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摘要：根據(jù)雙層玻璃幕墻建筑的特殊熱環(huán)境，提出過渡季節(jié)采用自然通風(fēng)的方式，確定了建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的開口方式和開口大小，使各樓層的空氣溫度都在熱舒適范圍內(nèi)；應(yīng)用CFD數(shù)值模擬方法對各樓層房間的三維溫度場，速度場進(jìn)行了模擬，研究結(jié)果表明，利用自然通風(fēng)能夠有效地改善室內(nèi)熱環(huán)境，較好地滿足人體熱舒適的要求。

關(guān)鍵詞：自然通風(fēng)數(shù)值模擬中庭

1.引言

空調(diào)的應(yīng)用為人們創(chuàng)造了舒適的室內(nèi)環(huán)境，但也帶來了一些問題；首先，空調(diào)建筑的密閉性較好，當(dāng)新風(fēng)量不足時，室內(nèi)空氣品質(zhì)（IAQ）惡化會導(dǎo)致病態(tài)建筑綜合癥（SBA）；其次，大量的空調(diào)器加劇了城市熱島效應(yīng)，造成室外空氣熱環(huán)境惡化；再次，空調(diào)器的普及使建筑能耗有較大的增長趨勢。

因此隨著可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的提出，同時發(fā)展生態(tài)建筑也是大勢所趨，自然通風(fēng)這項(xiàng)古老的技術(shù)重新得到了重視。合理利用自然通風(fēng)能取代或部分取代傳統(tǒng)制冷空調(diào)系統(tǒng)，不僅能不消耗不可再生能源實(shí)現(xiàn)有效被動式制冷，改善室內(nèi)熱環(huán)境；而且能提供新鮮、清潔的自然空氣，改善室內(nèi)空氣品質(zhì)，有利于人的身體健康，滿足人們心理上親近自然，回歸自然的需求。采用雙層玻璃幕墻可以進(jìn)行有效的自然通風(fēng)。

雙層玻璃幕墻又稱動態(tài)幕墻，兩層玻璃之間的距離為20mm～500mm，利用“煙囪、熱流道”效應(yīng)，氣流在兩層玻璃幕墻中間由下向上循環(huán)，帶走外面一層玻璃幕墻太陽輻射的能量，達(dá)到隔熱、保溫、節(jié)能、環(huán)保的功效。按照不同的通風(fēng)原理雙層玻璃幕墻可分為：整體式、廊道式、通道式和箱體式。雙層玻璃幕墻具有多項(xiàng)功能：減少風(fēng)及惡劣氣候的影響、提高隔音能力、充分利用太陽能、使用自然通風(fēng)使空調(diào)使用率降至最低。本文主要研究其自然通風(fēng)的功能及效果。

2.研究對象及技術(shù)路線

2.1研究對象

本文中研究對象為采用雙層玻璃幕墻帶中庭的辦公建筑，共6層，外形結(jié)構(gòu)見圖1，幕墻結(jié)構(gòu)見圖2：

圖1建筑外形圖圖2廊道式雙層幕墻局部放大圖

該幕墻為廊道式雙層幕墻，每層設(shè)置通風(fēng)道，層間水平有分隔，無垂直換氣通道，自然通風(fēng)的路徑為：

這類建筑室內(nèi)環(huán)境易受太陽輻射影響，同時其空間高度高，上下溫差大，這對預(yù)測帶來很大困難，隨著計(jì)算機(jī)及流體力學(xué)的發(fā)展，三維CFD模擬技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，它即可以滿足大型建筑多空間多開口的自然通風(fēng)設(shè)計(jì)要求，又能精確預(yù)測各設(shè)計(jì)室內(nèi)的空氣速度場和溫度分布，因此本文在滿足頂層室內(nèi)熱環(huán)境的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了屋頂排風(fēng)天窗面積，并在此基礎(chǔ)上利用CFD對該建筑的局部房間室內(nèi)熱環(huán)境進(jìn)行了數(shù)值模擬。

2.2技術(shù)路線

自然通風(fēng)一般采用風(fēng)壓或者熱壓，中庭建筑的“煙囪效應(yīng)”就是利用建筑內(nèi)部的熱壓作用，由于室外風(fēng)速和風(fēng)向是經(jīng)常變化的，因而風(fēng)壓作用不是一個可靠的穩(wěn)定因素，所以本文進(jìn)行模擬計(jì)算時進(jìn)行了簡化，僅考慮熱壓下的自然通風(fēng)。

熱壓通風(fēng)，是利用建筑內(nèi)部由于空氣密度不同，熱空氣趨于上升，而冷空氣趨向下降的特點(diǎn)。熱壓作用與進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口的高度差，以及室內(nèi)外空氣溫度差存在著密切的關(guān)系：高度差愈大，溫度差愈大，則熱壓通風(fēng)的效果愈明顯。因而大樓各樓層（共6層）的進(jìn)風(fēng)量隨樓層高度的增加而減小，基于這種情況考慮，在滿足6樓室內(nèi)熱環(huán)境的要求下，設(shè)計(jì)屋頂側(cè)窗面積。基本技術(shù)路線見圖3：

