建筑自然通风设计计算技术导则

建筑自然通风设计计算技术导则Guideline for designing natural ventilation 贵州省住房和城乡建设厅发布前 言根据贵州省住房和城乡建设厅关于下达编制任务的通知（黔建科通2015151号）的要求，编制组经广泛调查研究，认真总结实践经验，参考国内外先进标准，并在广泛征求意见的基础上，制定本导则。本导则主要技术内容是：1.范围；2.规范性引用文件；3.术语和定义；4.计算方法；5.自然通风量常用计算方法。本导则由贵州省住房和城乡建设厅负责管理，由东南大学负责具体技术内容的解释。执行过程中如有意见或建议，请寄送东南大学（地址：南京市玄武区四牌楼2号东南大学动力楼401，邮政编码：）。本导则主编单位：东南大学 贵州中建建筑科研设计院有限公司本导则参编单位：贵州省建筑节能工程技术研究中心本导则主要起草人员：钱 华 高迎梅 郑晓红 钟安鑫 潘佩瑶 李新刚 黄巧玲 漆贵海 周 琦 杜 松 李 洋 李金桃 雷 艳 赖振彬 王 翔 刘建浩 李 元本导则主要审查人员：向尊太 陈京瑞 杨立光 胡俊辉 董 云 王建国 唐 飞 叶世碧 龙 君目录1 总则22 术语和符号22.1术语22.2 符号说明23 计算方法23.1 一般规定23.2 自然通风应用潜力23.3 自然通风原理23.4 自然通风策略23.5 自然通风的设计计算步骤24 自然通风量常用计算方法24.1 理论分析方法24.2 多区模型24.3 计算流体力学（CFD）2附录A： 风压系数2附录B：有效热量法21 总则1.0.1 为贯彻执行国家有关节约能源、保护环境的政策和法规，改善我省建筑室内环境，提高室内热舒适性，室内空气品质，降低建筑能耗，遵照现行国家有关标准，和自然通风研究现状，根据我省实际情况，制定本导则。1.0.2 本导则规定了用于计算建筑自然通风的术语和定义、编制原则、计算方法。1.0.3 本导则适用于我省建筑自然通风的设计计算方法的制定。1.0.4 下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅所注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。贵州居住建筑节能设计标准DBJ 52-49-2008民用建筑供暖通风与空气调节设计规范GB 50736-2012采暖通风与空气调节设计规范GB 50019-2003建筑通风效果测试与评价标准JGJ/T 309-2013ASHARE Standard 55-2010CIBSE：Natural ventilation in non-domestic in buildings1.0.5 建筑自然通风设计算，除可参照本导则外，尚应符合国家现行有关标准和规范的规定。2 术语和符号2.1术语2.1.1 自然通风 Natural ventilation依靠室外风力造成的风压和室内外空气温度差造成的热压等自然力，促使空气流动，使得建筑室内外空气交换的通风方式。2.1.2 穿堂风（贯流式通风） Cross ventilation通常是指建筑物迎风一侧和背风一侧均有开口，且开口之间有顺畅的空气通路，从而使自然风能够直接穿过整个建筑。这是一种主要依靠风压进行的通风。2.1.3 单面通风 Single-side ventilation当自然风的入口和出口在建筑物的同一个外表面上，这种通风方式被称为单面通风。这是一种主要依靠热压进行的通风。2.1.4 风井或者中庭通风 Chimney or atrium ventilation主要利用热压进行自然通风的一种方法，通过风井或者中庭中热空气上升的烟囱效应作为驱动力，把室内热空气通过风井和中庭顶部的排气口排向室外。2.1.5 热压 Buoyancy pressure由建筑开口两端得温度差引起的密度差造成压力差异。2.1.6 热压通风 Buoyancy-driven ventilation利用室内外热压引起的压差来进行室内外空气交换。2.1.7 风压 Wind-driven pressure由于建筑物的阻挡，使四周空气受阻，动压下降，静压升高，侧面和背面产生局部涡流静压下降和远处受干扰的气流相比，这种静压的升高和降低统称为风压。2.1.8 风压通风 Wind-driven ventilation利用室内外风压引起的压差来进行室内外空气交换。2.1.9 混合式通风 Mixed-mode ventilation 混合式通风系统是指自然通风和机械通风在一天的不同时刻或一年的不同季节里，在满足热舒适和室内空气质量的前提下交替或联合运行的通风系统。