式超高层建筑的自然通风法兰克福商业银行60层高的塔楼中庭全球首座生态型高层塔楼针对60层高的塔楼中庭的自然通风状况进行
6、计算机模拟和风洞实验，防止内部风速过大，产生无法忍受的紊流19二、几种典型的自然通风形式超高层建筑的自然通风经过模拟分析，将每12层作为一个单元分隔，利用热压进行自然通风，各个单元通过透明玻璃相分隔，以避免风压和热压过强产生紊流20OSAKA 市 立 体 育 馆机械辅助自然通风21 OSAKA 市 立 体 育 馆 22OSAKA 市 立 体 育 馆 自 然 通 风 的 通 道23空调、机械通风与自然通风的运行情况自 然 通 风机 械 通 风空 调OSAKA 市 立 体 育 馆24座椅送风OSAKA 市 立 体 育 馆25三、建筑通风的应用合理的建筑布局梳式布局通风冷巷26三、建筑通风的应用合理
7、的建筑布局密集布局通风27三、建筑通风的应用天井通风28三、建筑通风的应用建筑细部构件通风檐下风口通风屋脊29三、建筑通风的应用竹楼竹楼架空利于通风30三、建筑通风的应用明治大学自由大楼的自然通风方式自然通风的局部构件自然通风窗的结构31品川Inter City外窗的自然通风装置32高层建筑自然通风布局实例松下电器情报中心大厦33日本钢铁北九州支部大楼34第二节第二节自然通风的基本原理自然通风的基本原理35一、自然通风的理论机理 分类按照机理可分为：扩散、热压和风压同时存在，相互作用热压作用风压作用热压作用风压作用361.1.热压热压建筑不同高度（高差h）上有窗孔a、b设：tntw,则：wn由
8、水静力学公式得：b窗内外的作用压差（规定以室内向室外流动为正）即热压热压的定义：由室内外空气温差在不同高度通风口间造成的空气流动作用压头372.2.余压余压余压余压注意：热压和余压的区别 热压两窗孔之间的压差， Pb- Pa 在仅有热压作用时，窗孔内外的压差即等于该水平面的余压 Pxa=Pa， Pxb=Pb定义：用 Px 表示 室内某一点的压力与室外同标高未受干扰的空气压力的差值38由热压推导过程得出的可知仅有热压作用时，窗孔内外的压差（即余压）是随高度 h 成线性增加的室内向室外流动为正由于 a 窗进风，所以 Pxa 0在某一高度上，有 Pxh = 0中和面定义：余压为零的水平面中和面以上的
9、窗孔排风，距中和面越远，余压绝对值越大（+）中和面以下的窗孔进风，距中和面越远，余压值绝对越大（-）393.3.风压风压风压风压定义： 风受到建筑干扰后产生的静压变化计算式：K空气动力系数，实验确定仅有风压作用时，K值大的窗孔进风40风洞模型实验风洞模型实验41424.4.风压热压同时作用时的孔口内外压差风压热压同时作用时的孔口内外压差风压热压同时作用时的孔口内外压差风压热压同时作用时的孔口内外压差1）窗孔内外的压差Px指仅有热压作用时的余压值2）由于风压的不稳定性，实际工程设计时，仅考虑热压作用3）防止风压的负作用、利用风压作为安全因素 建筑表面正压力与余压正方向相反434.4.风压热压同时
10、作用时的孔口内外压差风压热压同时作用时的孔口内外压差风压热压同时作用时的孔口内外压差风压热压同时作用时的孔口内外压差风压和热压共同作用，有时互相加强，有时相互抵消两者相互作用下的通风机理还待研究，目前将两者的相互作用简单考虑为线性叠加一般来说建筑进深小的部位多利用风压直接通风，进深大的部位利用热压通风44二、自然通风计算二、自然通风计算主要针对消除余热的应用情况计算分类：设计计算：由所需通风量确定窗孔面积与位置校核计算：由已有窗孔校核实际通风量简化条件：1）过程稳定2）室内空气温度为平均温度3）室内压力分布符合水静力学法则4）其他因素忽略451.1.车间排风温度计算车间排风温度计算车间排风温度
11、计算车间排风温度计算tw、tn是已知的，但tp未知 求解方法：1）温度梯度法，取值见P193，表7-12）有效热量系数法有效热量系数 m 的定义：室内总余热量中直接进入工作区的热量比例有效热量-温度梯度，/mh-排风天窗距地面高度设计计算步骤设计计算步骤设计计算步骤设计计算步骤46QmQ（1-m）Qtwtntp从全室的热平衡分析：从工作区热平衡分析：两式联立，有：通过实验数据确定 m 值设计计算步骤设计计算步骤设计计算步骤设计计算步骤472. 确定窗孔位置可以先假设中和面位置h2h1定性分析：简化计算，若：则有：离中和面越远，余压越大，同样的通风量要求的窗孔面积越小中和面位置要适当）确定窗孔面
