（环境工程专业论文）房间热压自然通风的影响因素.pdf

长安大学硕士论文 房间热压自然通风的影响因素+ 摘要 建筑节能和改善室内空气品质是建筑可持续发展的两大主题。自然通风是实现建筑可 持续发展的一种重要技术。自然通风的驱动力分为风压和热压。由于室外风压不稳定，目 前的设计规范中只考虑热压作用下的自然通风。因此，探求房间热压自然通风规律对自然 通风系统的设计和控制，以及自然通风技术的有效利用具有重要意义。 单纯热压作用下的自然通风房间，室内空气温度分布存在明显上下分层现象。因此， 前人提出了有效热量系数m 。m 值的大小代表散入工作区的热量占室内总余热量的多少， 在自然通风设计中具有重要意义。然而m 值是有余热房间空气温度分布的综合反映，确定 m 值是一个很复杂的课题。目前的采暖空调设计规范中，i l l 值的确定是采用了前苏联学者 通过模型实验来得出的结果，用于工业厂房的通风设计。这组m 值对于热源强度不大、房 屋高度较小的民用建筑是否适用还有待于进一步探讨。鉴于此基础上，笔者重新审视房间 热压自然通风，以民用建筑为研究对象，建立了房间热压自然通风的物理模型，选择了合 适的数学模型，采用f l u e n t6 1 计算流体力学软件进行数值模拟计算。考虑了各种影 响室内空气温度分布的因素，进行了大量的数计算。力求找出影响房间热压自然通风的主 要影响因素及影响规律。 在数值模拟中，笔者主要研究热源强度、热源面积、热源高度、双热源间距、进排风 高差、进风口面积、排风口的布置形式以及房间高度等因素的变化对室内自然通风状况的 影响，分析了各影响因素变化时，室内流场、速度场、温度场的变化规律，给出了自然通 风量、进排风温差、有效热量系数以及中和面高度，并分析了它们的变化规律，为民用建 筑热压自然通风设计提供了理论依据。 关键词：热压自然通风数值模拟速度场温度场有效热量系数中和面 国家自然科学基金项目多元通风的模式分析及设计原理( 项目基金号：5 0 2 7 8 0 7 5 ) 资助 一i 一 长安大学硕士论文 i n f l u e n c i n gf a c t o r so nt h e r m a ln a t u r a lv e n t i l a t i o ni nr o o m a b s t r a e t 强镪ot o p i c so ns u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to fb u i l d i n ga r ee n e r g y s a v i n ga n di n d o o ra i r q u a l i t y n a t u r a l v e n t i l a t i o ni sa n i m p o r t a n tt e c h n o l o g y t om a k e b u i l d i n gd e v e l o p e s u s t a i n a b l y t h ed r i v i n gf o r c eo nn a t u r a lv e n t i l a t i o nc a nb e d i v i d e di n t ow i n dp r e s s u r ea n d t h e r m a lp r e s s u r e b e c a u s et h eo u t d o o rw i n dp r e s s u r ei su n s t a b l e ，t h ec u r r e n td e s i g nc r i t e r i o no n l y c o n s i d e r st h e r m a ln a t u r a lv e n t i l a t i o n t h e r e f o r e ，t h ei n v e s t i g a t i o no f t h en a t u r eo f t h e r m a ln a t u r a l v e n t i l a t i o ni nn a t u r a l l yv e n t i l a t e db u i l d i n gi sv e r yi m p o r t a n tf o rt h ed e s i g na n dc o n t r o lo f n a t u r a lv e n t i l a t i o ns y s t e m s ，a n dt h eb e t t e ru s eo f n a t u r a lv e n t i l a t i o nt e c h n o l o g y 1 1 l ei n d o o ra i rt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t e si nl a y e r so b v i o u s l yi nn a t u r a l l yv e n t i l a t e dr o o m d r i v e nb yt h e r m a lp r e s s u r e t h e r e f o r e ，s o m ea n t e r i o rs c h o l a r sp u tf o r w a r dt h ec o n c e p ta b o u tt h e e f f e c t u a lt h e r m a lc o e f f i c i e n tm t h ev a l u eo f m r e p r e s e n t sh o wm u c hq u a n t i t yo f h e a ts h a r e st h e t o t a lr e m a i n i n gh e a tq u a n t i t yi nt h ew h o l el o o m ，a n dt h ep a r a m e t e ro fm i sv e r ys i g n i f i c a n tf o r t h ed e s i g no fn a t i o n a lv e n t i l a t i o n s y s t e m s mp a r a m e t e rc a l l r e f l e c t s y n t h e t i c a l l yt h e a i r t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o ni nh o tr o o m ，a n dc o n f i r m i n gt h ev a l u eo f m i sav e r yc o m p l e xl e s s o n i n t h ec u r r e n td e s i g nc r i t e r i o no nh e a t i n ga n dv e n t i l a t i o n , t h ev a l u e so fmu s e df o rt h ed e s i g no f n a t u r a lv e n t i l a t e di n d u s t r yf a c t o r i e sa r ep r e s e n t e db ya d a p t i n gt h er e s u l tw h i c hs o m ef o r m e r s o v i e ts c h o l a r sg a i n e db ym o d e le x p e r i m e n t s ，b u tt h ev a l u e so fma r es t i l lt r e a t e di nf u r t h e r s t u d yf o rp u b l i cb u i l d i n g sw h i c hh a v es m a l l e rh e a tp o w e ra n da r el o w e rt h a ni n d u s t r yf a c t o r y i n t h i sp a p e r ，t h ew r i t e rr e g a r d e dt h ep u b l i cb u i l d i n ga st h es t u d yo b j e c t ，e s t a b l i s h e dt h ep h y s i c a l m o d e lo ft h et h e r m a ln a t u r a lv e n t i l a t i o n e dr o o m ，c h o o s c dt h ea p p r o p r i a t em a t h e m a t i c a l m o d e l ，a n dh a dm u c hc f ds i m u l a t i o nb yc f ds o f b v d a r ef l u e n t 6 1 t h ep a p e rc o n s i d e r e da l l k i n d so fi n f l u e n c i n gf a c t o r sf o rt h ei n d o o ra i rt e m p e r a t u r ed i s t r i b u a t i o n ，a n dh a dal o to f n u m e r i c a lc o m p u t a t i o ni no r d e rt of i n do u tt h em a i ni n f l u e n c i n gf a c t o r sa n di n f l u e n c i n gn a t u r e s o nt h e r m a ln a t u r a lv e n t i l a t i o n i nc f ds i m u l a t i o n ，t h ew r i t e rs t u d i e dh o ws u c hf a c t o r s ，a sh e a tp o w e r , t h ea r e ao fh e a t s o u r c e , t h eh e i g h to fh e a ts o u r c e ，t h ed