自然通风与能源效率

英文翻译 A Energy efficiency with natural ventilation a case study S D FitzgeraldMA PhD CEng FEI FCIBSEand A W WoodsMA PhD UK 2007 自然通风与能源效率 一个案例研究 杰拉德 博士 和罗樵夫 博士 摘要 本文评述了在一个自然通风商场空气流动实验室模拟建模中的应用 通 风的详细研究 为了确定和探索自然通风是否会提高高密度的美食广场面积局 部降温与机械通风系统进行比较 案例研究是用来展示实验室如何模拟简化与 数学模型的结合 使之迅速确定哪些可能发生的各种流态 以量化所得流量和 平均温度 并由此确定不同外部条件适当通风策略 1 引言引言 1 1 建筑物能源使用建筑物能源使用 英国国内能源差距拉大和国内需求将超过本土出产 现在 重要的是减少英 国的能源需求 以缩小差距 建筑物的能源提供占全部 40 的能量消耗和这在 很大程度上是和加热和冷却相关联 众所周知的是当前英国广泛建筑的能量利 用效率低下 一般旧式楼宇比新建筑的保温性差 并有低效的能源管理系统和 低效照明 改善现有建筑物的能源效率是非常重要的 但由于预算有限 往往 允许翻新具有挑战性 然而 即使是低能耗的新建筑 也有能效利用差异 例 如 有空调的建筑物 它正日益成为常态 通常成本较高并可能消耗 10 左右 的能源比那些没有空调的建筑物 因此 设计合理的非空调的建筑物为减少建 筑行业内油耗有显著的作用 工程师面临的主要挑战之一是设计低能量建筑系 统 通过有效地应对外部变化的条件 例如风和温度 和内部热负荷来提供舒 适的条件 1 2 自然通风建筑设计自然通风建筑设计 不依靠机械设备的建筑物吸引新鲜空气被称为自然通风 通过不同性质 例 如风压或外部与内部之间的温度差而产生浮力的力被用来驱动空气流过的建筑 物 自然通风建筑物的设计需要热源之间的相互作用的模式使空气循环 这种 认识是重要的 如果建筑物被成功地设计和合适的策略 可以最大限度地减少 能量的使用 热源和建筑规模气流之间相互作用的精确地模拟是一个困难的问题 例如 最近的研究表明在完全相同的外部条件建筑物呈现多个潜在流动型态 因此是 很困难和耗时在正常设计程序与建模工具的过程中 例如计算流体动力学 CFD 来识别这些现象 通常情况下 CFD 模型预测给定的初始条件 并加热 和冷却负荷的流动的模式 但没有明确搜索多个状态 同样地 虽然一些简单 的纬向模型可以识别多个流态的发生 它们并不总是面向这样的应用程序 而 是预测的一种可能的流动模式 此外 纬向模型的通风设计是不混合的交互模 型 其中可能存在双向流通过一些开口 以置换通风的方式通过通风口 为了解决这种流态 新的模拟实验室技术已被开发 以模拟可能出现在建筑 物内的通风流动 这种模型的提出是以设计人员快速可视化和量化的流动模式 的自然通风建筑 该实验涉及使用浸在水浴有机玻璃模型 用热金属丝 以模 拟热负荷和冷却水 以模拟机械冷却 适当的量化模型的基础上 纬向建模方 法 但占两者混合和置换通风 然后可确定空气流量和热舒适条件下自然通风 建筑 这样的模型可以解释热质量和各种控制策略符合实验室模型的效果的优 点 新的实验室模拟方法提供了 CFD 研究的补充 对于大型建筑项目 它非常适 合于建筑尺度流动模式和建筑规模通风控制的预测 而 CFD 研究是适当确定的 更局部化的信息流动 或许在封闭的办公空间 或流入附近的空气分销商和门 道 事实上 随着大型建筑物的高度复杂的几何形状 利用 CFD 大规模流动型 态很难可视化 这种模型的输出 通常使用通过建筑物的二维切片 以产生流 体等值线图 此外 该解决方案依赖于时间的通过三维建筑物几何流动方程 需要小规模的混合过程 这限制了这种模型参数化的精确度 1 3 案例分析案例分析 实验室模拟建模是在诺里奇中心新的购物中心的应用 通过不断的发展 本 文评述了大型开放空间 如内饰大型商场 由于非常开放高大为室内自然通风 提供了巨大的潜力 然而 这样的自然通风系统是复杂的 由于系统内因为不 同的季节的热源空间和不同通风要求来设计和管理 着手通风的详细研究的原 则 并探讨如何自然通风可能与一个局部的机械互动通风系统的设计 以提高 冷却人员密度高的美食广场 这项研究涉及的理论模型的发展 