2.1.10 太阳诱导通风 Ventilation induced by solar energy依靠太阳辐射给建筑结构的一部分加热，从而产生大的温差，与传统的有内外温差引起流动的浮升力驱动策略相比，能获得更大的风量。2.2 符号说明建筑开口面积， 风压，有效开口面积，分别为穿堂风时风压和热压作用时的开口有效面积,热压，建筑顶部和底部的开口面积，风压作用下建筑开口两侧压差， 空气的比热容，热压作用下建筑开口的两侧压差， 风压系数，为开口1和开口2处的风压系数建筑余热（显热）， 热压系数室外空气温度，开口流量系数，一般小于1区域i的温度，重力加速度，取9.8建筑内部平均温度，通过建筑开口的空气质量流量,工作区温度，根据卫生标准规定，开口的高度，建筑上部开口的排气温度，两开口的中心高度差，温度随高度z的变化值；建筑物（房屋）高度， 平均温差，沿高度方向的温度梯度，开口两侧的温差，通过开口的体积流量，空气流过开口时的流速，建筑开口两侧压差，自由来流的速度， 高度z处建筑开口两侧压差，垂直高度，希腊字母：烟囱穿过屋顶部分的倾斜角度，空气密度，;开口的局部阻力系数穿过开口的空气密度差，参考温度下的空气密度，参考温度下的空气密度，下标：顶部开口底部开口3 计算方法3.1 一般规定3.1.1 通风时应优先考虑采用自然通风消除建筑物余热、余湿和降低污染物浓度。对于室外空气污染和噪声污染严重的地区，不宜采用自然通风。当自然通风不能满足要求时，应采用机械通风，或自然通风和机械通风结合的混合式通风。3.1.2 利用自然通风的建筑在设计时应满足：1 利用穿堂风进行自然通风的建筑，其迎风面与夏季主导风向宜成6090，且不应小于45，同时应考虑可利用的春秋季风向以充分利用自然通风；2 建筑群宜采用错列式、斜列式平面布置形式。3.1.3 自然通风区域与外墙开口或屋顶天窗的距离宜较近。通畅的通风开口面积不应小于房间地板面积的5%，其中：生活、工作的房间的通风开口有效面积应不小于该房间地板面积的5%；厨房的通风开口有效面积应不小于该房间地板面积的10%，并不得小于0.60m2。建筑内区房间若通过邻近房间进行自然通风，其通风开口面积与房间地板面积的比例应在上述基础上有所提高。各地具体情况应按当地相关标准执行。3.1.4采用自然通风的建筑，应先对建筑进行自然通风潜力分析，并依据气候条件设计自然通风策略。3.1.5 宜结合建筑设计，合理利用各种被动通风技术强化自然通风，如捕风装置、屋顶无动力风帽装置、太阳能诱导通风等方式。3.1.6 自然通风的空气从上游流向下游时会导致下游区域的空气质量和舒适性下降。气流组织方向应由干净区域向污浊区域流动。卫生间和厨房的气流应直接排向室外，必要时应使用排风扇或其它机械通风方式。3.1.7 建筑设计时尽量避免出现空气不流通区域，空气不流通会导致空气质量下降和舒适性变差。3.1.8 夏季自然通风应采用阻力系数小、易于操作和维修的进、排风口或窗扇。3.1.9 夏季自然通风用的进风口，其下缘距室内地面的高度应不大于1.2m；冬季自然通风用的进风口，当其下缘距室内地面的高度小于4m时，应采取防止冷风吹向人员活动区的措施。3.2 自然通风应用潜力3.2.1 自然通风的热舒适性不同于机械通风。ASHARE Standard 55-2010根据对21000个主要办公大楼测量所得的数据库建立了一个热舒适度适应模型，用来预测自然通风热舒适度，结果如图3.2.1-1所示。该图包含两个温度上限：满足80%可接受需求的上限，如图中实线所示；满足90%可接受需求的上限，如图中虚线所示。当其他要求都未知时，80%可接受上限可作为典型的限度。90%可接受上限适用于需要满足更高要求的情况。对于图3.2.1-1中显示的温度上下限，不能使用外插法对室外温度在限度以外的情况进行求解。图 3.2.1-1 自然通风条件下可接受的操作温度3.2.2 贵州省冬季多偏北或东北风而夏季多偏南或东南风（见表3.2.2-1）。这种具有规律性的季风特点对于建筑中采用自然通风是非常有利的。表3.2.2-1 设计用室外气象参数市海拔高度（）室外平均风速（）冬季主导风向夏季主导风向室外计算干球温度（）冬季夏季冬季通风夏季通风威宁2237.53.12.6北风转东北风南风转东南风-1.220.8桐梓972.01.72.1东风南风转东南风0.828.1毕节1510.60.41.3东北风东南风-0.625.7遵义843.91.01.3东风南风1.028.9贵阳1223.82.32.1东北风南风0.727.0三穗626.91.61.5北风南风转东南风0.229兴义1378.51.62.3东北风南风1.925.4室外气象条件是影响自然通风的主要因素，也是建筑物自然通风潜力评价的必要输入条件，选取由清华大学和中国气象信息中心气象资料室合作开发的逐时气象资料（CSWD），其基础数据来源于全国270个地面气象台站1971-2003年的气象观测数据。