單側(cè)自然通風(fēng)建筑室內(nèi)熱環(huán)境模擬及分析

1、單側(cè)自然通風(fēng)建筑室內(nèi)熱環(huán)境模擬及分析摘 要：本文對(duì)單側(cè)自然通風(fēng)作用下淺進(jìn)深的中庭溫度場(chǎng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量，同時(shí)采用帶浮力項(xiàng)的修正k-模型對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境進(jìn)行模擬計(jì)算，歸納了單側(cè)自然通風(fēng)作用下建筑內(nèi)溫度場(chǎng)的特點(diǎn)：下部工作區(qū)的線性溫度場(chǎng)和上部積熱區(qū)的冪函數(shù)溫度場(chǎng)。數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)的比較表明帶浮力項(xiàng)的低雷諾數(shù)k-模型能很好地反映驅(qū)動(dòng)自然通風(fēng)的浮力的影響和中庭內(nèi)部空氣低雷諾數(shù)的流動(dòng)狀態(tài)。最后通過理論分析指出溫度梯度會(huì)導(dǎo)致壓力中性面上移，進(jìn)而增加進(jìn)口流速?gòu)?qiáng)化自然通風(fēng)的結(jié)論，為設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。關(guān)鍵字：自然通風(fēng) 中庭 計(jì)算流體力學(xué)1 引言 層的大空間。中庭建筑的熱環(huán)境直接影響到中庭健康、舒適的使用功能，因而應(yīng)采用

2、經(jīng)濟(jì)、合理的通風(fēng)手段對(duì)其進(jìn)行控制，以帶走室內(nèi)的冷熱負(fù)荷，稀釋有害氣體、微粒等污染物濃度，改善、維護(hù)其內(nèi)部環(huán)境。但是，中庭建筑的大空間、大負(fù)荷特點(diǎn)必然導(dǎo)致機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)和制冷空調(diào)設(shè)備容量的增大，以及運(yùn)行、檢修費(fèi)用的增加。目前，自然通風(fēng)作為一種節(jié)省能量、投資的通風(fēng)模式在中庭建筑中正受到越來(lái)越多的重視和應(yīng)用，然而相應(yīng)的溫度場(chǎng)研究卻并不多。本文對(duì)某自然通風(fēng)中庭進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量，同時(shí)利用計(jì)算流體力學(xué)和傳熱學(xué)的方法對(duì)該建筑進(jìn)行了數(shù)值模擬和理論分析，以期描述單側(cè)自然通風(fēng)作用下淺進(jìn)深中庭的溫度場(chǎng)特點(diǎn)，為中庭自然通風(fēng)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試圖1 中庭建筑模型 圖2 測(cè)點(diǎn)平面布置圖中庭建筑的幾何模型如圖1所示。中庭

3、長(zhǎng)15m、寬7.5m，高7米，位于50米高建筑的底部，連通了一二兩層。除西側(cè)為玻璃幕墻外，其余均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，內(nèi)貼大理石。中庭的大門位于西側(cè)中央，長(zhǎng)5m，高2.5m。與中庭連接的三條狹長(zhǎng)的長(zhǎng)方體分別為北、南、東走廊。中庭的出風(fēng)口在東部和北部走廊的盡頭，見圖1。實(shí)驗(yàn)在山西省太原市8月，9月兩月上午的8點(diǎn)至下午19點(diǎn)進(jìn)行。采用熱電偶和WMSX-01巡回檢測(cè)溫度儀測(cè)量室外空氣溫度、室內(nèi)空氣溫度和壁面溫度，使用熱球風(fēng)速儀測(cè)量進(jìn)口和出口風(fēng)速。中庭內(nèi)部距地面2米高處平面上布置著7個(gè)測(cè)點(diǎn)。在測(cè)點(diǎn)4處垂直方向上距地4米和6米的高度分別布置著測(cè)點(diǎn)8和測(cè)點(diǎn)9。中庭內(nèi)的測(cè)點(diǎn)布置見圖2。3 數(shù)學(xué)模型及邊界條件中庭

