單側(cè)自然通風(fēng)建筑室內(nèi)熱環(huán)境模擬及

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-ε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-ε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(guò)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引言中庭是一個(gè)人工營(yíng)造的全天候室內(nèi)公共聚集區(qū)域，它通常是寬大且連通了多層的大空間。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(jiàn)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(jiàn)圖2。3數(shù)學(xué)模型及邊界條件中庭溫度場(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(guò)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[2][3]，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)模型并不適于描述自然通風(fēng)下的流場(chǎng)。為了改善傳統(tǒng)湍流模型適用性差、無(wú)法模擬低雷諾數(shù)流動(dòng)的缺點(diǎn)，這里采用帶浮力項(xiàng)的修正模型[4]模擬中庭內(nèi)部空氣流動(dòng)，采用能量方程描述溫度場(chǎng)分布。渦旋-粘度雙方程湍流模型，它由湍流動(dòng)能k和湍流動(dòng)能耗散率ε方程組成：（1）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，，計(jì)算中，由于要用做分母，所以取其為一很小的正數(shù)。在進(jìn)口處取，。在出口處按其法向梯度為零計(jì)算，，。西側(cè)入口（門），東、北出口，北出口，東出口，壁面風(fēng)速為0。溫度邊界條件采用實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果。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)15mx7.5m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(guò)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)。敢圖具6睡是垂直方向上加測(cè)鄭點(diǎn)現(xiàn)4湖，極8歸，漢9敗處實(shí)測(cè)溫度與岸模擬分析值的煮比較，兩者間扮最大誤差不超早過(guò)絮10醋%木，表明帶浮力賣項(xiàng)的低雷諾數(shù)蘭模型能夠很好戀地反映實(shí)際情信況，這主要是快因?yàn)榉匠讨械某岣×?xiàng)對(duì)湍流遞動(dòng)能有破壞作臟用，使模型更毅接近中庭內(nèi)空亡氣狀態(tài)。產(chǎn)生截誤差的可能原許因是由于煎模型中的許多挑系數(shù)參數(shù)值是澡經(jīng)驗(yàn)確定的，窯另外，由于中革庭內(nèi)部人流密預(yù)度不大且變化暑沒(méi)有規(guī)律，模究擬時(shí)沒(méi)有考慮系人員和照明設(shè)燕備的散熱，故殺此測(cè)量值比計(jì)撥算值要大，但扔模擬值仍然很墊好地預(yù)測(cè)了實(shí)臉測(cè)溫度值的變音化趨勢(shì)。從賠圖保6附可以發(fā)現(xiàn)從地絮板到頂棚溫度汁隨高度近似成瓜拋物線增加，松中庭內(nèi)部溫度時(shí)場(chǎng)可分為兩個(gè)拼區(qū)域：下部工級(jí)作區(qū)線性的溫車度場(chǎng)和上部熱扇量積聚區(qū)拋物淺線形溫度場(chǎng)。絹工作區(qū)的溫度弟較低，且分布霸較均勻；上部絡(luò)熱量積聚區(qū)的同溫度較高，頂晝部溫度比地面儀溫度高出鋸1.哲1符℃革。整個(gè)中庭內(nèi)夢(mèng)溫度低于進(jìn)口憶溫度（絲3捧1奮℃旦），工作區(qū)的眼溫度約為拐29.針2斗℃忍，室內(nèi)外相差吼1.廣8盼℃述。撞圖臥5嗚翁室內(nèi)測(cè)擊點(diǎn)梅3,4,栽7遷干球溫度曲線死圖睡旨濁圖宏6熄測(cè)境點(diǎn)階4,8,痰9低實(shí)測(cè)值與模擬械計(jì)算值的比較花圖矩7緊所示為自然通控風(fēng)作用下中庭塌溫度場(chǎng)的模擬誓結(jié)果。自然通仁風(fēng)加強(qiáng)了中庭童內(nèi)熱空氣的上巷浮，浮升的熱遍羽流不斷卷吸賽周圍空氣，形淘成倒錐形溫度熄分布，非常類償似于置換通風(fēng)濃負(fù)荷集中在頂蘆部的溫度場(chǎng)分澇布妄[5驗(yàn)]加。天花板附近悲是中庭內(nèi)溫度目最高的區(qū)域，候要排除聚集在懶頂部的余熱，杠需要在這里設(shè)澆置排風(fēng)口。永圖估8蛙所示是理想不油通風(fēng)情況下的策模擬中庭溫度競(jìng)場(chǎng)。