根据贵州省各市典型气象年（CSWD）数据计算贵州省各城市的月平均温度如表3.2.2-2所示：表3.2.2-2 各城市月平均温度（）城市月份威宁桐梓毕节遵义贵阳三穗兴义12.974.932.064.335.664.767.1124.956.893.956.157.066.489.58续表3.2.2-2 各城市月平均温度（）城市月份威宁桐梓毕节遵义贵阳三穗兴义38.2010.578.7210.5011.3710.4113.39411.1016.0313.7615.0816.2416.3317.67514.6418.0916.6219.9919.4619.3019.76616.2421.9819.6223.0322.6022.8821.03717.4124.5421.4225.2124.0325.2422.31817.4924.2521.2423.7023.1024.9921.84914.7920.1118.0921.0520.8421.3119.961011.6716.0014.2816.5616.2115.8416.19117.2511.7510.2612.3212.2810.6712.70123.296.184.786.546.946.078.13当室外温度过低时，自然通风很难保证热舒适性。根据实际工程情况，需要加设供暖设备，或自行调节窗户等开口以满足热舒适。本导则设定的自然通风的最低室外温度为12。根据上表以及图34. 2.1-1中自然通风建筑的舒适性标准，在90%满意率的情况下得到各地区不同月份的室内舒适温度范围如下表所示，在绝大多数时间内，自然通风可以满足热舒适性。表3.2.2-3 各城市自然通风室内舒适温度范围 （） 月份地点123456789101112威宁下18.519.820.120.92119.918.8上23.524.825.225.92624.923.9桐梓下18.620.120.6222322.921.420.418.9上23.223.125.927.127.927.626.525.523.9毕节下19.420.52121.921.720.719.718.6上24.925.726.426.926.725.824.823.6遵义下18.519.921.222.223.222.726.920.319上23.525.126.627.428.227.721.625.524贵阳下18.820.22122.222.822.221.620.219上23.825.326.327.327.827.426.925.324三穗下18.520.220.921.123.22321.72018.6上23.525.326.326.528.22826.72323.2兴义下19.220.721.126.92222.421.220.219.2上24.725.726.421.62727.326.625.324.33.2.3 建筑周围微环境预测与优化贵州地区夏季主导风向为偏南或东南风，建筑采用坐北朝南更有利于风压通风。建筑群错列、斜列的平面布局形式相对行列式更有利于自然通风。建筑周围的树木等植被的布置对气流会产生一定的遮挡、导流与缓和作用；其次，植被本身对空气质量与热舒适性有较强的改善作用。进风口附近的绿化，在夏季有明显的降温效果，水体有降温与加湿作用。通过实验或者软件模拟建筑周围风环境如压力场、温度场和速度场等，为自然通风的风压和热压具体应用方案提供依据。3.3 自然通风原理3.3.1 自然通风量计算：建筑开口的两侧存在的压力差计算公式为：（3.3.1-1）上式可改为：（3.3.1-2）开口面积和通过开口的空气体积流量的关系为：（3.3.1-3）或质量流量：（3.3.1-4）式中为开口的流量系数，在边缘比较明显的洞口流动中，流量系数的取值是0.61，基本与雷诺数的取值无关。3.3.2 风压作用下的自然通风，建筑物周围的风压分布与建筑物的几何形状和室外风向有关。风向一定时，建筑物外围护结构上某一点的风压值为： （ Pa） （3.3.1-5）风压系数可通过CFD或者风洞实验得到，见附录A。（3.3.1-6）图3.3.2-1 热压作用下自然通风3.3.3 热压作用下的自然通风，没有风的情况下，由建筑开口两侧的温差引起密度差造成空气流动，如图3.3.2-1所示，假定室内温度高于室外温度，即。