4、溫度場(chǎng)和流場(chǎng)是相互耦合，相互作用的，內(nèi)部空氣通常處于層流向湍流過渡的低雷諾數(shù)狀態(tài)1，這是由于：（1）中庭內(nèi)部穩(wěn)定的浮力作用導(dǎo)致的熱分層現(xiàn)象衰減了垂直方向的湍流；（2）中庭建筑很大，在許多區(qū)域，空氣幾乎不受湍流影響，為層流狀態(tài)。由于在空氣流動(dòng)應(yīng)用中廣泛使用的標(biāo)準(zhǔn)模型最初是用來(lái)分析完全發(fā)展等溫湍流流動(dòng)的，對(duì)于復(fù)雜的三維非等溫流的模擬，它的準(zhǔn)確率較低23，而且它不能模擬低雷諾數(shù)(層流，未變?yōu)橥耆牧髑闆r)的流動(dòng)。因此，標(biāo)準(zhǔn)型并不適于描述自然通風(fēng)下的流場(chǎng)。為了改善傳統(tǒng)法模擬低雷諾數(shù)流動(dòng)的缺點(diǎn)，這里采用帶浮力項(xiàng)的部空氣流動(dòng)，采用能量方程描述溫度場(chǎng)分布。渦旋-粘度程組成：雙方程湍流模型，它由湍流動(dòng)能k和湍

5、流動(dòng)能耗散率方模湍流模型適用性差、無(wú)修正模型4模擬中庭內(nèi)其中參數(shù),浮力項(xiàng), 湍流粘度衰減系數(shù)，能量方程： （3）以上方程再加連續(xù)方程, 動(dòng)量方程共同組成控制方程組。湍流能量和粘性耗散率在固定邊界上可令其為取其為一很小的正數(shù)。在進(jìn)口處取，計(jì)算中，由于要用做分母，所以，。在出口處按其法向梯度為零計(jì)算，口結(jié)果。 ，東出口。西側(cè)入口（門），東、北出口，北出，壁面風(fēng)速為0。溫度邊界條件采用實(shí)驗(yàn)測(cè)試4 實(shí)驗(yàn)與計(jì)算結(jié)果的分析從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中選擇典型的一天進(jìn)行分析。圖5中畫出了3、4、7測(cè)點(diǎn)處的溫度分布曲線圖，由外到內(nèi)各個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度相近。從整個(gè)中庭內(nèi)工作區(qū)平面7個(gè)測(cè)點(diǎn)的白天溫度實(shí)測(cè)值中可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于這個(gè)15mx7

6、.5m淺進(jìn)深的中庭，在單側(cè)自然通風(fēng)氣流組織較為合理的情況下，工作區(qū)內(nèi)溫度分布均勻，從外到內(nèi)各測(cè)點(diǎn)之間溫度偏差不會(huì)超過0.5。而且實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在自然通風(fēng)作用下，距進(jìn)風(fēng)口較近的測(cè)點(diǎn)2處室內(nèi)外氣溫幾乎相同。中庭內(nèi)平均氣溫接近或稍低于室外氣溫，溫差大約1左右，這同中庭本身的蓄熱性能有關(guān)。圖6是垂直方向上測(cè)點(diǎn)4，8，9處實(shí)測(cè)溫度與模擬分析值的比較，兩者間最大誤差不超過10%，表明帶浮力項(xiàng)的低雷諾數(shù)模型能夠很好地反映實(shí)際情況，這主要是因?yàn)榉匠讨械母×?xiàng)對(duì)湍流動(dòng)能有破壞作用，使模型更接近中庭內(nèi)空氣狀態(tài)。產(chǎn)生誤差的可能原因是由于模型中的許多系數(shù)參數(shù)值是經(jīng)驗(yàn)確定的，另外，由于中庭內(nèi)部人流密度不大且變化沒有規(guī)律，

7、模擬時(shí)沒有考慮人員和照明設(shè)備的散熱，6加，中庭內(nèi)部溫度場(chǎng)可分為兩個(gè)區(qū)域：下部工作區(qū)線性的溫度場(chǎng)和上部熱量積聚區(qū)拋物線形溫度場(chǎng)。工作區(qū)的溫度較低，且分布較均勻；上部熱量積聚區(qū)的溫度較高，頂部溫度比地面溫度高出1.1。整個(gè)中庭內(nèi)溫度低于進(jìn)口溫度（31），工作區(qū)的溫度約為29.2，室內(nèi)外相差1.8。圖5 室內(nèi)測(cè)點(diǎn)3,4,7干球溫度曲線圖 圖6測(cè)點(diǎn)4,8,9實(shí)測(cè)值與模擬計(jì)算值的比較圖7所示為自然通風(fēng)作用下中庭溫度場(chǎng)的模擬結(jié)果。自然通風(fēng)加強(qiáng)了中庭內(nèi)熱空氣的上浮，浮升的熱羽流不斷卷吸周圍空氣，形成倒錐形溫度分布，非常類似于置換通風(fēng)負(fù)荷集中在頂部的溫度場(chǎng)分布5。天花板附近是中庭內(nèi)溫度最高的區(qū)域，要排除聚集在