圖3基本技術(shù)路線

3.房間的計(jì)算數(shù)學(xué)模型

3.1物理模型

（a）(b)(c)

圖4計(jì)算物理模型

a:一個通風(fēng)口b:兩個通風(fēng)口c:整條通風(fēng)口

如圖房間長11.1m，寬8.4m，高2.9m；房間內(nèi)發(fā)熱量包括人員、燈光及設(shè)備，圖中3個長方體代表房間的人員及設(shè)備，頂部設(shè)9盞燈；圖形左下角為三個雙層玻璃幕墻進(jìn)風(fēng)口，均為1400mm×300mm,房間右上側(cè)為通風(fēng)口，通風(fēng)口面積見表1。

3.2基本參數(shù)計(jì)算

3.2.1計(jì)算室外氣溫為20℃時，6樓達(dá)到熱舒適性要求的最低進(jìn)口風(fēng)速

（1）

式中：—6樓的室內(nèi)發(fā)熱量，W;

—空氣比熱，=1010J/kg.℃;

—室外空氣的密度，溫度為20℃，kg/m3;

—通風(fēng)氣流的溫度差,℃;

—6樓的進(jìn)風(fēng)口面積,m2.

計(jì)算得到m/s

3.2.2計(jì)算中和面的高度

根據(jù)（2）

式中：－進(jìn)風(fēng)窗口的流量系數(shù)（取0.35）;

－室內(nèi)外空氣的密度差,kg/m3;

－頂層進(jìn)風(fēng)口的中心高度,m;

—中和面的高度,m.

計(jì)算得到m

根據(jù)中和面高度計(jì)算各樓層進(jìn)風(fēng)速度，并根據(jù)回風(fēng)口風(fēng)速范圍[3]計(jì)算房間通風(fēng)口面積,計(jì)算結(jié)果如表1所示：

表1各樓層進(jìn)風(fēng)速度及房間通風(fēng)口面積樓層

2樓

3樓

4樓

5樓

6樓

進(jìn)風(fēng)速度(m/s)

0.772

0.683

0.581

0.457

0.299

房間通風(fēng)口面積

(mm×mm)

1000×400

800×400

800×400

800×400

800×250

注：1樓為開放式大堂

3.3控制方程

模擬房間內(nèi)的氣流屬于非穩(wěn)態(tài)的三維不可壓縮紊流流動，因此在計(jì)算中采用當(dāng)前在計(jì)算房間氣流時最常用的模型。模型所遵守的偏微分方程的向量表示如下：

連續(xù)性方程：（3）

動量方程：（4）

紊流能量傳遞方程：（5）

紊流能量耗散方程：（6）

能量方程：（7）

上式列表中，；i=1,2,3；j=1,2,3；為速度，為密度，為分子粘性系數(shù)，為紊動能，為紊動能耗散率。模型中的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)可按表2取。

表2模型中的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)取值

0.09

1.44

1.92

1.3

1.3

0.9

4.模擬計(jì)算及結(jié)果

室外氣象參數(shù)及室內(nèi)負(fù)荷大小直接影響房間的室內(nèi)熱環(huán)境，由于大樓頂層的自然通風(fēng)量最小，室內(nèi)熱環(huán)境最惡劣，因此以頂層房間為研究對象，研究內(nèi)容如下：

（1）不同大小的室內(nèi)通風(fēng)口，房間的溫度場和速度場分布

（2）不同室外溫度，不同室內(nèi)發(fā)熱量，6樓的溫度場分布

4.1不同大小的室內(nèi)通風(fēng)口，房間的溫度場及速度場分布

計(jì)算工況：室外溫度為20℃，室內(nèi)發(fā)熱量為50W/m2；比較房間設(shè)置一個800mm×250mm通風(fēng)口，兩個800mm×250mm通風(fēng)口，及一個8400mm×250mm通風(fēng)口的室內(nèi)溫度場和速度場

(1)一個通風(fēng)口：z=1.5m處的溫度場和速度場

圖5az=1.5m剖面溫度場示意圖單位：K圖5bz=1.5m剖面速度場示意圖單位：m/s

(2)兩個通風(fēng)口：z=1.5m處的溫度場和速度場

圖6az=1.5m剖面溫度場示意圖單位：K圖6bz=1.5m剖面速度場示意圖單位：m/s

(3)整條通風(fēng)口：z=1.5m處的溫度場和速度場

圖7az=1.5m剖面溫度場示意圖單位：K圖7bz=1.5m剖面速度場示意圖單位：m/s

溫度場分析：由于進(jìn)風(fēng)口偏左，房間左端溫度較右端低;房間沿氣流流動方向溫度逐漸增高；

比較圖5a,6a,7a可以看出房間設(shè)置兩個通風(fēng)口室內(nèi)熱環(huán)境明顯優(yōu)于設(shè)置一個通風(fēng)口，而設(shè)長條風(fēng)口的優(yōu)勢并不明顯。