处，室外压力，室内压力，中和面处室内外压力相等，当上下开口大小相等时，中和面位于两开口的中间位置。底部开口两侧压差为：顶部开口两侧压差为：（3.3.1-7）则热压作用下建筑开口两侧的压差为：（3.3.1-8）上式表面，热压压差与开口两侧空气密度差以及开口间的高度差有关。3.3.4 风压和热压联合通风，当风压和热压同时作用于建筑时，它们将联合起来决定通过建筑物开口的空气流动。如果两种压力的正负一致，它们将增加空气流量，但是如果正负相反，将减少空气流量，并且在一定的条件下，这两种压力会相互抵消，从而使得没有空气流过开口。3.4 自然通风策略3.4.1 单侧通风和穿堂风：图3.4.1-1所示，单侧通风通过使用窗户或其他通风装置来使室外空气进入建筑物，同时室内空气从同一开口或从同一面墙上的另一个开口流出。单侧通风主要驱动力是热压，特别是小开口的情况。当有多个开口设置在同一立面的不同高度时，除风压作用外，热压作用也可增加通风量。1 单侧开口房间热压驱动自然通风图3.4.4-1（a）所示，设计计算时，对于需求的通风量，以及确定的高差，可以计算开口面积：（3.4.1-1）图3.4.1-1（b）所示，设计计算时，同样利用公式(27),来计算开口面积，但是这里的为开口高度的一半。 （a）单侧通风，双开口（） （b）单侧通风，单开口（）图3.4.1-1 单侧自然通风2 穿堂风图3.4.1-2所示，设计计算时，对于需求的通风量，可以计算开口面积：图3.4.1-2 穿堂风示意图（3.4.1-2）穿堂风是建筑自然通风的一种常见形式，也是强化通风的最好方式之一。一般来说主要指风压作用下的室外空气从房间的一侧入口进入，另一侧出口流出，且贯穿房间内部空间。房间内部若出现隔断，穿堂风效果就大打折扣，合理的室内布局和隔断可以改善通风状况，使之流动较为均匀，有利于舒适和健康。一般来说，进深较小的房间更容易实现穿堂风，且进出口之间的距离不应大于房间高度的5倍。对于大体量建筑，穿堂风的利用具有一定难度，不过可以设置大的贯穿腔实现，包括横向和竖向腔体，如天井、中庭、走廊等。由于风压受室外环境的制约较大，穿堂风并不稳定。3.4.2 强化自然通风的技术手段，可以通过一些技术手段加强建筑的自然通风。1 中庭拔风中庭是现代办公建筑中常采用的一种建筑构件，它不仅能将室外光源带入室内，起到采光的作用，而且能实现自然通风。中庭拔风利用建筑内竖直腔体垂直方向上的温度梯度和室内外温差，让上下开口之间产生热压差，驱动自然通风。中庭拔风也称为“烟囱效应”。根据伯努利方程可得，通风量与开口间的高差成正比，即当温差不变时，通风量随高差的增大而变大。该通风方式还与室内外温差有关，一般来说温差越大，通风量越大。所以可以通过加热上部开口处的空气，使之产生更大的温差，以加强通风。建筑内部有热源，如人体、设备等散热将使室内温度升高，从而加大温差，更有利于自然通风。很多公共建筑利用该策略加强通风，可以通过机械装置吸入室外新鲜空气，穹顶吸收太阳能，利用“烟囱效应”将室内空气从顶部排出。或者利用金属（例如铜质）穹顶吸收太阳能，加大室内外温差，从而驱动自然风从下部开窗进入，建筑顶部排出。常见的中庭拔风形式见图3.4.2-1所示。图3.4.2-1 中庭拔风示意图2 风井通风风井包括气井、烟囱、通风塔等多种建筑形式元素，它以气压差为动力，若辅以必要措施（如设置小型风道和气流控制阀等）就可解决室内自然通风的控制问题。通常利用通风帽来加强自然通风。风向对建筑自然通风的影响很大，为了解决风向不稳定性使单向排（捕）风的风帽难以满足通风帽是建筑常采用的一类加强自然通风的技术，尤其是大型厂房、地下室等密闭空间。该技术利用风压和热压捕获自然风，而通风帽的热压作用必须与风压作用方向一致才会强化其通风效果，且强化热压作用效果可利用太阳能，现已发展了一种风压与热压耦合的自调节方向的通风帽。该通风帽利用自然风、太阳能集热蓄热材料提供的热压来共同驱动室内的进风和排风，以实现双向通风。无动力屋顶通风器，无动力式通风器是利用自然界空气对流的原理,将任何平行方向的空气流动,加速并转变为由下而上垂直的空气流动。3 太阳能诱导通风太阳能诱导通风依靠太阳辐射给建筑结构的一部分加热，从而产生大的温差，因此与传统的有内外温差引起流动的浮升力驱动策略相比，能获得更大的风量。太阳能烟囱是一类将热能转换成动能的强化自然通风设备，它将太阳辐射作为动力，利用密度差提供空气流动的浮力。这项技术已被广泛采用，欧美国家及部分亚洲国家将它应用于建筑采暖、通风及太阳房。目前，太阳能烟囱大致分为三类：竖直式太阳能烟囱、倾斜式太阳能烟囱、Trombe墙体式太阳能烟囱如图3.4.2-2图3.4.2-4。