夏熱冬冷地區(qū)自然通風(fēng)對建筑熱濕環(huán)境的影響

邵亮峰

摘要：介紹了自然通風(fēng)研究的現(xiàn)狀，并以某公共建筑為研究對象，通過建立該建筑自然通風(fēng)的物理模型，設(shè)定相應(yīng)的邊界條件和網(wǎng)格劃分，選用數(shù)學(xué)模型，運用CFD分析了不同室內(nèi)外溫差對室內(nèi)溫度場和速度場的影響規(guī)律，得出該特征氣候區(qū)的通風(fēng)策略。該研究結(jié)果可為與氣候相近的地區(qū)建筑設(shè)計以及建筑節(jié)能改造提供技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：夏熱冬冷；通風(fēng)；建筑熱濕環(huán)境

中圖分類號：TU834.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）05-0101-03

自然通風(fēng)在提高室內(nèi)空氣品質(zhì)的同時，也能起到很好的節(jié)能作用。重慶大學(xué)的李百戰(zhàn)將遮陽技術(shù)與自然通風(fēng)技術(shù)相結(jié)合，研究發(fā)現(xiàn)，兩者結(jié)合可以有效改善室內(nèi)的熱濕環(huán)境，同時達(dá)到節(jié)能的目的。潘剛以研究了建筑的通風(fēng)面積與自然通風(fēng)量的相互影響，得到了自然通風(fēng)在建筑節(jié)能中的權(quán)重。西安建筑科技大學(xué)的楊柳以北方嚴(yán)寒或者寒冷地區(qū)的辦公室為例，分析了夜間通風(fēng)降溫除濕的可行性，并將氣候降溫潛力作為夜間通風(fēng)的量化指標(biāo)。重慶大學(xué)的付祥釗要求熱濕地區(qū)的公共建筑設(shè)計時需著重考慮自然通風(fēng)設(shè)計，輔助以機(jī)械通風(fēng)的設(shè)計思想。重慶大學(xué)的王勇利用數(shù)值模擬和實驗，分析了自然通風(fēng)對建筑降溫除濕的效果及規(guī)律，為建筑節(jié)能設(shè)計提供了一種有效的新思路。甘靈麗以重慶地區(qū)的特征氣候為基礎(chǔ)，分析并得到了自然通風(fēng)（間歇通風(fēng)）的時效性，提出了針對非穩(wěn)態(tài)氣候條件下的自然通風(fēng)策略。李芃以統(tǒng)計分析的方法，對上海辦公樓的自然通風(fēng)利用SPSS軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析，研究發(fā)現(xiàn)，自然通風(fēng)能夠有利于提高室內(nèi)的通風(fēng)換氣次數(shù)并能滿足室溫的要求，以此達(dá)到降低建筑能耗的目的。自然通風(fēng)屬于可再生的新能源，因此，自然通風(fēng)具有很強(qiáng)的地域性氣候特點，只有針對相應(yīng)氣候條件下，選取該地區(qū)的典型建筑進(jìn)行針對性的分析，才能了解本地區(qū)自然通風(fēng)的節(jié)能潛力，為建筑節(jié)能改造及建筑設(shè)計提供可靠的依據(jù)和參考?；诖耍疚囊韵臒岫涞貐^(qū)的氣候特征為例，數(shù)值模擬分析了自然通風(fēng)對公共建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境的影響規(guī)律。

一、數(shù)值模擬的基本條件

（一）物理模型的建立

選擇該地區(qū)的典型公共建筑的大堂作為本研究的物理模型，該建筑屬于坐南朝北，以下部位均采用玻璃幕墻結(jié)構(gòu)：南北兩個朝向的外墻，東西兩個朝向的墻體以及屋頂，剩余部分均為內(nèi)圍護(hù)結(jié)構(gòu)。由于本建筑的大堂沒有側(cè)面窗戶，本研究準(zhǔn)備對有側(cè)面窗戶的情況進(jìn)行數(shù)值模擬分析，門口作為空氣的入口，側(cè)面窗戶作為空氣的出口。其物理模型見圖1。

（二）邊界條件的設(shè)定

在采用CFD進(jìn)行數(shù)值計算過程中，邊界條件的合理設(shè)置具有舉足輕重的作用，通常應(yīng)該盡可能地使其與實際情況相一致。本研究中，設(shè)置室內(nèi)外溫差為3℃（1）及7℃（2）兩個情況的工況，工況（1）屬于將窗戶開啟到最大的情況，門口進(jìn)風(fēng)風(fēng)速與窗戶的出風(fēng)風(fēng)速相等，均為0.8m/s，工況（2）屬于窗戶開啟較小的情況，門口進(jìn)風(fēng)風(fēng)速及窗戶出風(fēng)風(fēng)速均為1.3m/s。