根据季节以确 定不同的通风量 一系列小规模的实验室模拟实验 然后进行到在该空间内探 索更详细的流动模式 结合自然和机械的作用下的范围的工作条件下 图 1 的通风 该实验图 1 中所示 置于水浴中并通过导线通过电流 以模拟热负荷 冷冻水加入到该食品店面积来表示机械冷却 罐具有开口的顶部和基部模拟屋 顶栈和低级的通风口靠近门的商场 电线携带电流和监测在整个温度的热电偶 模型可以看出在图 1 管道供应的通风液在美食广场还可以在美食广场区域的顶 部看到 图 1 一个实验室使用水浴加热的水和冷却装置提供了一个模拟的动力学模型流动 状态的真实建筑物气流的建模型拟 涉及的雷诺数的动力学机制流过开口和对 流建立对等 具有适用于气流中的建筑物的值的瑞利数是很重要的 实验室模型和实际的空气流之间的一个重要区别是普朗特数 其表示运动粘 度的热扩散率的比率 在空气中的普朗特数为 0 7 而在水中是约 5 这种差异意 味着动量边界层厚度支配热边界层中的水 而在空气它们的尺寸更紧密 更深 热边界层 这样做的结果是 流过的热障碍是不同 因此详细的流动模式不应 该被解释为直接类似于在真实建筑物的空气流 虽然整体大型流动模式和温度 分布是相似的 在分析温度在建筑物内是有帮助的 重点放在相对温度 而不 是绝对的温度 因为它是用于控制浮力和动力流动状态的 在实验室模型中 壁实验具有相对较低的热质量 因此该机型是严格适用于相对轻巧保温建筑 在下文中 在一个典型的购物中心的热预算被描述及其与季节变化进行了探 讨 有两种流态的可能出现 如果商场具有净热负载 因此外部空气比较温暖 如果商场有净冷却载荷 包括机械通气的美食广场的效果 也就是说 在商场 里面的空气比室外凉爽 讨论显示出的整个实验结果简化于图 2 入口商场都在 美食广场的三面开口 正殿和美食广场的屋顶有一系列的通风堆栈 建筑物的 侧视图可在图中所示的实验模型可以看出以简化形式 图 2 2 复杂的热复杂的热 2 1 热平衡热平衡 主要的购物大厅和机械冷藏食品厅的热可以通过内部空间的整体热平衡来确 定 用一些近似和简化 地板下的加热系统 具有大约 100 千瓦总热负荷 用 在冬季温暖的空间 在这一年 随着游客的购物中心相关的热负荷是进一步的 100 千瓦 此外 太阳能增益和通过玻璃的热损失和其他放射性热通量可能出 现在复杂的壁上 在商场的美食广场区系统必须提供送风量流量为 12 立方米 s 的能力条件 用餐区域内实现约 22 24 8C 温度的目的 除了这些热负荷 还有通过商场的净流量的通风带来的外部空气和排出空气 的排气口附近的温度 模拟实验模型表明 有一些横向分层商场 由于大的对 流沿商场 见下文 流动 这些波动的幅度是因为相对于平均值的内部和外部 温度之间的差值较小造成的 与通风相关联的热通量的大小可因此通过假设排 气温度与商场的平均温度相同来估计 图 3 示出在商场的平均温度 将与上述的热负荷作为外部温度的函数作出一 个预测 图中给出了一系列的自然通风流动速率 在线示出 的值 并假设将 冷却空气在用餐区入口温度为 14 给定的热交换和通风简化的图象 该图表 明 对于许多年 在商场温度比外部温度高 其结果是 自然通风的流动力可 以是一个向上的浮力驱动流动 如果流入和流出的通风口的面积足够大 图 4 为在大楼给定的温度下的对比度和一个给定的通气区域相关的自然通风流量计 算并加上热收支计算来预测温度过量相对建筑物到外部作为净对流热负荷的函 数 不包括自然通风热负荷 在盛夏时如果外部温度升高到超过 30 的值时主要是向上的流动 在这种 情况下 冷空气的食品店产生大量热负荷 导致整个建筑的弱净冷却 在这种 情况下 一个向下的自然浮力驱动的流动可以利用 如在下一节指示 图 3 图 4 总的原则 将有一段时间 当外部相对于所述建筑物是凉爽则是典型自然 通风 在许多情况下 外部温度的波动 可导致这样的变化 一个复杂的商场 考虑的功能是相对于商场规模的制冷 如显示在下面的章节中 这将导致大量 横向的温度梯度 如上述 这里提出减少热预算 其中我们假设的空间充分混 合的准确性 然而 这并不影响向上的一般原则和向下通风流动 2 2 基本的通风流向基本的通风流向 滞留在购物中心内的热负荷 是商场温度和对流热负荷的函数 并且在商 场的总通风率可以计算 图 4 一些这样的建筑物中最具挑战性的条件是那些 