不同形式的太阳能烟囱其强化自然通风性能也存在差异，如表3.4.2-1所示。图3.4.2-2 竖直式太阳能烟囱1透明材料 2空气通道 3蓄热与绝热材料图3.4.2-3 倾斜式太阳能烟囱1透明材料 2空气通道 3蓄热与绝热材料Error! Reference source not found.室内室外（a）用于冬季加热室外室内（b）用于夏季通风图3.4.2-4 Trombe墙体式太阳能烟囱1透明材料 2空气通道 3蓄热与绝热材料 4外部冷空气太阳能烟囱通过太阳辐射被加热，蓄存在该结构中的热可被用于通风。被加热的烟囱外表面通过将建筑物内部的空气引出，并将其从顶部排走的方式实现自然通风的流动。室外的空气进入建筑物以更换内部热的，滞留的空气。特隆布墙集热器传统上用于空间加热，采用的方式是空气从房间进入墙低内部，被集热器加热，然后从高处返回房间，图3.4.2-4（a）的布置方式是用于冬季的，这时特隆布墙被用于加热房间空气。如图3.4.2-4(b)所示，通过在玻璃上设置一个位于高处的外部开口，关闭通向房间顶部开口，则这个装置就可以通过从另一开口将室外空气引入房间，将热空气通过特隆布抽走，从而用于冷却房间。表3.4.2-1 不同太阳能烟囱形式的自然通风性能比较太阳能烟囱形式优点缺点竖直式结构简单，能与建筑较好的匹配，且安装方便。烟囱内部压力损失比较大，且烟囱的最佳深高比不理想或不存在。倾斜式烟囱内部压力损失小，速度分布均匀，通风量较大。倾斜角决定烟囱性能，安装较复杂。Trombe墙体式冬天可供暖，存在最佳深高比且容易实现。存在回流现象，压力损失大。图3.4.3-1 带挡风板的矩形避风天窗目前国内外学者对于太阳能烟囱的研究主要通过理论、实验和数值模拟方法，研究发现它的通风性能受到烟囱结构、墙体物性、太阳辐射强度、气象参数等影响。合理的利用并优化太阳能烟囱能更好的为人们创造绿色、节能、舒适的居住环境。3.4.3 避风天窗，在有天窗的自然通风建筑中，建筑的余热及某些有害气体是依靠天窗排至室外的。这就要求天窗必须具有良好的排风性能，即不管室外风速、风向发生任何变化，都不能使风从天窗倒灌进来。普通的天窗往往在迎风面发生倒灌现象。出现倒灌现象就会使建筑的气流组织受到不同程度的破坏，不能满足室内卫生要求。要排除这种干扰，就得经常随风向改变去调整天窗。因此，为了使天窗不发生倒灌，排风性能稳定，常在天窗上增设挡风板，如图3.4.3-1所示。或采取其他结构形式，使天窗排气口无论风向如何变化，都处于负压区。这种天窗通常称为避风天窗。挡风板与天窗窗扇间距为天窗高度的1.01.5倍。挡风板下缘与屋顶之间留有50100mm的间隙，以便排出雨水。为了防止风沿房屋纵向方向吹来时产生倒灌，挡风板两端应当封闭，每隔一定距离用横隔板隔开。热压作用下，几种常见的天窗外形如图3.4.3-2所示。（a）纵向下沉式天窗 （b）横向下沉式 （c）天井式天窗图3.4.3-2 避风天窗示意图3.5 自然通风的设计计算步骤3.5.1 自然通风的计算分为两类，第一类为设计计算；第二类为校核计算。设计计算时根据已确定工艺条件（建筑余热等）和工作区的卫生条件（温度、有害物浓度等）求出必要的通风量，根据通风量，确定进、排风口的位置和所需的开口面积。3.5.2 校核计算是在工艺条件已知、建筑开口位置、面积已经确定的条件下，计算所能达到的通风换气量。校核其能否满足保持工作区必需的卫生条件。根据前述自然通风量计算公式(3.3-3)或者(3.3-4)即可计算。需要注意的是影响建筑内部气流和温度分布的因素是很复杂的。对于这些因素的详细研究必须针对具体对象进行模拟试验，或者在类似建筑中进行实地观测。一般自然通风计算过程假定：1 通风过程是温度的，影响自然通风的因素不随时间变化。2 假定任意一个计算分区内空气温度为。3 室内空气流动没有任何阻碍。4 不考虑局部气流影响。5 用封闭模型得出的空气动力系数适用于有空气流动的孔口。3.5.3 自然通风设计计算一般步骤：1 确定通风量及排气温度。排除余热所需的通风换气量计算公式为：（3.5.3-1）排气温度的确定方法有很多种，通常采用的有两种：1)温度梯度法：即根据温度梯度确定排气温度。（3.5.3-2）为沿房间高度方向的温度梯度，可由实际情况确定，也可参考表3.5.3-1，其数值在0.31.5之间。表3.5.3-1 建筑的温度梯度建筑散热强度()建筑高度(m)5678910111213141512431.00.90.80.70.60.50.40.40.40.30.224471.01.20.90.80.70.60.50.50.50.40.448701.51.51.21.10.90.80.80.80.80.80.57193-1.51.51.31.21.21.21.21.11.00.994116-1.51.51.51.51.51.51.41.3对于室内热源比较分散的房间，如冷加工车间和一般民用建筑，室内空气温度与高度大致是线性关系，可以采用此方法。