黄艳 刘东 杨建坤 张恩泽
摘要: 根据双层玻璃幕墙建筑的特殊热环境,提出过渡季节采用自然通风的方式,确定了建筑围护结构的开口方式和开口大小,使各楼层的空气温度都在热舒适范围内;应用CFD数值模拟方法对各楼层房间的三维温度场,速度场进行了模拟,研究结果表明,利用自然通风能够有效地改善室内热环境,较好地满足人体热舒适的要求。
关键词: 自然通风 数值模拟 中庭
1.引言
空调的应用为人们创造了舒适的室内环境,但也带来了一些问题;首先,空调建筑的密闭性较好,当新风量不足时,室内空气品质(IAQ)恶化会导致病态建筑综合症(SBA);其次,大量的空调器加剧了城市热岛效应,造成室外空气热环境恶化;再次,空调器的普及使建筑能耗有较大的增长趋势。
因此随着可持续发展战略的提出,同时发展生态建筑也是大势所趋,自然通风这项古老的技术重新得到了重视。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,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,有利于人的身体健康,满足人们心理上亲近自然,回归自然的需求。采用双层玻璃幕墙可以进行有效的自然通风。
双层玻璃幕墙又称动态幕墙,两层玻璃之间的距离为20mm~500mm,利用“烟囱、热流道”效应,气流在两层玻璃幕墙中间由下向上循环,带走外面一层玻璃幕墙太阳辐射的能量,达到隔热、保温、节能、环保的功效。按照不同的通风原理双层玻璃幕墙可分为:整体式、廊道式、通道式和箱体式。双层玻璃幕墙具有多项功能:减少风及恶劣气候的影响、提高隔音能力、充分利用太阳能、使用自然通风使空调使用率降至最低。本文主要研究其自然通风的功能及效果。
2.研究对象及技术路线
2.1 研究对象
本文中研究对象为采用双层玻璃幕墙带中庭的办公建筑,共6层,外形结构见图1,幕墙结构见图2:
图1 建筑外形图 图2 廊道式双层幕墙局部放大图
该幕墙为廊道式双层幕墙,每层设置通风道,层间水平有分隔,无垂直换气通道,自然通风的路径为:
这类建筑室内环境易受太阳辐射影响,同时其空间高度高,上下温差大,这对预测带来很大困难,随着计算机及流体力学的发展,三维CFD模拟技术得到广泛应用,它即可以满足大型建筑多空间多开口的自然通风设计要求,又能精确预测各设计室内的空气速度场和温度分布,因此本文在满足顶层室内热环境的基础上设计了屋顶排风天窗面积,并在此基础上利用CFD对该建筑的局部房间室内热环境进行了数值模拟。
2.2 技术路线
自然通风一般采用风压或者热压,中庭建筑的“烟囱效应”就是利用建筑内部的热压作用,由于室外风速和风向是经常变化的,因而风压作用不是一个可靠的稳定因素,所以本文进行模拟计算时进行了简化,仅考虑热压下的自然通风。
热压通风,是利用建筑内部由于空气密度不同,热空气趋于上升,而冷空气趋向下降的特点。热压作用与进风口和出风口的高度差,以及室内外空气温度差存在着密切的关系:高度差愈大,温度差愈大,则热压通风的效果愈明显。因而大楼各楼层(共6层)的进风量随楼层高度的增加而减小,基于这种情况考虑,在满足6楼室内热环境的要求下,设计屋顶侧窗面积。基本技术路线见图3:
图3基本技术路线
3.房间的计算数学模型
3.1 物理模型
(a) (b) (c)
图4 计算物理模型
a: 一个通风口 b: 两个通风口 c: 整条通风口
如图房间长11.1m,宽8.4m,高2.9m;房间内发热量包括人员、灯光及设备, 图中3个长方体代表房间的人员及设备,顶部设9盏灯;图形左下角为三个双层玻璃幕墙进风口,均为1400mm×300mm, 房间右上侧为通风口,通风口面积见表1。
3.2 基本参数计算
3.2.1 计算室外气温为20℃时,6楼达到热舒适性要求的最低进口风速
(1)
式中: — 6楼的室内发热量,W;
— 空气比热,=1010J/kg.℃;
— 室外空气的密度,温度为20℃,kg/m3;
— 通风气流的温度差,℃;
— 6楼的进风口面积, m2.