i s t a n c eo ft w oh e a ts o u r c e s , t h ed i s t a n c eo ft h ec e n t e ro f v e n t i l a t i o ni n l e ta n dt h ec e n t e ro ft h ev e n t i l a t i o no u t l e t ，t h ea r e ao fv e n t i l a t i o ni n l e t ，t h e d i s t r i b u t i o ns t y l eo fo u t l e t ，a n dt h eh e i g h to fr o o m ，i n f l u e n c et h e r m a lv e n t i l a t i o n ，a n a l y s e dt h e i n f l u e n c i n gn a t u r eo f f l u i df i e l d 、v e l o c i t yf i e l d 、t e m p e r a t u r ef i e l do f v e n t i l a t e dr o o mw h e nt h e s e f a c t o r sc h a n g e d i na d d i t i o n ，b o t ht h ev a l u e sa n dt h ev a r y i n gn a t u r e so ft h eq u a n t i t yo fn a t u r a l i i 长安大学硕士论文 v e n t i l a t i o n 、t h ed i f f e r e n c ei nt e m p e r a t u r eo fe n t e r i n ga i ra n dv e n t i n ga l r ，t h ee f f e c t u a lt h e r m a l c o e f f i c i e n ta n dt h eh e i g h to fn e u t r a l i z i n gs u r f a c ea r eg i v e n t h e s er e s u l t sp r o v i d e dt h e o r yg i s t f o rt h ed e s i g no f p u b l i cb u i l d i n g s t h e r m a ln a t u r a lv e n t i l a t i o ns y s t e m k e y w o r d s ：t h e r m a ln a t u r a lv e n t i l a t i o n ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；v e l o c i t yf i e l d ； t e m p e r a t u r ef i e l d ；t h ee f f e c t u a lt h e r m a lc o e f f i c i e n t ； n e u t r a l i z i n gs u r f a c e 1 1 1 长安人学硕士论文 1 1 课题的研究背景 1 绪论 目前，国内外暖通空调行业的发展均面临着节能与改善室内空气品质的两大挑战。 在过去的二十年卑，空调得到了广泛应用。国家统计局的调查结果显示【1 】：1 9 9 9 年家 用空调器的产量达到1 3 0 0 j j 台，国内的销售量为】0 0 0 万台，屑世界第一位。2 0 0 0 年每 百户的居民拥有的空调机台数上海为8 5 _ 2 台，广东省为8 3 台。沿海丌放城市的空调拥 有量达至1 1 2 2 4 0 万台，按每台0 7 3 5 k w 计算( 耗电量较小) ，需要电力2 0 0 0 万k w ，占我 国当年总发电量的1 8 【2 1 。 现在无硷是工业还是居民生活中，建筑耗能中空调耗能成为一个主体 3 】。与此同 时，空调系统的应用普及导致了各种空气品质问题的出现，例如建筑物加强了密闭性， 室内空气品质( i a q ) 的恶化导致了病态建筑综合症( s b a ) 1 4 ，过量的空调器加剧了 城市的热岛效应悼】，造成室外空气热环境恶化，进而又影响空调器运行的能效比 ( c o p ) 。近年来，室内空气品质问题得到了越来越多的重视。1 9 9 5 年到1 9 9 8 年间， 美国供暖制冷空凋工程师学会( a s h r a e ) 资助了1 0 0 个研究项目，总经费约9 亿美元。 其中，在三个重点领域一一制冷剂代替代、节能和室内空气品质方面，仅在1 9 9 7 1 9 9 8 财政年度，资助额就达n 3 2 亿美元【6 。7 】。针对随空调系统存在耗能大、空i 品质差的 i 、口题，1 9 9 9 年，欧盟各国联合开展了为期4 年、2 5 个子题组成的“健康行动重点项目” ( k e yh e a l t ha c t i o np r o j e c t ) 研辩8 ，重点探索如何降低对空调的依赖性，重新审视 传统的自然通风系统( 优点是节电节能，缺点是可靠性差) 及机械通风系统( 优点是 可靠性高，缺点是耗电耗能) 。 