單側自然通風建筑室內(nèi)熱環(huán)境模擬及分析

1、單側自然通風建筑室內(nèi)熱環(huán)境模擬及分析摘 要：本文對單側自然通風作用下淺進深的中庭溫度場進行了實驗測量，同時采用帶浮力項的修正k-模型對室內(nèi)熱環(huán)境進行模擬計算，歸納了單側自然通風作用下建筑內(nèi)溫度場的特點：下部工作區(qū)的線性溫度場和上部積熱區(qū)的冪函數(shù)溫度場。數(shù)值模擬結果與實驗的比較表明帶浮力項的低雷諾數(shù)k-模型能很好地反映驅(qū)動自然通風的浮力的影響和中庭內(nèi)部空氣低雷諾數(shù)的流動狀態(tài)。最后通過理論分析指出溫度梯度會導致壓力中性面上移，進而增加進口流速強化自然通風的結論，為設計提供了依據(jù)。關鍵字：自然通風 中庭 計算流體力學1 引言 層的大空間。中庭建筑的熱環(huán)境直接影響到中庭健康、舒適的使用功能，因而應采用

2、經(jīng)濟、合理的通風手段對其進行控制，以帶走室內(nèi)的冷熱負荷，稀釋有害氣體、微粒等污染物濃度，改善、維護其內(nèi)部環(huán)境。但是，中庭建筑的大空間、大負荷特點必然導致機械通風系統(tǒng)和制冷空調(diào)設備容量的增大，以及運行、檢修費用的增加。目前，自然通風作為一種節(jié)省能量、投資的通風模式在中庭建筑中正受到越來越多的重視和應用，然而相應的溫度場研究卻并不多。本文對某自然通風中庭進行了實驗測量，同時利用計算流體力學和傳熱學的方法對該建筑進行了數(shù)值模擬和理論分析，以期描述單側自然通風作用下淺進深中庭的溫度場特點，為中庭自然通風設計提供依據(jù)。2 實驗測試圖1 中庭建筑模型 圖2 測點平面布置圖中庭建筑的幾何模型如圖1所示。中庭

3、長15m、寬7.5m，高7米，位于50米高建筑的底部，連通了一二兩層。除西側為玻璃幕墻外，其余均為鋼筋混凝土結構，內(nèi)貼大理石。中庭的大門位于西側中央，長5m，高2.5m。與中庭連接的三條狹長的長方體分別為北、南、東走廊。中庭的出風口在東部和北部走廊的盡頭，見圖1。實驗在山西省太原市8月，9月兩月上午的8點至下午19點進行。采用熱電偶和WMSX-01巡回檢測溫度儀測量室外空氣溫度、室內(nèi)空氣溫度和壁面溫度，使用熱球風速儀測量進口和出口風速。中庭內(nèi)部距地面2米高處平面上布置著7個測點。在測點4處垂直方向上距地4米和6米的高度分別布置著測點8和測點9。中庭內(nèi)的測點布置見圖2。3 數(shù)學模型及邊界條件中庭

4、溫度場和流場是相互耦合，相互作用的，內(nèi)部空氣通常處于層流向湍流過渡的低雷諾數(shù)狀態(tài)1，這是由于：（1）中庭內(nèi)部穩(wěn)定的浮力作用導致的熱分層現(xiàn)象衰減了垂直方向的湍流；（2）中庭建筑很大，在許多區(qū)域，空氣幾乎不受湍流影響，為層流狀態(tài)。由于在空氣流動應用中廣泛使用的標準模型最初是用來分析完全發(fā)展等溫湍流流動的，對于復雜的三維非等溫流的模擬，它的準確率較低23，而且它不能模擬低雷諾數(shù)(層流，未變?yōu)橥耆牧髑闆r)的流動。因此，標準型并不適于描述自然通風下的流場。為了改善傳統(tǒng)法模擬低雷諾數(shù)流動的缺點，這里采用帶浮力項的部空氣流動，采用能量方程描述溫度場分布。渦旋-粘度程組成：雙方程湍流模型，它由湍流動能k和湍

5、流動能耗散率方模湍流模型適用性差、無修正模型4模擬中庭內(nèi)其中參數(shù),浮力項, 湍流粘度衰減系數(shù)，能量方程： （3）以上方程再加連續(xù)方程, 動量方程共同組成控制方程組。湍流能量和粘性耗散率在固定邊界上可令其為取其為一很小的正數(shù)。在進口處取，計算中，由于要用做分母，所以，。在出口處按其法向梯度為零計算，口結果。 ，東出口。西側入口（門），東、北出口，北出，壁面風速為0。溫度邊界條件采用實驗測試4 實驗與計算結果的分析從實驗數(shù)據(jù)中選擇典型的一天進行分析。圖5中畫出了3、4、7測點處的溫度分布曲線圖，由外到內(nèi)各個測點的溫度相近。從整個中庭內(nèi)工作區(qū)平面7個測點的白天溫度實測值中可以發(fā)現(xiàn)，對于這個15mx7