2)有效热量法对于有强热源的建筑其排风温度计算方法见附录B。2 确定窗孔的位置，分配各窗孔的进、排风量。3 确定各窗孔内外压差和窗孔面积。3.5.4 下面以一个有两个开口建筑为例，给出风压驱动自然通风、热压驱动自然通风以及风压联合热压驱动自然通风的一般计算步骤。1 风压通风不考虑热压作用，仅风压驱动自然通风。Step1:计算室内外压差（3.5.4-1）Step2：计算有效开口面积，（3.5.4-2）（3.5.4-3）取0.61代入得：（3.5.4-4）Step3：计算每个开口的面积（3.5.4-5）假定两个开口大小相等，则（3.5.4-6）2 热压通风不考虑风压作用，仅仅靠热压驱动自然通风。Step1：计算室内外压差（3.5.4-7）Step2：计算有效开口面积，（3.5.4-8）（3.5.4-9）Step3：计算每个开口的面积（3.5.4-10）假定两个开口大小相等，则（3.5.4-11）3 风压和热压联合通风Step1：计算室内外压差（3.5.4-12）Step2：计算有效开口面积，（3.5.4-13）（3.5.4-14）Step3：计算每个开口的面积（3.5.4-15）假定两个开口大小相等，则（3.5.4-16）4 自然通风量常用计算方法自然通风过程的计算模型主要有理论分析、多区模型（multi-zone model）、计算流体力学（CFD）等方法。这些模型都是根据现实的物理现象进行了不同程度的简化，其中多区域模型和CFD模型是最常用的通风模型。一般构造简单的建筑，当只需要计算内部通风量时采用理论分析方法；当需要计算建筑长时间如全年的各时期的通风量时一般采用多区模型方法；当需要计算某一时刻建筑内部详细通风参数时常采用数值模拟的方法。4.1 理论分析方法利用前述的理论计算方法计算建筑的自然通风量，一般用于预测房间内部的通风量和预测房间的气流速度情况，不关注流动的细节，但是计算过程简单有效。4.2 多区模型多区域模型源自单一区域模型，单一区域模型将整栋建筑假定为单一的控制体（single control volume）。单区域模型中认为建筑内部是单一、充分混合的区域，压力、温度分布是均匀的，即只有一个节点。这个内部压力点与一个外部压力点相连，或与多个压力不同的外部节点相连。与多区域模型相比，单区域模型所要求的条件较少，但无法提供建筑外墙上空气渗透量的分布趋势。多区模型（multi-zone model）假设每个房间的特征参数分布均匀，则可将建筑的一个房间看作一个节点，通过窗户、门、缝隙等与其他房间连接。其优点是简单，可以预测通过整个建筑的风量，但不能提供房间内具体的温度与气流分布信息。该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就可求出空气流量。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，不适合预测建筑内部的气流分布。对于多区计算，可以利用前述理论进行计算，也可利用软件进行计算。常用软件有CONTAMW、 SPARK、COMIS、EnergyPlus、DOE-2、MIX、DEST等软件是基于多区模型来预测气流及温度分布。计算一般步骤：（1） 建模：建筑模型的建立（常用的建模软件有：DesignBuilder、SketchUp，AUTOCAD），建筑模型参数的输入（2） 软件中设置参数进行模拟计算。（3） 输出计算结果。4.3 计算流体力学（CFD）4.3.1 计算流体力学(英文全称为Computational Fluid Dynamics，简称为CFD)为数值模拟或数值仿真的一种方法，它是以电子计算机为手段，通过数值计算和图像显示的方法，达到对工程问题及物理问题进行研究的目的。其基本原理是利用大量的网格将模型空间划分为众多微小的区域，并用数值方法求解控制流体流动的微分方程，得出流动参数在连续区域上的离散分布。由于区域众多且微小，因此可近似模拟出流体的流动情况。CFD方法，能提供空间内流体流动的具体细节，例如速度场、压力场、温度场分布的时变特性，使得传统的建筑热环境研究及设计过程发生了改变。同时，数值模拟方法还可以准确预测研究对象的整体通风性能及环境参数，而且很容易从分析的过程中发现工程设计中的问题。据此提出的改进方案只需重新计算一次就可以判断、评估改进是否有效，并更容易得到某些规律性的认识。