国际能源机构( i e a ) 2 0 0 0 年的总结报告( a n n e x 3 5 ) 指出”，欧洲国家的办公楼 ( o f f i c eb u i l d i n g ) 有效利用室内外通风可以降低建筑能耗5 0 以i 二。通风技术是一种 符合可持续发展理念的、节能的、清洁的能量利用技术，逐渐受到了业主、居住者的 关注。 建筑物通风可分为自然通风和机械通风两种形式。自然通风是人们乐于接受的通 风方式，除了能减少传统空调制冷系统的使用、降低能耗外，更重要的个原凶是有 利于人的生理和一山理健康。各国的研究者在调查时均发现，人们对室外自然通风有着 更好的接受性。1 9 9 2 年，f u j i ih a r u y k i 1 1 】等在r 本对空调住宅的居民进行调查时发现， 尽管许多家庭都配备有完善的空调装置，但大部分人更喜欢打开窗户，依靠自然通风 长安大学硕士论文 来保持室内合适的热环境，只有当自然通风无法保证室内环境时，人们才会使用空调 设备。同年，b u s c h d 2 对泰谷的两种空调类型( 自然通风和空调) 办公房间热舒适性 进行了实地调查，发现岛然通风能够带给人舒适性。2 0 0 0 年 1 3 1 4 1 ，清华大学的贾庆贤、 赵荣义和夏一哉等人对吹风方式对人体舒适性的影响进行了调查，并对机械风和自然 风进行对比分析，之后又对自然风与机械风频谱的区别及对热舒适的影响做了研究， 结果表明，接近于自然风频谱的吹风模式比其它吹风模式有更好的町接受性。清华大 学的朱颍秋、谭刚 15 f 6 1 的研究也表明，自然风与机械风在频谱、湍流度等物理特性上 有很大差别，自然通风的频谱具有1 f 波动规律，能够使人产生舒适、愉悦感。2 0 0 2 年， 西安建筑科技大学的王怡【l _ j 对寒冷地区自然通风房间和空调房问舒适性做了调查，结 果表明：在装有空调的住户中有4 9 的人表示只有在热的无法忍受时才丌空调，在给 定热感觉为“感觉皮肤发粘湿润”的情况时，有7 5 的人仍选择保持自然通风状态。 自然通风的应用在当今建筑界引起了高度重视。伴随着地球资源与环境问题的日 益突出，人们开始重新认识古代农业文明时代就已孕育着的绿色思想。1 9 7 2 年瑞典召丌 的人类第一次环境会议，预示着世界环境保护运动的丌始，而1 9 9 2 年巴西里约热内卢世 界环境发展会议，萨式标志了新的绿色文化的诞生，绿色建筑随即兴起。目前，绿色建筑 不仅已成为一种时尚，而且已经成为建筑学科发展的最前沿【l 。“绿色建筑”概念的提出 浣明人类的建设活动进入理性阶段，从“人定胜天”、“征服自然”回归到“天人合一、与 自然和谐相处。绿色建筑，亦可称为生态建筑、可持续建筑，就是充分利用可再生的 材料和能源，在不损害生态环境的前提下，使建筑空间环境得以长期满足人类健康的需 要，满足人类从事社会和经济活动的需要，充分体现了可持续发展和人类回归自然的 理想( 1 ”。绿色建筑强调“以人为本”的室内环境首先要满足人的生物特性，即节能和环保 并不是以影响居住者的健康和降低居住者的工作效率为代价。绿色建筑是资源和能源 的有效利用的建筑，是保护环境、亲和自然、舒适、健康、安全的建筑。人、建筑、 自然和社会协调发展是绿色建筑追求的目标，人类必须顺应并保护自然生态的平衡与 和凿，寻求创造适于人类生存与发展的绿色建筑的有效途径和设计方法。众多的研究 文献表明1 2 0 【2 l 】【2 2 】：自然通风是当今实施绿色建筑中广泛采用的一项技术措施。 2 0 0 3 年“非典”的流行凸出了自然通风在建设健康住宅中的重要意义。在抗击非典 的战斗中，保持自然通风被医学家和权威机构认为是最有效最简单方便的预防措施 【23 1 。经常开窗保持室内良好的通风可以减小病毒在空气中的浓度，大大降低人们感染 致病的机率，达到有效预防的目的。然而，我国目前的不少建筑设计对自然通风尚未 引起应有的重视【2 4 1 。近年来新建的许多房屋，可开启的窗很少，更有一些写字楼、商 厦、办公楼和宾馆、饭店为了追求所谓的“现代化”，玻璃窗都是封闭的，完全依赖空 调。工作在高级写字楼中的人发现，想开窗并不容易，根本就无窗可开。有些居住建 k 安大学硕士论文 筑进深太大，通风很难。绝大多数建筑没有采用自然通风技术。一些住在新楼房里的 居民还发现，虽然丌着窗，却感觉不到有新鲜空气流入。这是房屋建筑规划设计不科 学、布局不合理、缺乏对“城市风”的研究所致。 自然通风技术是可持续的技术，是节能和减少建筑运行开支的技术，是有利于疾 病防治和有益于人的健康的技术，我们应当加强研究，重视它的推广和应用。 目前，在英国、法国等欧洲国家以及日本、新加坡等亚洲国家，在越来越多的新 建楼房及旧建筑改造中，不但充分注意了楼房的保温、密闭性，而且也开始了大量地 采用建筑物自然通风、夜间冷却等若干可持续发展技术口5 之8 】。自然通风在我国民居上 的应用有着悠久的历史。中国民居，如北京的四合院、西北地区的窑洞，特别是长江 以南地区、广东民居实际上很重视自然通风技术的应用。民居的门、窗的位置、建筑 朝向及建筑格局等方面无一不体现着利用自然通风改善居室热、湿环境的思想。