6、.5m淺進深的中庭，在單側自然通風氣流組織較為合理的情況下，工作區(qū)內(nèi)溫度分布均勻，從外到內(nèi)各測點之間溫度偏差不會超過0.5。而且實驗中發(fā)現(xiàn)，在自然通風作用下，距進風口較近的測點2處室內(nèi)外氣溫幾乎相同。中庭內(nèi)平均氣溫接近或稍低于室外氣溫，溫差大約1左右，這同中庭本身的蓄熱性能有關。圖6是垂直方向上測點4，8，9處實測溫度與模擬分析值的比較，兩者間最大誤差不超過10%，表明帶浮力項的低雷諾數(shù)模型能夠很好地反映實際情況，這主要是因為方程中的浮力項對湍流動能有破壞作用，使模型更接近中庭內(nèi)空氣狀態(tài)。產(chǎn)生誤差的可能原因是由于模型中的許多系數(shù)參數(shù)值是經(jīng)驗確定的，另外，由于中庭內(nèi)部人流密度不大且變化沒有規(guī)律，

7、模擬時沒有考慮人員和照明設備的散熱，6加，中庭內(nèi)部溫度場可分為兩個區(qū)域：下部工作區(qū)線性的溫度場和上部熱量積聚區(qū)拋物線形溫度場。工作區(qū)的溫度較低，且分布較均勻；上部熱量積聚區(qū)的溫度較高，頂部溫度比地面溫度高出1.1。整個中庭內(nèi)溫度低于進口溫度（31），工作區(qū)的溫度約為29.2，室內(nèi)外相差1.8。圖5 室內(nèi)測點3,4,7干球溫度曲線圖 圖6測點4,8,9實測值與模擬計算值的比較圖7所示為自然通風作用下中庭溫度場的模擬結果。自然通風加強了中庭內(nèi)熱空氣的上浮，浮升的熱羽流不斷卷吸周圍空氣，形成倒錐形溫度分布，非常類似于置換通風負荷集中在頂部的溫度場分布5。天花板附近是中庭內(nèi)溫度最高的區(qū)域，要排除聚集在

8、頂部的余熱，需要在這里設置排風口。圖8所示是理想不通風情況下的模擬中庭溫度場。在這種情況下，室內(nèi)氣流完全處于自然對流狀態(tài)，溫度層是從地面到天花的一系列近似相互平行的規(guī)則等溫層，這同自然通風作用時的倒錐形溫度場不同。圖7 自然通風中庭溫度場 圖8 不通風中庭溫度場5 溫度場對自然通風的影響由于中庭內(nèi)溫度分布為線性的區(qū)域較大，溫度梯度只在中庭頂部突然增加，所以將整個中庭的溫度分布近似看作線性分布。同時，這種假設也簡化了理論推導的復雜。這樣，室內(nèi)溫度分布可以寫作: （4）其中k為垂直溫度梯度，Ti為室內(nèi)溫度，Ti0為室內(nèi)靠近地面處的溫度。 室內(nèi)空氣密度可以表述為： （5）室內(nèi)壓力分布可以寫作：（6）

9、所以室內(nèi)壓力分布為一對數(shù)分布，將方程（6）以Taylor公式展開并取前兩項得：（7）由于室外氣壓可表示為： （8）這樣在自然通風進口處的壓差為：（9）出口處的壓差： （10）式中H1和H2分別為進口和出口距離中性面的高度 和相比，溫度梯度使得出口處的壓差增大，而入口處的壓差減小，這是溫度梯度使得室內(nèi)中性面上移的結果。根據(jù)自然通風進出口的風速公式：（12）中性面上移必然導致H1的增大，H2的減小，相應地增大進口流速，減小出口流速，對于固定的進口面積，則溫度梯度所導致的中性面上移最終會增大自然通風量。這個結論與圖7所示的中庭溫度場模擬結果相同，中庭內(nèi)上浮的熱羽流不斷卷吸周圍空氣，形成倒錐形溫度分布

10、，這樣的溫度分布導致了壓力中性面的上移，從而增大了出口的壓差，減少進口處的阻力，強化了自然通風。6 結論通過實驗測試以及理論、數(shù)值模擬分析，可以得到以下結論：合理的單側自然通風能夠很好地對淺進深的中庭或大空間建筑進行通風降溫換氣，室內(nèi)外溫差大約12，這同建筑材料的蓄熱能力有關；工作區(qū)內(nèi)部溫度水平偏差不超過0.51，垂直偏差不超過1.5，能夠滿足舒適的要求。在中庭熱壓、風壓的聯(lián)合作用下，中庭內(nèi)溫度較高的等溫層會上浮，溫度較低的等溫層擴大，形成倒錐形溫度場，它可以近似分為兩個區(qū)域：溫度隨高度線性分布的工作區(qū)；溫度隨高度冪函數(shù)分布的頂部高溫積熱區(qū)。這一溫度場分布與負荷集中在上部的置換通風溫度場相似5

11、，熱量積聚在中庭頂部，通風窗應該設置在頂部以便于排除熱濕負荷。理論分析表明，中庭內(nèi)的溫度梯度會造成壓力中性面的上升，減少進口處的阻力，增大出口的壓差，提高進口的風速。因此溫度梯度是強化自然通風的重要因素。實測證明，由于浮力對湍流的破壞作用，采用的帶浮力項的修正模型能很好地模擬自然通風作用下中庭建筑內(nèi)部氣流的低雷諾數(shù)特點，在能量方程中參考文獻1 Chen Q, Morse A and Huber A. ASHRAE Transactions 1996, (1): 564-5732 Murakami S. Roomvent92: Proceedings of Third International Confer