12、积设计计算步骤设计计算步骤设计计算步骤设计计算步骤48例例2010某厂房利用热压进行自然通风，进风口面积Fj=30m2，排风口面积Fp=20m2，近排风口中心的高度差H=13m，设近排风口的流量系数相同，且近似认为w=p，则厂房内部空间中余压值为0的界面与进风口中心的距离hj为下列哪一项？49例例2010某厂房利用热压进行自然通风，厂房高度H=12m，排风天窗中心距地面高度h=10m，天窗的局部阻力系数=4。已知，厂房内散热均匀，散热量为100w/m3，厂房工作区的温度tn=25，当天窗的空气平均流速为v=1.1m/s时，天窗窗口压力损失为多少？p=1.2*293/(293+tp)50例例20
13、07某车间侧窗进风温度tw=31，车间工作区温度tn=35，散热有效系数m=0.4，侧窗进风口面积Fj=50m2，天窗排风口面积Fp=36m2，天窗和侧窗流量系数p=j=0.6，高度h为10m，该车间自然通风量为多少？=1.2*293/(293+t)51第三节第三节自然通风的自然通风的CFD设计方法设计方法52一、CFD基本介绍 建筑通风中的CFD建筑周边的空气流动及温度分布建筑表面的风压系数建筑内部空间的空气流动及温度分布5354一、CFD基本介绍 为何采用CFD模拟模型实验： 可靠，直观 周期长，价格昂贵CFD模拟： 周期短，成本低，资料完备 技术性强，不确定55一、CFD基本介绍 CFD
14、: Computational Fluid DynamicsComputational Fluid Dynamics实物模型模拟结果划分网格简化离散解数理模型方程指导56一、CFD基本介绍 CFD的发展1933年首次出现英国人Thom首次数值求解了二维粘性流体偏微分方程，计算流体力学诞生（CFD：Computational Fluid Dynamics)诞生1974 年首次应用于建筑环境领域丹麦，P.V. Nilsen1986年,Waters利用CFD方法对许多建筑物如前庭、机场候机厅等的速度分布和温度梯度进行模拟计算，这是大规模实际工程应用的首次介绍此后，CFD技术在建筑空调通风领域得到广泛
15、应用 流体动力学，数值计算，计算机图形学技术的综合57一、CFD基本介绍 如何验证模拟结果?采用公认的经过验证的计算模型和程序用经典的实验和实测的数据验证模型对不同类型的流动均进行验证流线模型58一、CFD基本介绍 CFD应用广泛汽车航空航天船舶动力机械59一、CFD基本介绍 CFD在暖通空调中的应用 1 1、室内气流组织评价室内送风速度场和温度场大厅模型60一、CFD基本介绍 CFD在暖通空调中的应用 2 2、室内IAQ(indoor air quality)评价61一、CFD基本介绍 CFD在暖通空调中的应用 3 3、室外微气候分析计算区域平面图计算区域实景623131.231.429.8
16、30.230.430313130.830.230.430.630.430.431.230.830.8一、CFD基本介绍 CFD在暖通空调中的应用 3 3、室外微气候分析模拟结果速度场模拟结果温度场63一、CFD基本介绍 CFD在暖通空调中的应用 4 4、建筑设备设计和性能分析温度场冷却塔模型速度场64一、CFD基本介绍 商用CFD软件FLUENTPHOENICSCFXSTAR-CD65一、CFD基本介绍优点优点不用已知阻力系数，可直接描述结构能处理各种复杂的情况，如隔断、开口、内热源等能考虑建筑小区中各建筑间的相互影响66一、CFD基本介绍局限：将研究对象网格化，计算工作量大，对太复杂的结构或