陈启 高教授等研究多年、流传久远但至今尚颇有争议的中国民居的“风水”观念，也在某种 程度上体现了自然通风的理念。另外，在我国现有的标准及规范中也多次提到自然通 风的重要性，如民用建筑节能设计标准( 采暖居住建筑部分) 【2 9 1 第4 2 6 条，“在建 筑物采用气密窗或加设封条的情况下，房间设置可以调节的换气装置或其他可行的换 气设施是必要的。”住宅设计规范口o 】第5 1 4 条，“卧室、起居室( 厅) 应有与室外 空气直接流通的自然通风( 丌口面积不小于地板面积的2 0 ) 。单朝向住宅应采用通 风措旌。” 1 2 自然通风的类型 根据作用力类型，自然通风可分为三类：风压单独作用的自然通风，热压单独作 用的自然通风，风压与热压共同作用的自然通风。 1 风压单独作用 室外气流吹过建筑物时，由于建筑物的阻挡，建筑物四周室外气流的压力分布发 生变化，和未受干扰的气流相比，建筑物表面所形成的静压的变化称为风压。某一建 筑物周围的风压分布与该建筑的几何形状和室外风向有关。建筑外立面的压力分布引 起建筑室内的空气的流动称为风压通风。 当风吹到建筑物上时，在迎风面上，由于空气流动受到阻挡，动压降低，静压增 高，风压为正压；侧面和背风面由于产生局部涡流，静压降低，风压为负压。自然气 流从正压区流向室内，再从室内流向负压区，从而形成风压驱动的自然通风( 见图1 ，1 ) 。 风压及通风量的计算可用下列公式来确定【3 l 】： l x l 压的计算公式： 长安大学硕士论文 印。= 寺p ( c 州v 1 2 - c ，2 v 2 2 ) p a ( 1 1 ) 通风量的计算公式： 铲c 等 m 3 s ( 1 - z ) 式 中： c 。迎风面的风压系数； c ，一背风面的风压系数； v 一迎风风口的风速，m s ； v ，背风风口的风速，m s ； c 。流量系数； a + 风口的有效面积，m 2 。 风压的大小受到下列因素的影响： 室外风速及风向( 建筑外立面与室外风向的相对夹角) ： 建筑的几何形状； 开口在建筑外立面上的位置； 大气边界层状况： 建筑的周边环境条件( 包括周围地形及建筑密度、植被等) 。 。主茎。 背风面、8 ，迎风面 ：二：f 二+ ：二二i ：二一 l 图1 1 风压自然通风 2 热压单独作用 热压是由室内外空气的密度差引起的 图1 2 热压自然通风 这也是所谓的”烟囱效应”。如果室内温 度高于室外，建筑物的上部分将会有较高的压力，而下部存在较低的压力。当这些位 置存在孔口时，空气通过较低的开口进入，从上部开口流出( 见图1 2 ) 。如果，室内温 度低于室外温度，气流方向相反。热压的大小取决于两个开口处中心的高度差和室内 外的空气密度差。在建筑内，由于人体、灯光、设备、太阳辐射等产生大量的热，当室外 空气温度低于室内温度时，可以利用热压的作用将室外空气引入室内。 3 风压与热压共同作用 当风压与热压共同存在时，风压的作用会对热压自然通风起到两方面的影响：增 睦安大学硕士论文 益或抑制。 一上 增益骥式 j ? 一 室外风向 j 一 盖一一 抑制模式 图1 3 热压与风压共同作用下的自然通风 香港学者李玉国对风压和热压作用下的自然通风做了大量研究【3 3 】【3 4 】，得出以下结 论：当风压与热压共同作用时，房间通风量并不是二者的线性叠加；当l 压与热压作 用相同时，存在惟一的稳态解。当风压与热压作用相反时，存在两个稳态解。 由于室外风速和风向是经常变化的，因此风压的作用不是一个可靠的因素，在一般 工程设计中均不予考虑。 本课题主要研究热压自然通风的影响因素，关于热压作用下的自然通风的作用机 理笔者将在下一章中详细阐述。 1 3 国内外研究现状 自然通风是一种有很大潜力的通风方式，现代人类对自然通风的利用已经不同于 以前的开窗、开门通风，而是如何充分利用室内外条件，如建筑周围环境、建筑构造( 如 中庭) 、太阳辐射、气候、室内热源、机械通风等，来组织和诱导自然通风。自然通风与 机械通风不同，它受气候、建筑周围的微环境、建筑结构及建筑内部热源分布情况的强 烈影响，所以它的设计是与气候、环境、建筑融为一体的整体设计。在自然通风设计中， 在确定方案前，需要确定以下三大要素p 1 j ： 1 气候的自然通风潜力 自然通风潜力( n v p ) ，指仅依靠自然通风就可确保可接受的室内空气品质和室内热 舒适性的潜力。根据建筑所在地区的宏观气候条件，如宏观风速分布和风向、宏观气温 分布、太阳辐射照度、室外空气湿度等来确定该地区气候的自然通风潜力。 2 建筑微环境的自然通风潜力 根据建筑微环境如建筑周围风速分布及气温分布、城市地形与布局( 建筑平均高 度、建筑分布情况、街道的布局、植被分布等) 、建筑内部布置、建筑高度、室外噪声 水平、室外污染等来确定建筑微环境的自然通风潜力。建筑微环境对自然通风的影响 长安大学硕士论文 很复杂，目前这方面的研究较少。 3 自然通风的驱动力 自然通风的驱动力是确定自然通风方案和设计气流路径的前提条件，可根据建筑 周围微环境和建筑内部情况( 如热源分布，房间大小，房间的布置，内隔断，房间的 位置等) 来预测。驱动力，确定自然通风方案和设计气流路径。一般情况下，自然通风驱 动力是很小的，自然通风系统中风口两侧的压差一般小于1 0 p a ，而机械通风系统风口两 侧压差为1 0 0 p a 。