（三）數(shù)學(xué)描述及湍流模型的選取

1.數(shù)學(xué)描述。

流體的流動可以用三大方程來進(jìn)行描述，包括流體的連續(xù)性方程、動量守恒方程和能量守恒方程。其通式為：

■+div（ρuφ）=div（Γgradφ）+S （1）

式中，φ-通用變量；S-源項；Γ-擴(kuò)散系數(shù)。

2.湍流模型。

湍流分為自由湍流和近壁面湍流兩種情況，通常采用N-S方程來描述湍流產(chǎn)生的機(jī)理，標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型在數(shù)值計算中精度較高、計算量較為適中，故，標(biāo)準(zhǔn)模型在目前的流場模擬中被廣泛應(yīng)用。其表達(dá)式為：

ρ■=■μ+■？搖■+G■+G■-ρε-Y■ （2）

ρ■=■μ+■？搖■+C■■（G■+C■G■）-C■ρ■ （3）

式中，G■-浮力產(chǎn)生的湍動能，G■-速度梯度產(chǎn)生的湍動能；Y■-耗散率。μ■=ρC■k■/ε，C■=0.09，C■=1.92，C■=1.44，耗散率ε與湍動能k的湍流普朗特數(shù)分別為σ■=1.3，σ■=1.0。

二、數(shù)值模擬結(jié)果及討論

（一）溫度場模擬結(jié)果

不同斷面速度場模擬結(jié)果見圖2。

由圖2（a～d）可知，室內(nèi)的溫度場呈對稱分布，并且具有熱力分層，隨著室內(nèi)外溫差的增大，2m以下的區(qū)域溫度呈現(xiàn)上升的趨勢，其中，2m斷面處的溫度增加了2.1K，10m斷面處的溫度增加了2K，其溫度梯度也呈現(xiàn)增加的趨勢，總體上還是能夠滿足熱體舒適性的要求。從不同工況下溫度場的分布情況可知，當(dāng)室內(nèi)外的溫差變大的時候，室內(nèi)垂直方面的溫度梯度相應(yīng)增加，水平方向的溫度場部分不均勻。

（二）速度場模擬結(jié)果

不同斷面速度場模擬結(jié)果見圖3。

從圖3（a、b）可知，工況1的新風(fēng)的空氣齡較工況2小，工況1的新風(fēng)與室內(nèi)空進(jìn)行熱交換后被排除室外，而工況2的新風(fēng)與室內(nèi)空氣進(jìn)行熱交換后，大多聚集在房間的上部，使室內(nèi)的溫度呈現(xiàn)上升之勢。由于受到熱源的影響，室內(nèi)形成較弱的速度場，其中，受熱的氣流由于密度小而上升，但是其上升的速度較小，由于受到近壁面摩擦阻力的影響，由此形成了較小的回流和漩渦。

從圖3（c～f）發(fā)現(xiàn)，流場以射流的軸線對稱分布，在軸線的兩側(cè)呈現(xiàn)出漩渦和回流區(qū)。其中，隨室內(nèi)外溫差增大，室內(nèi)的速度分布呈現(xiàn)顯著的變化。

三、結(jié)果討論

從以上分析可以看出，室內(nèi)外的溫差變化直接影響室內(nèi)溫度場的分布，但是溫度場的變化規(guī)律不受室內(nèi)外溫差變化的影響，不同工況條件下，房間的熱力分層高度基本不變，均為2m處左右。室內(nèi)外溫差對工作區(qū)的溫度分布的影響較大，但是對工作區(qū)以上區(qū)域的影響甚微。室內(nèi)工作區(qū)的溫度梯度隨室內(nèi)外溫差的增加而受到了較大的影響，其房間工作區(qū)以上的區(qū)域溫度也有所增加，房間內(nèi)的熱力分層依然保持基本不變。不同條件下，由于卷席作用，新風(fēng)射流沿射流方向的速度逐漸減小，并且在射流軸線的兩側(cè)會出現(xiàn)回流區(qū)和漩渦。

四、結(jié)論

通過綜上所述的分析可得，室內(nèi)的溫度梯度隨開窗面積的減小而增加；新風(fēng)射流軸線兩側(cè)會出現(xiàn)回流區(qū)及漩渦；由于射流的卷席作用，新風(fēng)射流的軸心速度逐漸減小。

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