17、数量较多的建筑，目前的计算机还难于处理67二、计算实例 1、室内模拟-体育馆内气流组织模拟 室内网球场：座椅下送风，外墙回风，顶部排风空调设计参数：室外计算参数 Tw32 Twb28.1 Iw95.8KJKg室内计算参数 Tn26 n60% In59KJKg送风参数 Ts20 s82.5% Is52KJKg 回风口送风口68二、计算实例 1、体育馆内气流组织模拟 利用贴体坐标系建立体育馆的三维模型 回风口排风口座椅下送风口69二、计算实例 1、体育馆内气流组织模拟 网格划分 70二、计算实例 1、体育馆内气流组织模拟 模拟结果 71二、计算实例 2、建筑外表面风压模拟分析体育馆外风环境 体育馆
18、外形 72二、计算实例2、建筑外表面风压模拟分析体育馆外风环境 体育馆CAD模型和梯度风 从CAD引入的模型梯度风73二、计算实例 2、建筑外表面风压模拟分析体育馆外风环境 模拟结果（PHONICS） 速度矢量图梯度风74二、计算实例3、建筑外表面风压模拟分析体育馆外风环境 模拟结果（PHONICS） 压力等高图75二、计算实例4、小区单体自然通风分析（华南理工大学建筑系） 考虑建筑单体各种典型户型的夜间自然通风状况。由于住户在进入房间后通常情况都是将大门完全关闭，难于形成热压引起的自然通风，所以只分析风压作用下的稳态自然通风 小区模型图76二、计算实例 4、小区单体自然通风分析（华南理工大学
19、建筑系） 换气次数的计算方法： n=开口平均风速x开口面积/（此户型建筑面积x净高）对于各种户型的住宅单户来说，通风换气效率指的是在一定的建筑结构条件下，通过自然通风作用，从建筑室内带走热量、提高空气品质的能力，其与以下因素有关： 通风换气次数； 通风换气路径； 通风换气空气滞留时间，这个因素可以用平均空气年龄来评价。总之，通风换气效率不能仅仅依靠通风换气次数的大小来判断其优劣，而是应该综合考虑。 77二、计算实例 4、小区单体自然通风分析（华南理工大学建筑系） 首先考虑住宅小区内建筑物的布局、高度、架空情况、主导风向、小区周边建筑环境等因素的影响 ，模拟计算小区中的风环境78二、计算实例 4
20、、小区单体自然通风分析（华南理工大学建筑系） 以单体建筑外部主导平均风速为边界条件，计算单体室内风场79二、计算实例 4、小区单体自然通风分析（华南理工大学建筑系） 由模拟结果可知，户型06由于处于背风面的旋涡区，靠负压从卫生间和厨房进风，当卫生间和厨房使用时，若关闭其门或窗，其他房间的就成为单向面通风，其通风效果很差 80二、计算实例 5、住宅小区通风状况模拟 奥运村 81二、计算实例 5、住宅小区通风状况模拟 奥运村压力分布82二、计算实例 5、住宅小区通风状况模拟 奥运村夏季1.5m高处压力分布（判断是否满足：75%以上区域前后压差不小于1.5 Pa)83二、计算实例 5、住宅小区通风状
21、况模拟 奥运村冬季1.5m高处压力分布（冬季保证建筑物前后压差不大于5Pa）84二、计算实例 5、住宅小区通风状况模拟 奥运村冬季1.5m高处速度分布（风速小于风速小于5m/s）85二、计算实例 6、建筑周边污染物的扩散问题分析街区形状对污染物扩散的影响 86二、计算实例 6、建筑周边污染物的扩散问题分析n n n n nAnAnnAnAnnMAXn：n0.134nMAXn：n0.173n0.02n0.04n0.06n0.06n0.06n0.02n n 5m高度下空间平均：0.0355m高度下空间平均：0.008水平面浓度分布水平面浓度分布 水平面浓度分布水平面浓度分布竖直面浓度分布竖直面浓度
22、分布 竖直面浓度分布竖直面浓度分布87第四节第四节自然通风的区域网络设计方法自然通风的区域网络设计方法88一、网络计算方法的原理原理：假设空气混合均匀，各支路中的空气流动是单向的，应用伯努力方程计算各个时刻各支路中的空气流量. p+gz+(1/2)*v2=C特点：适合计算多房间多开口空气流场的计算89一、网络计算方法的原理物理模型的简化将建筑内的各个部分与室外大气之间简化成一个网络，这种网络与电网、水网类似，由节点和支路组成具体处理如下：一个房间可以当成一个内节点门窗可以当成一条支路，走廊可以当成一个节点或支路房间与房间之间的开口可以当成支路建筑外部开口处设为外节点90一、网络计算方法的原理建