当预测的自然通风驱动力很小时，就需考虑是否可以通过改变建筑设 计方案，如用双层玻璃墙，或设计为中庭式建筑，或改变窗户形式、位置及大小等，或采用 风机辅助式自然通风。 由于自然通风受室外气候、建筑周围环境及建筑内部布局等因素的强烈影响，故其 设计和控制很复杂。目前的研究主要是基于一些简单的模型而得出的一些理论和实验 结果。 文献 3 5 1 对单区和两区建筑的热压驱动的单侧通风，采用c f d 方法，在不同的室内外 温差、窗户安装高度的情况下，得出了室内垂直温度分布、通风量及室内温度随时间的 变化关系。 文献 3 6 用c f d 方法和实验方法研究了自然通风建筑中，屋顶形状和屋顶高度对自 然通风情况下的室内气流分布和室内气流流速的影响。 文献 3 7 1 n 文献 3 8 从房间进深和高度的关系出发，讨论了单侧通风和贯流通风的 选择方案。 文献【1 7 建立了自然通风系统和建筑热过程系统的耦合作用模型，编写了动态数 值模拟分析计算程序，用来模拟我国寒冷地区夏季自然通风条件下的室内环境。 文献 3 9 1 分析了风力与热浮力共同作用的四开口建筑的流动模式，对四开口建筑 的自然通风的风量计算模型进行了改进。 文献 4 0 1 通过相似物理模型试验的方法以小湾水电站为原型，采用数值方法探讨 了地下水电站自然通风规律。 文献 4 1 1 对常见的办公建筑运用零方程模型分别对风压和熟压起主导作用时的温 度场进行了数值模拟，研究了门窗的相对位置对室内气流组织的影响。 文献1 4 2 1 1 4 3 1 对太阳能烟囱自然通风效果进行了数值模拟分析，为太阳能烟囱的优 化设计提供了依据。 文献 4 4 1 从风1 5 1 入手，利用数值模拟软件对各种形式的百叶风口的性能进行了分 析，探讨了提高自然通风效率的方法。 文献 3 2 】对机械通风和自然通风相结合的通风方式多元通风进行了数值研 究，对机械风对自然风的作用进行了探讨。 长安大学硕士论文 文献【4 5 】对“辐射板+ 自然通风”的空调方式进行了初步研究，讨论了该空调方式的 可行性。 综上所述，目前的自然通风系统的设计还处于概念设计阶段，由于理论研究还未成 熟，故其设计缺乏足够的理论指导。 我国目前的暖通空调设计规范4 q 中，对于自然通风的设计，仅考虑热压作用。因 为热压比较可靠，而风压变化较大，且逐时不稳定，因此设计时不计风压，而把它作 为实际使用中的安全因素。规范 4 6 】中给出了具有余热的工业厂房的通风量及排风 温度的计算公式： ( 1 ) 通风量的确定： 消除余热所需的全面通风量 n g 2 i 彳l 忑 k 蚰 ( 1 3 ) ，( f ，一o ) 。 ” 消除工作区余热所需的全面通风量 g 5 砑f m q 历 蛐 。( f 。一f “) 。 ( 1 4 ) 式中： q 室内余热量，w ： d 单位换算系数，对于法定计量单位，口= 0 2 8 ：对于习用非法定训 量单位，口= l ： m 有效热量系数： c p 空气的定压比热容，杉嘧： t 。车间上部排风温度，： t 。室内工作区温度，； t 。r 一夏季通风室外计算温度，。 ( 2 ) 排风口温度的确定 由g = g ，得 咆+ 譬 f l - 5 ) 由以上两式j 。以看出，对于自然通风通风量和排风口温度的确定，1 1 1 值的确定是 一个关键因素。 ( 3 ) 有效热量系数m 有效热量系数m ，是温度效率的倒数，又称热分布系数h 7 1 。m 值的大小表示直接 散入工作区的那部分热量占室内总散热量的多少。由( 1 - 5 ) 式得： 长安大学硕士论文 m：!立m6) t p t o 确定m 值是一个很复杂的问题”l ，由于有效热量系数本质上说是一个受限空间内 的热对流扩散问题，因此它与建筑、热源和通风条件有关，择其要者，它首先是以下多个 工程物理因素及几何因素的函数 4 7 ，即 m = l ( q ，g ，v ，f ，f ， ，n ，)( 1 - 7 ) 式中： f 。工作区平均温度，； f 。_ 一进风温度，； f 排风温度，； q 室内余热量，w ； g 通风量，一s ； 矿建筑容积，m 3 ； f 建筑地板面积，m 2 ； ，热源面积，m 2 ； 。热源高度，i t i ； q 。热源个数。 因此，r r l 值很难用理论公式来精确计算得到。目前的采暖空调设计规范中m 值的确 定主要采用前苏联学者提出的公式h 6 1 1 4 9 ： m = m l m 2 m 3( 1 - 8 ) 式中： m r 一与热源面积对地面之比f f 有关的系数； r n z 与热源高度有关的系数； m 3 与热源辐射散射量q f 和总散热量q 之比有关的系数。 现行规范中给出的r n l ，m 2 ，m 3 的值是苏联学者用模型实验来确定的，用于工业j 。 房的通风设计。r 。的值根据公式( 1 - 6 ) 来计算。也就是说影响影n 1 6 j m 值的主要因素是 热源面积、热源高度以及热源辐射散热量与总散热量之比。 用上述方法确定的m 值虽然比较全面，但还是有定的误差【柳。而且，上述方法 主要是针对工业厂房来说，对于民用建筑是否适用，还有助于我们进一步研究、探讨。 