在一个非常静止的环境中 当空气的自然浮力是驱动空气流中可用的唯一动力 这里介绍的计算 图 4 对应于这种情况 并导致该商场温度在对流热负荷和 总通气流量方面的预测 也见由格拉德斯通和伍兹工作 计算适用于其中的通 风孔之间有效高度为 10 m 的情况 如果此值增加 则通风率增加和过量的温 度下降 计算表明 有可能实现非常舒适的室内条件下 在英国的气候 在夏 季和冬季 通过适当调整内部加热的规定 可以通过改变通风口的通风气流的有 效面积的大小进一步控制 3 流动规律流动规律 在上一节探讨了复合物的总热预算 一系列的实验室实验 现在提出来在有 一个较大的自然冷却的本地源通风的一些大范围空间的流动规律 3 1 盛夏模式盛夏模式 在这个体制中 建筑物好比外部的一个净冷却器 然而 冷却是通过局部源 产生的 在食品店 冷却的空气通过建立一个净循环围绕整个购物中心格局 显示于图 5 a 和图 4 中的实验的照片 图 5 在实验中 食品店的冷水供应被染成蓝色 这水从天花板附近水平本地源通 过商城下降 因为它下降时 它形成了一个混合了一些之前到达基部周围的流 体 这表示混合冷却的空气通过一高级别空气扩散器被泵送 并通过空间下降 在这种夏天模式中 冷却负载占主导地位 因此 供应冷流体下降到商场的地 板 然后要么通过在该商场不同的开口 或通过再循环商场 被加热 因为它 蔓延到商场的尽头 然后它上升和流回朝向食品店区 在那里它与预冷却的空 气继续供给混合并再一次下降到商场 向下置换通风的这种模式的出现是由于 外部条件很热和需要冷却的食品店的结果 内部简化的充分混合模型提供了一 个良好估计在这种情况下 热预算 然而 随着更多的散热的条件下 商场会 比外面热是可能的 从而导致一个单独的类向上位移的流动 如下所述 3 2 向上置换通风向上置换通风 通风是最有可能适用于冬季和春季 秋季条件的 再次 由于冷却的本地源 在复杂商场建立一个净循环趋于变得重要 商场的美食广场的冷空气下降和混 合 被加热到高于其外部的 然后又上升起 以及通过所述下部喷口和空气供 给从食品店流入 有实际上在商场的屋顶大规模交换流动 来驱动大型循环流 图 6 图 6 表明 在商场空气的大型横向流动往往在商场远端带动流出 附近有一 些高层次的美食广场通过下开口流入 并在美食广场提供机械流入的补充 所 述额外的高级别流入变为既定的因为可用于通风的屋顶与较低级别的流入通风 口面积比大得多 这可以理解通过考虑限制的情况 其中 低级别的通风口都 关闭的 混合通风流量通过屋顶变得成立 为了使商场可以作为低级别的通风 口被逐渐打开 这混合通风流动持续 直到低级别的通风口提供足够的流入区 域 一个纯粹的向上位移通风模式是能够扭转在上部堆叠的流动 大厅内的大 流通导致了一些温度梯度 4 相邻的商店影响热负荷相邻的商店影响热负荷 图 5 和图 6 表明 建设时使用的设计规范分析了主要的通风 这些准则是有 些牵强 因为他们假定商店之间没有热交换 在实践中 一些热交换确实发生 均通过商店墙壁和窗户的织物辐射传输 也由于在门打开时交换大量的空气通 风流动 事实上 大型百货商场连接到主要商场一般都有自己的门道入口固定 开放 为商场和专卖店提供了大面积的 30 40 平方米 在吉利商场购物中心索 利哈尔的测量结果建议通过这种开口的空气流的速度可以大至 1 米 秒 由于该 店铺和商场之间的空气温度差 可能使夏季制冷负荷大 甚至占主导地位 如 果商店是空调 或热负荷在冬季 为了诠释它的重要性 这种流动对商场的整 体循环模式影响 进一步的一系列实验 有清凉液发散源进入商场 从百货公 司 商场与流体的相应平衡水槽一端 同时冷却另一端的美食广场 图 7 显示 了提供给食品店模拟的空气湛蓝海水与在右端的百货公司染成了红色 这红色 液体形成了回收空气循环单元 蓝色流体来源于建筑物左手端的食品店的空调 图 6 在实验中 图 7 每个冷空气的电流沿商场的地板并通过在商场的热负荷 加热 最终的电流满足 并调整到该点都具有相同的温度 它们均上升到循环 区的顶部在这一点上 然后返回到商场每一端 以这种方式 一个稳定的双环 流系统成为确立 有些出人意料的是 虽然商场设计自然通风但是建筑在夏天基本上使用机械 通风 在这种模式下空气在商场的顶部的热稳定区在夏天不活跃 他们的主要 设计目的是为了夏季自然通风 实验确定