8、頂部的余熱，需要在這里設(shè)置排風(fēng)口。圖8所示是理想不通風(fēng)情況下的模擬中庭溫度場(chǎng)。在這種情況下，室內(nèi)氣流完全處于自然對(duì)流狀態(tài)，溫度層是從地面到天花的一系列近似相互平行的規(guī)則等溫層，這同自然通風(fēng)作用時(shí)的倒錐形溫度場(chǎng)不同。圖7 自然通風(fēng)中庭溫度場(chǎng) 圖8 不通風(fēng)中庭溫度場(chǎng)5 溫度場(chǎng)對(duì)自然通風(fēng)的影響由于中庭內(nèi)溫度分布為線性的區(qū)域較大，溫度梯度只在中庭頂部突然增加，所以將整個(gè)中庭的溫度分布近似看作線性分布。同時(shí)，這種假設(shè)也簡(jiǎn)化了理論推導(dǎo)的復(fù)雜。這樣，室內(nèi)溫度分布可以寫作: （4）其中k為垂直溫度梯度，Ti為室內(nèi)溫度，Ti0為室內(nèi)靠近地面處的溫度。 室內(nèi)空氣密度可以表述為： （5）室內(nèi)壓力分布可以寫作：（6）

9、所以室內(nèi)壓力分布為一對(duì)數(shù)分布，將方程（6）以Taylor公式展開并取前兩項(xiàng)得：（7）由于室外氣壓可表示為： （8）這樣在自然通風(fēng)進(jìn)口處的壓差為：（9）出口處的壓差： （10）式中H1和H2分別為進(jìn)口和出口距離中性面的高度 和相比，溫度梯度使得出口處的壓差增大，而入口處的壓差減小，這是溫度梯度使得室內(nèi)中性面上移的結(jié)果。根據(jù)自然通風(fēng)進(jìn)出口的風(fēng)速公式：（12）中性面上移必然導(dǎo)致H1的增大，H2的減小，相應(yīng)地增大進(jìn)口流速，減小出口流速，對(duì)于固定的進(jìn)口面積，則溫度梯度所導(dǎo)致的中性面上移最終會(huì)增大自然通風(fēng)量。這個(gè)結(jié)論與圖7所示的中庭溫度場(chǎng)模擬結(jié)果相同，中庭內(nèi)上浮的熱羽流不斷卷吸周圍空氣，形成倒錐形溫度分布

10、，這樣的溫度分布導(dǎo)致了壓力中性面的上移，從而增大了出口的壓差，減少進(jìn)口處的阻力，強(qiáng)化了自然通風(fēng)。6 結(jié)論通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試以及理論、數(shù)值模擬分析，可以得到以下結(jié)論：合理的單側(cè)自然通風(fēng)能夠很好地對(duì)淺進(jìn)深的中庭或大空間建筑進(jìn)行通風(fēng)降溫?fù)Q氣，室內(nèi)外溫差大約12，這同建筑材料的蓄熱能力有關(guān)；工作區(qū)內(nèi)部溫度水平偏差不超過0.51，垂直偏差不超過1.5，能夠滿足舒適的要求。在中庭熱壓、風(fēng)壓的聯(lián)合作用下，中庭內(nèi)溫度較高的等溫層會(huì)上浮，溫度較低的等溫層擴(kuò)大，形成倒錐形溫度場(chǎng)，它可以近似分為兩個(gè)區(qū)域：溫度隨高度線性分布的工作區(qū)；溫度隨高度冪函數(shù)分布的頂部高溫積熱區(qū)。這一溫度場(chǎng)分布與負(fù)荷集中在上部的置換通風(fēng)溫度場(chǎng)相似5

11、，熱量積聚在中庭頂部，通風(fēng)窗應(yīng)該設(shè)置在頂部以便于排除熱濕負(fù)荷。理論分析表明，中庭內(nèi)的溫度梯度會(huì)造成壓力中性面的上升，減少進(jìn)口處的阻力，增大出口的壓差，提高進(jìn)口的風(fēng)速。因此溫度梯度是強(qiáng)化自然通風(fēng)的重要因素。實(shí)測(cè)證明，由于浮力對(duì)湍流的破壞作用，采用的帶浮力項(xiàng)的修正模型能很好地模擬自然通風(fēng)作用下中庭建筑內(nèi)部氣流的低雷諾數(shù)特點(diǎn)，在能量方程中參考文獻(xiàn)1 Chen Q, Morse A and Huber A. ASHRAE Transactions 1996, (1): 564-5732 Murakami S. Roomvent92: Proceedings of Third International Confer