后来，西安建筑科技大学的赵鸿佐利用下送风房间模型，通过大量的分析、实验、 以及计算机仿真模拟，对热分布系数进行了进一步研究，得出了热分布系数的应用方 程式，如表1 1 所示。 长安大学硕士论文 热分布系数应用方程式表l 一1 热源模式r n 应用计+ 算式 a 空间均布热源 b 底平面均布热源 c 底部集中热源 z z l 时， m - - c o n s t a b 复合热源m = 半 z y ：z l 时， b c 复合热源 z 邑时， m = ( 、一c ! ) 曩、一p ? 孛。) ( 表1 1 中，符号说明：h 为房间高度，m ；z 为热分层高度，m ；r 为房间辐射传递系数；p r 为 辐射比例；c e 为对流系数；钆为对非使用区墙面和楼板的角系数；z l 为临界z 值。) 上述热分布系数的应用方程式是以下送风房间模型为基础，不同于单纯的热压自 然通风。 1 4 本课题研究内容及研究意义 房间内温度分布和气流分布对室内自然通风状况有较大影响。从m 值的定义我 们也可以看出，m 值是基于室内温度分布不均匀的基础上提出的。因此，研究房问内 热压自然通风状况，确定1 1 3 值及其它各特征参数，首先需要对室内气流场、温度场进 行研究。 本课题针对民用建筑，研究室内热源分布状况、建筑物的几何因素、进排风口的 几何因素对室内自然通风的影响，重点对m 1 ，m 2 进行计算分析，找出热源面积和热源 高度对自然通风量g 和排风温度t p 的影响规律，从而对民用建筑自然通风系统的设 计提供理论依据。 拟解决的关键问题： ( 1 ) 对热压自然通风进行理论分析，建立热压自然通风房间的物理模型和数学模 型，选择适合数值方法，利用f l u e n t 6 1 计算流体力学软件对多种工况进行数值计算。 ( 2 ) 解决自然通风数值计算中的许多难点问题。由于自然通风是一种无组织的通 风方式，难以预测开口处的气流流向，致使对自然通风进行模拟计算时边界处理成为 一大难点。另外，对于民用建筑来说，单纯热压自然通风的驱动力很小，室内形成的 屯0 一 吖 c n = m ，日 时 一 删觋 长安大学硕士论文 气流场不同于工业厂房中的旺盛紊流状态，对于微弱的自然对流问题也是数值模拟中 的难点。因此，解决这些难点问题也是本课题的基础。 ( 3 ) 研究多种因素对室内热压自然通风的影响。分别改变热源强度、热源面积、 热源高度、双热源间距、进排风口中心高差、进风口面积、排风口的布置形式、房间 高度，对室内自然通风流场进行数值模拟，对各计算工况下的速度场、温度场进行分 析，得出有效热量系数m 的变化规律，以及通风量、进排风温差、中和面高度等特征 参数的变化规律。 1 5 研究方法及工具 1 5 1 自然通风的主要研究方法： 1 实验法刚 ( 1 ) 风洞模型实验法 风洞实验的原理是相似性原理，它应用于自然通风中主要是模拟建筑表面及建筑 周围的压力场和速度场，以及确定风压系数，预测自然通风性能。 ( 2 ) 示踪气体测量法 示踪气体测量法可以预测建筑通风量和气流分布。有两种测量方法：定浓度法和衰 减法。定浓度法，是指在测试期间，保持所有测试房间的示踪气体浓度不变，而改变示踪 气体注射量。衰减法指向测试房问注入一定量的示踪气体，随着示踪气体在测试房间的 扩散，示踪气体的浓度呈衰减趋势。定浓度法用来处理驱动力发生改变的通风问题，而 衰减法常用来研究单一建筑物渗透通风特性。 ( 3 ) 热浮力实验模型技术 用热浮力实验模型技术模拟热压驱动的自然通风的物理过程比较直观。目前主要 有4 种技术：带有加热装置的气体模拟法( t h eg a sm o d e l i n gs y s t e m ，以空气或其他气体作 为流动介质，热浮力由固定的加热装置产生) ；带有加热装置的水模型系统( t h e w a t e r m o d e l i n gs y s t e m ，以水作为介质，有固定的加热装置) ；盐水模拟法( t h eb r i n e ，w a t e r m o d e l i n g ，利用盐水的浓度差产生类似于热羽的流动，已被广泛接受，但需大蓄水池和 不断补充盐水) ；气泡技术( a f i n eb u b b l e t e c h n i c h e ，由电路的阴极产生气泡以模拟热羽 运动，可以模拟点源，线源及垂直热源的情况) 。热浮力模型实验的缺点为：不能模拟 建筑热特性对自然通风的影响。对风压与热压共同驱动的自然通风的实验模拟比较复 杂，可以通过改进这4 种模拟方法或综合这4 种模拟方法使之能模拟二力共同驱动的 自然通风。 2 数值模拟法 长安大学硕十论文 气流场不同于工业厂房中的旺盛紊流状态，对于微弱的自然对流问题也是数值模拟中 的难点。因此，解决这些难点问题也是本课题的基础。 ( 3 ) 研究多种冈素对室内热压自然通风的影响。分别改变热源强度、热源面积、 热源高度、双热源间距、进排风口中心高差、进风口面积、排风口的布置形式、房间 高度，对室内自然通风流场进行数值模拟，对各计算工况下的速度场、温度场进行分 析，得出有效热量系数m 的变化规律，以及通风量、进排风温差、中和面高度等特征 参数的变化规律。 