23、筑结构平面图建筑结构平面图外节点内节点网络图网络图91二、网络计算方法网络方法有关定律网络方法有关定律基尔霍夫电流定律对任何集中参数（与位置无关）网络，所有流入或流出任一节点的电流的代数和为零。 92二、网络计算方法网络方法有关定律网络方法有关定律基尔霍夫电压定律对任何集中参数网络中的任何回路，其电压降的代数和为零。93二、网络计算方法通风网络数学模型N1个节点，B条支路：根据基尔霍夫定律：关系矩阵A的秩等于N基本回路矩阵Bf的秩等于BN2B个未知变量：B个Gj，B个Pj 无法求解无法求解！94二、网络计算方法通风网络数学模型补充流体力学方程, 对于B个回路：阻力损失：SiGi2风压： Pw热
24、压： Ps95二、网络计算方法通风网络数学模型方程组： N个方程； BN个方程； B个方程；2B个未知变量，2B个方程，方程组封闭。 可以求解可以求解！96二、网络计算方法通风网络的计算阻力损失管道内的流动：流速： 代入上述方程： 其中： 97二、网络计算方法通风网络的计算风压：98二、网络计算方法通风网络的计算建筑物表面压力场：99二、网络计算方法通风网络的计算风压计算：为简化风压的计算，提出风压系数的概念，用以描述建筑周围的风压分布Cp：风压系数UH：H高度处的室外风速m/s100二、网络计算方法通风网络的计算H高度处的室外风速UH：可由地区气象站记录风速Umet计算得出：底层厚度101二
25、、网络计算方法通风网络的计算风压系数计算方法 风洞实验 CFD数值模拟 根据实验结果估算表面Cp平均值最具有通用性最具有通用性最易于程序实现最易于程序实现102二、网络计算方法通风网络的计算风压系数：试验方法：103二、网络计算方法通风网络的计算风压系数：简单形状建筑表面Cp分布ASHRAE Fundamentals Handbook : Local Pressure Coefficients (Cp 100)104A 2:1:1 shape building modelB 4:4:1 shape building modelE Building complex in actual urban
26、 area (Niigata新潟新潟)C Building blocksF Building complex in actual urban area (Shinjuku)D Building blocksBenchmark Test Cases105二、网络计算方法通风网络的计算风压系数：数值模拟方法：106计算实例典型多层住宅风压模拟计算思路 建筑图建筑各个立面压力分布图CFDPhoenics模拟计算建筑自然通风量网络法CONTAM软件计算建筑能耗和基础室温建筑热模拟DeST计算107计算实例典型多层住宅风压模拟 板式住宅板式住宅梯形住宅梯形住宅42m 12mN19m19m108计算实例典
27、型多层住宅风压模拟平均风速1.9m/s，风向：东南 109计算实例典型多层住宅风压模拟平均风速1.9m/s，风向：东南 110计算实例典型多层住宅风压模拟平均通风量计算 平均通风量：板式住宅：23.2次/h梯形住宅：15.8次/h111计算实例典型多层住宅风压模拟平均通风量计算 平均通风量：凹形住宅：13.4次/h三角形住宅：19.7次/h112计算实例典型多层住宅风压模拟平均通风量计算 113二、网络计算方法通风网络的计算热压：由室内外空气之间的密度差产生。双开口问题： h114二、网络计算方法通风网络的计算热压：多开口问题PinsidePoutsideABSOLUTE PRESSUREHI
28、GHTPressure difference115二、网络计算方法通风网络的计算热压网络计算：支路i的热压差： ：支路i的空气密度 ：支路i的空气温度 ：支路I两端节点的高度差116二、网络计算方法通风网络的计算某图书馆通风量的计算117三、网络计算方法的总结局限不能解决双向流动问题，如单侧通风。Room 118三、网络计算方法的总结存在的问题阻力问题的正确描述：119三、网络计算方法的总结存在的问题建筑表面的风压系数分布：120三、网络计算方法的总结风速，风向建筑周边环境建筑外形风压分布风压分布风压分布风压分布温度分布热浮升力热压分布机械通风系统加压风机风道建筑内部阻力网络建筑内部阻力网络建