这样建筑热环境研究、设计与优化对实验和经验的依赖性大为减少，能够显著缩短实验周期，降低费用。4.3.2 常用的CFD软件有Phoenics、Fluent、CFX、Flowvent、CFX、StarCD等等，在通风空调领域应用较多的是Fluent和Phoenics。Phoenics软件在与外界建模软件接口方面有很大的优势，可以借助于3D MAX、CAD的工具建立模拟对象的空间模型，然后通过Phoenics的输入接口导入分析域中。Fluent公司面向工程师、建筑师和设计师开发的专业应用于HVAC领域的软件Airpak,它可以准确地模拟通风系统的空气流动、空气品质、传热、污染和舒适度等问题。它在建立模型、划分计算网格与后期处理方面都作了优化。与Fluent软件相比较，Airpak使用起来更方便，适合对CFD技术与流体力学了解不多的建筑师、工程师使用。由于Airpak依然使用Fluent作为数值求解内核，所以计算结果与使用F1uent软件得到的结果是一样的。4.3.3 CFD模型就是我们常说的计算流体力学在建筑通风上的应用，CFD模型采用数值的方法求解动量、能量和质量的偏微分方程。CFD模型的求解得到的是空间中空气温度、压力、流速、水蒸气分压力、污染物的浓度和室内外的紊流系数。使用CFD模型模拟通风过程对使用者的能力提出了更高的要求，对计算机的性能要求也更高。CFD模型被广泛地应用于研究室内空气品质、热舒适性、防火和空调系统中。4.3.4 相比于其他模型，CFD模型是最常用的分析方法，也存在很多CFD分析风环境的软件。CFD计算一般步骤：1 了解项目需求，确定模拟目的。2 确定计算域。3 建立物理模型。4 划分网格5 确定湍流模型。6 输入合理的边界条件和其他物性参数。如采用非稳态模拟，还应输入合理的初始条件。7 设定其他必要的计算控制参数。8 对结果进行展示和分析。4.3.5 CFD建模模拟注意事项。1 建模及简化通用原则。1）物理模型的几何模型尺寸应按照实际建筑尺寸1:1构建，应包含重点组件；2）物理模型宜按需简化，并以对象物理量不受显著影响为前提；3）可根据模型和边界条件的对称性设置对称面。2 计算域的确定：1）基于CFD软件采用室内外联合模拟的方法时，水平方向的长和宽应大于5倍建筑楼高、垂直方向的计算区域应大于4倍建筑楼高。2）基于CFD软件采用室外、室内分步模拟法时，室外模拟的设定和流程需依据风环境模拟相关规定。3 物理模型构建参照如下原则：1）建筑门窗等其他通风口均应根据常见的开闭情况进行建模。2）自然通风的开口面积应按照实际的可开启面积进行设置。3）目标建筑的室内空间的建模范围应构建所有室内隔断，宜包含大型橱柜类家具，可不包含桌、椅等不显著阻隔通风的家具。4 网格优化：1）采用室内外联合模拟的方法时宜采用多尺度网格，室内的网格应能反映所有显著阻隔通风的室内设施，网格过渡比不宜大于2。2）采用室内、室外分步模拟的方法时，室内的网格应能反映所有显著阻隔通风的室内设施，通风口上宜有9个（3x3）以上的网格。5 湍流模型的选取。根据计算对象的特征和计算目的，选取合适的湍流模型。常用的湍流模型有：标准k-模型、RNG k-模型、LES模型等6 室外边界条件：统一设定基础边界条件。温热环境模拟的基础边界条件为室外风速、风向，室外气温。应当根据项目地的实测值以及模拟目的确定基础边界条件。7 室内边界条件：对于空间高度5m或空间体量10000m3的空间，自然通风模拟时，可不考虑室内热边界条件；以分析室内热环境作为模拟目标的，或中庭空间大于上述标准时，应合理设定热边界条件。附录A： 风压系数风压系数的计算（A.1）主视图 平面图（a）主视图 平面图（b）（a）平顶建筑（b）斜顶建筑图 图A-1 建筑风压分布建筑物表面的风压分布由建筑物相对于主导风向的位置以及建筑本身的几何形状决定。迎风面的风速受风本身以及在建筑表面风向偏转的影响而具有正的压力系数（高于风的静压值），建筑物的顶部和背风面（风的下游）由于在顶部和迎风墙面相交处产生边界层从建筑表面分离而具有负的压力系数（低于风的静压值）。建筑物侧面的风压系数可正可负，这取决于它们相对主异风向的倾角。图A-1（a）和（b）分别展示了在平屋顶和斜屋顶建筑上的压力系数分布情况。通过开口的空气流动除了受外部压力影响外，还受内部压力的影响，内部压力受风压和热压的共同影响。假定风压是唯一的作用压力，内部没有分隔物的建筑的内压可以利用通过流动开口的质量守恒原理来获得。