1 5 研究方法及工具 1 5 1 自然通风的主要研究方法： 1 实验法1 ( 1 ) 风洞模型实验法 风洞实验的原理是相似性原理，它应用于自然通风中主要是模拟建筑表面及建筑 周围的压力场和速度场，以及确定风压系数，预测自然通风性能。 ( 2 ) 示踪气体测量法 示踪气体测量法可以预测建筑通风量和气流分布。有两种测量方法定浓度法和衰 减法。定浓度法，是指在测试期间，保持所有测试房间的示踪气体浓度不变，而改变示踪 气体注射量。衰减法指向测试房间注入一定量的示踪气体，随着示踪气体在测试房间的 扩散、示踪气体的浓度呈衰减趋势。定浓度法用来处理驱动力发生改变的通风问题，而 衰减法常用来研究单一建筑物渗透通风特性。 ( 3 ) 热浮力实验模型技术 用热浮力实验模型技术模拟热压驱动的自然通风的物理过程比较直观。目前主要 有4 种技术：带有加热装置的气体模拟法( t h eg a sm o d e l i n gs y s t e m ，以空气或其他气体作 为流动介质，热浮力由固定的加热装置产生) ；带有加热装置的水模型系统( t h e w a t e r m o d e l i n gs y s t e m 以水作为介质，有固定的加热装置) ；盐水模拟法( t h e b r i n e - w a t e r m o d e l i n g 刑用热水的浓度差产生类似于热羽的流动，己被j 。泛接受，但需大蓄水池和 不断补充盐水j j 气泡技术( a f i n e b u b b l e t e c b n i e h e ，由电路的阴极产生气泡以模拟热羽 运动，可以模拟点源，线源及垂直热源的情况) 。热浮力模型实验的缺点为：不能模拟 建筑热特性对自然通风的影响。对风压与热压共同驱动的自然通风的实验模拟比较复 杂，可以通过改进这4 种模拟方法或综合这4 种模拟方法使之能模拟二力共同驱动的 杂，可以通过改进这4 种模拟方法或综合这4 种模拟方法使之能模拟二力共同驱动的 自然通风。 2 数值模拟法 长安大学硕士论文 ( 1 ) c f d 方法 c f d ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，计算流体力学) 方法是基于连续性方程、动 量方程、能量方程及紊流模型研究流体质点的运动与能量传递，通过数值求解得到室 内参数的分布状况。c f d 方法的优点在于可以得到房间不同位置上的具体参数分布， 近年来各种c f d 商业软件的发展迅速，使c f d 方法成为研究小区流场、室内空气组织 的主流方法50 1 。但它对室内气流运动的计算需要较小的网格划分，因而计算量偏大。 ( 2 ) 多区模型方法 多区模型方法是利用伯努利方程求解开口两侧的压差，根据压差与流量的关系求 出流量。其优点是简单，可以预测整个建筑的风量，但不能够提供房间的温度与气流 分布信息。它只适用于预测每个房间参数分布较均匀的多区建筑的通风量，不适合预 测建筑内的气流分布。 ( 3 ) 区域模型方法 该方法的基本思想是：将房间划分为一些有限的宏观区域，认为每个区域的相关 参数如温度，浓度等相等，而区域间存在热质交换；建立质量和能量守恒方程，并充 分考虑压差和流动的关系来研究房间内温度分布及流动情况。该方法比多区域模型方 法复杂和精确，但比c f d 简单。它可以嵌套在多区建筑能源和气流分析软件，如 s p a r k c o m i s 和c o n t a m 预测气流及温度分布。 本课题主要采用c f d 方法，通过该方法可以得到研究空间详细的数据资料。与实 验测试比较，数值模拟计算具有以下优点【5 l l ： a 成本低 在大多数实际应用中，由于无需搭建实验台布置实验设备，模拟计算费用要比相 应的实验研究费用低几个数量级； b 速度快 数值计算可以在较短的时间内研究数百种不同的方案，并从中选择出最佳工况， 相应的实验研究却需要几个月或更长的时间； c 资料完备 对个问题进行计算机求解可以得到详尽而又完备的资料；它能够提供在整个计 算区域内所有的有关变量( 如速度、温度、浓度等) 的值，在计算中几乎没有达不到 的位置； d 具有模拟真实条件的能力 不需要采用缩小的模型； e 具有模拟理想条件的能力 在研究一种基本的物理现象时，人们希望实现若干理想化的条件( 如绝热表面等) ， 陡安大学硕士论文 在数值计算中，人们很容易准确给定这些条件；相反，再精确的实验安排也很难完全 做到这些理想化的条件。 1 5 2 研究工具 在自然通风的研究与设计过程中，需借助于现有的分析流体流动和能量的一些软 件并开发出适用于自然通风的软件。目前可应用于分析自然通风系统的通风特性和热 特性的常见软件有：c o n t a m w ，c o m i s ，l e s o c o o l ，n a t v e n t ，f l u e n t ，f l o v e m ，m i x ， c h e m i x ，b r e 与n e w q u i c k ，t r n s y s ，b l a s t ，e n e r g y p l u s ，d o e 2 ，e s p r 等。 本课题采用f l u e n t 6 1 软件对室内单纯热压作用下的自然通风进行数值模拟分 析，数值计算结果一部分直接利用f l u e n t 软件自行处理，一部分利用o