29、筑内部通风量121自然通风计算方法比较自然通风计算方法比较用于自然通风和渗透计算的方法简化代数算法形式简单，速度快，计算结果不够准确，无法用于复杂问题计算流体力学（CFD）方法场模型，微观角度，计算准确，网格化，计算工作量大，速度慢，复杂问题超出现有计算能力多区域网络模型算法集总模型，宏观角度，计算速度较快，计算相对准确，适于长时间动态模拟122COMIS COMIS CONTAM CONTAM BREEZE BREEZE 国外已国外已 有的多区域网络模型软件：有的多区域网络模型软件：需要预先输入房间温度需要预先输入房间温度需要预先输入房间温度需要预先输入房间温度不能直接用于自然通风分析不能直
30、接用于自然通风分析不能直接用于自然通风分析不能直接用于自然通风分析需要与热模型进行耦合模拟需要与热模型进行耦合模拟需要与热模型进行耦合模拟需要与热模型进行耦合模拟123通风计算程序的验证(一)现场实测实验人民医院一层急诊部示踪气体恒定释放法示踪气体释放率 3 m3/h 平面图 剖面图 示踪气体释放点与采集点位置 通风网络简化图 124通风计算程序的验证(一)现场实测实验结果主导风向 ：东北平均风速：1.3 m/s风玫瑰图风玫瑰图 各测点温度测量值 125通风计算程序的验证(一)现场实测实验结果（右上）示踪气体浓度测量结果（右上）示踪气体浓度测量结果 （左下）（左下） 各测点通风量平均值各测点通
31、风量平均值与通风程序计算结果与通风程序计算结果 测试结果与计算结果相差不超过测试结果与计算结果相差不超过2020 126通风计算程序的验证(二)实验台模型实验 用电炉加热空气，模拟纯热压通风（左下）热压通风网络简图（左下）热压通风网络简图 （右上）实验测试结果（右上）实验测试结果 （左上）房间实验台示意图（左上）房间实验台示意图 127通风计算程序的验证(二)计算结果与实验结果对比 计算方法计算方法1 1：以出口、入口平均温度为室内温度以出口、入口平均温度为室内温度计算方法计算方法2 2：以直接测量的温度为输入参数以直接测量的温度为输入参数计算房间通风量为计算房间通风量为0.083 kg/s0
32、.083 kg/s与实验结果相差与实验结果相差8.8 % 8.8 % 128通风计算程序的验证(三)CFD数值实验验证 验证纯风压通风通风情况129通风计算程序的验证(三)CFD数值实验验证 CFD CFD 模拟与网络模型计算结果模拟与网络模型计算结果 mm3 3/s /s多区域网络算法与多区域网络算法与CFDCFD方法计算结果相对误差方法计算结果相对误差 对开口面积比率在对开口面积比率在1010以内的情况，两种方法计算误差小于以内的情况，两种方法计算误差小于1010 130通风与热模拟耦合计算程序的应用通风与热模拟耦合计算程序的应用(一一) 算例1：自然渗透对冬季供热负荷的影响分析 房间内扰
33、最大值房间内扰最大值 单元式住宅建筑平面图单元式住宅建筑平面图 门窗渗透特性和热特性门窗渗透特性和热特性 131低层组合单元式住宅 北京地区北京地区沈阳地区沈阳地区上：上：1 1月累计能耗月累计能耗中：逐层渗透能耗中：逐层渗透能耗下：逐层能耗下：逐层能耗132高层组合高层组合单元式住宅单元式住宅 上：上：1 1月累计能耗月累计能耗中：逐层渗透能耗中：逐层渗透能耗下：逐层能耗下：逐层能耗北京地区北京地区沈阳地区沈阳地区133通风与热模拟耦合计算程序的应用通风与热模拟耦合计算程序的应用(二二)算例2：热压辅助夜间通风模拟分析 平面图平面图立面图立面图1341 1、不开窗、不开窗2 2、全天开窗、全天开窗3 3、夜间开窗、夜间开窗135第七章要点第七章要点自然通风的定义、特点热压、风压、余压的概念、关系及计算方法自然通风计算方法作业：P204 7. 9. 11.136
