某双层玻璃幕墙建筑自然通风的数值模拟研究.doc

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1. 引言 空调的应用为人们创造了舒适的室内环境，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（IAQ）恶化会导致病态建筑综合症（SBA）；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。2. 研究对象及技术路线 2.1 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2 廊道式双层幕墙局部放大图该幕墙为廊道式双层幕墙，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。2.2 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（共6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3. 房间的计算数学模型 3.1 物理模型 （a） (b) (c)图4 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11.1m，宽8.4m，高2.9m；房间内发热量包括人员、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1400mm×300mm, 房间右上侧为通风口，通风口面积见表1。3.2 基本参数计算 3.2.1 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（1）式中： 6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 3 ; 通风气流的温度差,; 6楼的进风口面积, m 2 .计算得到 m/s3.2.2 计算中和面的高度 根据 （2）式中： 进风窗口的流量系数（取0.35）; 室内外空气的密度差,kg/m 3 ; 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) 0.772 0.683 0.581 0.457 0.299 房间通风口面积(mm×mm) 1000×400 800×400 800×400 800×400 800×250 注：1楼为开放式大堂3.3 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： （3）动量方程： （4）紊流能量传递方程： （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； 为速度， 为密度， 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2 模型中的经验常数取值0.09 1.44 1.92 1.3 1.3 0.9 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：（1）不同大小的室内通风口，房间的温度场和速度场分布（2）不同室外温度，不同室内发热量，6楼的温度场分布4.1 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 2 ；比较房间设置一个800mm×250mm通风口，两个800mm×250mm通风口，及一个8400mm×250mm通风口的室内温度场和速度场(1) 一个通风口：z=1.5m处的温度场和速度场图5a z=1.5m剖面温度场示意图 单位：K 图5b z=1.5m剖面速度场示意图 单位：m/s(2)两个通风口：z=1.5m处的温度场和速度场图6a z=1.5m剖面温度场示意图 单位：K 图6b z=1.5m剖面速度场示意图 单位：m/s(3) 整条通风口：z=1.5m处的温度场和速度场图7a z=1.5m剖面温度场示意图 单位：K 图7b z=1.5m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0.1m/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3 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 20.722.8 22.3 两个 20.622.4 21.7 整条 20.522.3 21.6 4.2 室外温度变化时,不同负荷下6楼的温度场分布 表4 计算工况 计算工况 室外温度() 室内发热量（W/m 2 ） 目的 备注 Case1 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 2 时，房间的温度分布图8 z=1.5m处的温度分布(t=20 q=50W/m 2 ) 单位：Kcase2: 室外温度 t=22，室内发热量为40,50W/m 2 时的温度分布图9 z=1.5m处的温度分布(t=22 q=50W/m 2 ) 单位:K 图10 z=1.5m处的温度分布(t=20 q=40W/m 2 ) 单位:KCase3: 室外温度t=23 ,室内发热量为40,50W/m 2 时，房间的温度分布图11 z=1.5m处的温度分布(t=23 q=50W/m 2 )单位:K 图12 z=1.5m处的温度分布(t=23 q=40W/m 2 )单位:KCase4: 室外温度t=24 ,室内发热量为20,30W/m 2 时，房间的温度分布图13 z=1.5m处的温度分布(t=24 q=30W/m 2 )单位:K 图14 z=1.5m处的温度分布(t=24 q=20W/m 2 )单位:KCase5: 室外温度t=25 ,室内发热量为20,10W/m 2 时，房间的温度分布图15 z=1.5m处的温度分布(t=25 q=20W/m 2 )单位: K 图16 z=1.5m处的温度分布(t=25 q=10W/m 2 )单位:K根据模拟结果可以看到，当室内平均发热量在10W/m 2 50 W/m 2 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5 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 2 ) 10 20 30 40 50 适用室外温度范围() 1625 1624 1624 1623 1622 5. 结论 通过以上的模拟工作，我们可以得出以下结论：5.1 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。5.2 完全依靠自然通风的效果取决于室内发热量及室外温度，当室外温度超过一定值时要考虑机械制冷与自然通风相结合。5.3 冬冷夏热地区，早晚温差较大，可考虑利用晚间自然通风排除围护结构的蓄热量。5.4 本