在這種情銅況下，室內(nèi)氣美流完全處于自臘然對(duì)流狀態(tài)，舞溫度層是從地?fù)娴教旎ǖ囊换叵盗薪葡嗷ヂ毱叫械囊?guī)則等趁溫層，這同自惱然通風(fēng)作用時(shí)狡的倒錐形溫度橫場(chǎng)不同。球圖貝7遲刷自然通風(fēng)中庭亦溫度塊場(chǎng)謎腔拋圖詢8枝撕不通風(fēng)中庭溫錘度場(chǎng)塌5過(guò)念溫度場(chǎng)對(duì)自然襖通風(fēng)的影響銳由于中庭內(nèi)溫遷度分布為線性涂的區(qū)域較大，鎖溫度梯度只在渠中庭頂部突然涂增加，所以將旱整個(gè)中庭的溫詳度分布近似看癥作線性分布。如同時(shí)，這種假蒼設(shè)也簡(jiǎn)化了理抗論推導(dǎo)的復(fù)雜召。這樣，室內(nèi)暑溫度分布可以替寫歸作僻:寶邪（哭4遍）蠶其黎中怨k撥為垂直溫度梯辯度當(dāng)，遙T眨i象為室內(nèi)溫度獅，穿T棉i0職為室內(nèi)靠近地餡面處的溫度。討室內(nèi)空氣密度途可以表述為：捎碎釀梅（式5陽(yáng)）爸室內(nèi)壓力分布隊(duì)可以寫作：土室扎（首6恩）齒所以室內(nèi)壓力榮分布為一對(duì)數(shù)暖分布，將方程昆（暮6民）從以贈(zèng)Taylo館r粗公式展開(kāi)并取歉前兩項(xiàng)得：據(jù)溜盯劈（殿7牢）格由于室外氣壓確可表示為像：氏洽爪（攜8繡）怖這樣在自然通欲風(fēng)進(jìn)口處的壓慰差為：庭每叫（艙9閉）閑出口處的壓差標(biāo)：暮恢監(jiān)（連1遠(yuǎn)0盆）構(gòu)式愛(ài)中岸H達(dá)1假和療H彎2耍分別為進(jìn)口和禽出口距離中性斑面的高度緞同室內(nèi)溫度均己勻情況下自然吸通風(fēng)進(jìn)口處和概出口處的壓差普和鈔賴魚(yú)（縮1搏1催）琴相比，溫度梯嗎度使得出口處阿的壓差增大，士而入口處的壓騎差減小，這是凈溫度梯度使得罩室內(nèi)中性面上爹移的結(jié)果。根炭據(jù)自然通風(fēng)進(jìn)果出口的風(fēng)速公處式：屆花（煮1繩2刻）襪中性面上移必故然導(dǎo)額致丹H吸1浴的增大股，擁H害2郊的減小，相應(yīng)熱地增大進(jìn)口流它速，減小出口產(chǎn)流速，對(duì)于固腦定的進(jìn)口面積悉，則溫度梯度鑰所導(dǎo)致的中性威面上移最終會(huì)妨增大自然通風(fēng)角量。炊這個(gè)結(jié)論與只圖展7線所示的中庭溫家度場(chǎng)模擬結(jié)果業(yè)相同，中庭內(nèi)告上浮的熱羽流懼不斷卷吸周圍饑空氣，形成倒宇錐形溫度分布拘，這樣的溫度咐分布導(dǎo)致了壓依力中性面的上抵移，從而增大育了出口的壓差愈，減少進(jìn)口處激的阻力，強(qiáng)化皆了自然通風(fēng)。6結(jié)論往通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試名以及理論、數(shù)戰(zhàn)值模擬分析，寧可以得到以下蠢結(jié)論：燕合理的單側(cè)自烘然通風(fēng)能夠很未好地對(duì)淺進(jìn)深繳的中庭或大空蝴間建筑進(jìn)行通案風(fēng)降溫?fù)Q氣，真室內(nèi)外溫差大尖約痛1與～蹦2勁℃販，這同建筑材出料的蓄熱能力成有關(guān)；工作區(qū)嫌內(nèi)部溫度水平貪偏差不超趙過(guò)績(jī)0.它5驅(qū)～練1甜℃于，垂直偏差不遞超過(guò)筆1.封5粘℃哈，能夠滿足舒風(fēng)適的要求。散在中庭熱壓、休風(fēng)壓的聯(lián)合作或用下，中庭內(nèi)志溫度較高的等侄溫層會(huì)上浮，問(wèn)溫度較低的等價(jià)溫層擴(kuò)大，形斷成倒錐形溫度像場(chǎng)，它可以近近似分為兩個(gè)區(qū)亦域：溫度隨高泛度線性分布的贏工作區(qū)；溫度溪隨高度冪函數(shù)融分布的頂部高撞溫積熱區(qū)。這坦一溫度場(chǎng)分布股與負(fù)荷集中在興上部的置換通娛風(fēng)溫度場(chǎng)相淘似滴[5橋]酷，熱量積聚在割中庭頂部，通恩風(fēng)窗應(yīng)該設(shè)置災(zāi)在頂部以便于陽(yáng)排除熱濕負(fù)荷軟。姻理論分析表明糟，中庭內(nèi)的溫襖度梯度會(huì)造成寒壓力中性面的輕上升，減少進(jìn)碧口處的阻力，靠增大出口的壓威差，提高進(jìn)口擊的風(fēng)速。因此熔溫度梯度是強(qiáng)祥化自然通風(fēng)的悟重要因素。缺實(shí)測(cè)證明，由號(hào)于浮力對(duì)湍流受的破壞作用，催采用的帶浮力梯項(xiàng)的修正劈模型能很好地綢模擬自然通風(fēng)犧作用下中庭建孫筑內(nèi)部氣流的胖低雷諾數(shù)特點(diǎn)倒，在能量方程鑄中不考慮人員餓和設(shè)備的散熱候會(huì)導(dǎo)致最終結(jié)各果的偏小。參考文獻(xiàn)藍(lán)[1]Ch拆enQ,崗Morse巾Aand失Huber華A.ASH限RAETr耽ansact債ions1勞996,(尼1):56內(nèi)4-573勿[2]Mu薄rakami基S.Ro亡omven墾t劣’籠92:Pr敢oceedi爬ngsof煉Third吉Inter犁nation崇alCon宅ferenc添e,DAN