速度場分析：比較圖5b,6b,7b,可以看出設(shè)置一個通風(fēng)口，工作區(qū)流場比較平緩，在近熱源及出風(fēng)口局部有漩渦；而設(shè)置兩個通風(fēng)口及整條通風(fēng)口的房間，在近內(nèi)部熱源處氣流擾動比較大，房間氣流形成了兩個大渦流區(qū)，渦流流線呈閉合狀。氣流速度除了熱源和風(fēng)口處較高以外，在人員工作區(qū)的大部分地區(qū)，風(fēng)速基本保持在0.1m/s以內(nèi)滿足房間舒適區(qū)要求。

模擬計(jì)算得到不同出風(fēng)口的室內(nèi)溫度分布范圍見表3

表3不同出風(fēng)口形式下的室內(nèi)溫度分布室外溫度（℃）

出風(fēng)口形式

溫度范圍（℃）

平均溫度（℃）

20

單個

20.7～22.8

22.3

兩個

20.6～22.4

21.7

整條

20.5～22.3

21.6

4.2室外溫度變化時,不同負(fù)荷下6樓的溫度場分布

表4計(jì)算工況計(jì)算工況

室外溫度(℃)

室內(nèi)發(fā)熱量（W/m2）

目的

備注

Case1

20

50

計(jì)算不同室溫變化時，不同室內(nèi)發(fā)熱量下房間的溫度場，得到不同室內(nèi)發(fā)熱量下可采用自然通風(fēng)的室外溫度范圍

取定房間舒適性溫度范圍為：16～26℃

Case2

22

40，50

Case3

23

40，50

Case4

24

30，20

Case5

25

20，10

Case1:室外溫度t=20℃,室內(nèi)發(fā)熱量為50W/m2時，房間的溫度分布

圖8z=1.5m處的溫度分布(t=20℃q=50W/m2)單位：K

case2:室外溫度t=22℃，室內(nèi)發(fā)熱量為40,50W/m2時的溫度分布

圖9z=1.5m處的溫度分布(t=22℃q=50W/m2)單位:K圖10z=1.5m處的溫度分布(t=20℃q=40W/m2)單位:K

Case3:室外溫度t=23℃,室內(nèi)發(fā)熱量為40,50W/m2時，房間的溫度分布

圖11z=1.5m處的溫度分布(t=23℃q=50W/m2)單位:K圖12z=1.5m處的溫度分布(t=23℃q=40W/m2)單位:K

Case4:室外溫度t=24℃,室內(nèi)發(fā)熱量為20,30W/m2時，房間的溫度分布

圖13z=1.5m處的溫度分布(t=24℃q=30W/m2)單位:K圖14z=1.5m處的溫度分布(t=24℃q=20W/m2)單位:K

Case5:室外溫度t=25℃,室內(nèi)發(fā)熱量為20,10W/m2時，房間的溫度分布

圖15z=1.5m處的溫度分布(t=25℃q=20W/m2)單位:K圖16z=1.5m處的溫度分布(t=25℃q=10W/m2)單位:K

根據(jù)模擬結(jié)果可以看到，當(dāng)室內(nèi)平均發(fā)熱量在10W/m2—50W/m2之間變化時，大樓適用自然通風(fēng)的室外溫度也會隨著變化，其適用情況如下表所示：

表5不同室內(nèi)發(fā)熱量條件下大樓適用自然通風(fēng)的室外溫度范圍室內(nèi)發(fā)熱量(W/m2)

10

20

30

40

50

適用室外溫度范圍(℃)

16～25

16～24

16～24

16～23

16～22

5.結(jié)論

通過以上的模擬工作，我們可以得出以下結(jié)論：

5.1在相同的室內(nèi)發(fā)熱量及室外溫度下，房間的通風(fēng)口面積越大，自然通風(fēng)效果越好，但是增加到一定值，改善效果便不明顯，因此設(shè)計(jì)時要確定合理的通風(fēng)口面積。

5.2完全依靠自然通風(fēng)的效果取決于室內(nèi)發(fā)熱量及室外溫度，當(dāng)室外溫度超過一定值時要考慮機(jī)械制冷與自然通風(fēng)相結(jié)合。

5.3冬冷夏熱地區(qū)，早晚溫差較大，可考慮利用晚間自然通風(fēng)排除圍護(hù)結(jié)構(gòu)的蓄熱量。

5.4本文中僅考慮空氣的熱壓作用，未考慮風(fēng)壓作用，兩者結(jié)合分析還有待進(jìn)一步研究。

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