例如，一个由四面墙构成的建筑物，每个面上有一个等面积的开口，四个开口中有一个进风口，三个出风口，假设外部压力系数为，其中n=14为壁面号，内部压力系数为，那么进入或离开每个开口的风量有如下关系：（A.2）如果空气通过开口1（正）进入，从其余三个开口（负）离开，那么可以由如下方程计算得到：(A.3)举例说明：如果代入以上数值，求解上式得到：。如果存在内部分隔物，而且在建筑物外表面和内部分隔面上都有开口，那么每个内部区域的必须按照上面的方法求出。如果每个开口的面积不相等，则应在下面的流量计算式中包括每个开口的面积，（A.4）式中。（A.5）使用以上几个计算式时需要带入正确的风速值，它一般对应于建筑物高度H。通常需要考虑建筑物的高度以及该地点附近存在的阻碍空气流动的因素，利用:（A.6）来进行修正。表1 式中的地形因素地形cb开放平原区0.680.17被分散风分割的地区0.520.20城市0.350.25都市0.210.33（该方法参考Hazim B. AwbiVentilation of Buildings 建筑通风李先庭 赵彬 译）附录B：有效热量法有效热量法（即m值法）：对于有强大热源的工业厂房等建筑，沿建筑高度方向空气温度分布是比较复杂的，在热源上分会形成热射流，热射流开始的温度是很高的，随着热射流的上升，周围空气不断卷入，温度逐渐下降，到达建筑上部开口时射流温度并非为排风温度。射流大部分从排风口排出，而另一部分则从四周回流，进入工作区，从而将车间余热量的一部分又带回到工作区，影响工作区的温度，这一部分余热称为有效余热量。有效余热量和车间总余热量之间的比值m称为有效热量系数。这个建筑建立热平衡方程（B.1）以工作区建立热平衡方程：（B.2）联立（1）式（2）式得：（B.3）利用m值从公式（3） 可以确定排气温度。m值的大小主要取决于热源的集中程度和车间热源的布置，各种房间的有效热量系数见表1：表1 各建筑有效热量系数序号生产厂房名称m值1炼钢车间：1、平炉、转炉、电炉跨间 2、铸锭跨间 3、脱锭跨间4、余热锅炉房0.40.30.30.72轧钢车间：1、均热炉及轧机跨间 2、加热炉间，加热炉炉渣走廊 3、半连续轧钢热处理间 0.50.30.63铸造车间：1、分散就地浇注铸铁车间 2、铸钢和铸铜车间 3、落砂工部 4、 清理工部0.250.450.350.350.44锻工车间：1、锻工场（有炉子设备） 2、水压机车间0.30.315热处理车间0.456铝电解车间0.65当缺乏足够数据时，值可根据表2确定：表2 根据散热设备占地面积确定值0.10.20.30.40.50.6值0.250.420.550.600.650.70注：f为散热设备占地面积（）；F为车间面积（）。（贵州省建筑自然通风设计计算技术导则Guideline for designing natural ventilation in Guizhou province条文说明制定说明为便于广大设计、施工、科研、学校等单位的有关人员在使用本导则时能正确理解和执行条文规定，贵州省建筑自然通风设计计算技术导则编制组按章、节、条顺序编制了本规程的条文说明，对条文规定的目的、依据以及执行中需要注意的有关事项进行了说明。在使用中如发现本条文说明有不妥之处，请将意见函寄东南大学。目录1 范围12 规范性引用文件13 术语和符号13.1术语13.2 符号表24 计算方法34.1 一般规定34.2 自然通风应用潜力54.3 自然通风原理64.4自然通风策略64.5 规定了自然通风的设计计算一般步骤95 自然通风量常用计算方法105.1 理论分析方法105.2多区模型（multi-zone model）105.3计算流体力学（CFD）101 范围随着全球可持续发展战略的深入人心，自然通风(或多元通风:机械辅助式自然通风)这项古老的技术重新得到了重视。自然通风是指利用建筑物内外空气的密度差引起的热压或风力造成的风压来促使空气流动而进行的通风换气。自然通风受外部环境的影响很大，通风效应不稳定和不易控制，而且受到外部污染源的影响，如噪声和空气污染等。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，降低室内温度，带走潮湿气体，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，有利于人的生理和心理健康，满足人们心理上亲近自然、回归自然的需求。阐述了本导则的基本内容和适用范围。建筑自然通风能够提供室内热舒适性，改善室内空气品质，和降低建筑能耗等特点。结合贵州省气象特征，分析了自然通风的应用潜力，给出了自然通风设计计算步骤和常用计算方法。 2 规范性引用文件结合国内外关于自然通风设计计算的相关标准、规范和文献，列出对本导则参考和应用