计算得到m/s
3.2.2 计算中和面的高度
根据 (2)
式中: - 进风窗口的流量系数(取0.35);
- 室内外空气的密度差,kg/m3;
- 顶层进风口的中心高度,m;
— 中和面的高度,m.
计算得到 m
根据中和面高度计算各楼层进风速度,并根据回风口风速范围[3]计算房间通风口面积,计算结果如表1所示:
表1 各楼层进风速度及房间通风口面积
楼层 | 2楼 | 3楼 | 4楼 | 5楼 | 6楼 |
进风速度(m/s) | 0.772 | 0.683 | 0.581 | 0.457 | 0.299 |
房间通风口面积 (mm×mm) | 1000×400 | 800×400 | 800×400 | 800×400 | 800×250 |
注:1楼为开放式大堂
3.3 控制方程
模拟房间内的气流属于非稳态的三维不可压缩紊流流动,因此在计算中采用当前在计算房间气流时最常用的模型。模型所遵守的偏微分方程的向量表示如下:
连续性方程: (3)
动量方程:(4)
紊流能量传递方程:(5)
紊流能量耗散方程: (6)
能量方程: (7)
上式列表中,;i=1,2,3;j=1,2,3;为速度,为密度,为分子粘性系数,为紊动能,为紊动能耗散率。模型中的经验常数可按表2取。
表2 模型中的经验常数取值
4.模拟计算及结果
室外气象参数及室内负荷大小直接影响房间的室内热环境,由于大楼顶层的自然通风量最小,室内热环境最恶劣,因此以顶层房间为研究对象,研究内容如下:
(1)不同大小的室内通风口,房间的温度场和速度场分布
(2)不同室外温度,不同室内发热量,6楼的温度场分布
4.1 不同大小的室内通风口,房间的温度场及速度场分布
计算工况:室外温度为20℃,室内发热量为50W/m2;比较房间设置一个800mm×250mm通风口,两个800mm×250mm通风口,及一个8400mm×250mm通风口的室内温度场和速度场
(1) 一个通风口:z=1.5m处的温度场和速度场
图5a z=1.5m剖面温度场示意图 单位:K 图5b z=1.5m剖面速度场示意图 单位:m/s
(2)两个通风口:z=1.5m处的温度场和速度场
图6a z=1.5m剖面温度场示意图 单位:K 图6b z=1.5m剖面速度场示意图 单位:m/s
(3) 整条通风口:z=1.5m处的温度场和速度场
图7a z=1.5m剖面温度场示意图 单位:K 图7b z=1.5m剖面速度场示意图 单位:m/s
温度场分析:由于进风口偏左,房间左端温度较右端低; 房间沿气流流动方向温度逐渐增高;
比较图5a,6a,7a可以看出房间设置两个通风口室内热环境明显优于设置一个通风口,而设长条风口的优势并不明显。
速度场分析:比较图5b,6b,7b,可以看出设置一个通风口,工作区流场比较平缓,在近热源及出风口局部有漩涡;而设置两个通风口及整条通风口的房间,在近内部热源处气流扰动比较大,房间气流形成了两个大涡流区,涡流流线呈闭合状。气流速度除了热源和风口处较高以外,在人员工作区的大部分地区,风速基本保持在0.1m/s以内满足房间舒适区要求。
模拟计算得到不同出风口的室内温度分布范围见表3
表3 不同出风口形式下的室内温度分布
室外温度(℃) | 出风口形式 | 温度范围(℃) | 平均温度(℃) |
20 | 单个 | 20.7~22.8 | 22.3 |
两个 | 20.6~22.4 | 21.7 |
整条 | 20.5~22.3 | 21.6 |
4.2 室外温度变化时,不同负荷下6楼的温度场分布
表4 计算工况
计算工况 | 室外温度(℃) | 室内发热量(W/m2) | 目的 | 备注 |
Case1 | 20 | 50 | 计算不同室温变化时,不同室内发热量下房间的温度场,得到不同室内发热量下可采用自然通风的室外温度范围 | 取定房间舒适性温度范围为:16~26℃ |
Case2 | 22 | 40,50 |
Case3 | 23 | 40,50 |
Case4 | 24 | 30,20 |
Case5 | 25 | 20,10 |
Case1: 室外温度t=20℃ ,室内发热量为50W/m2时,房间的温度分布
图8 z=1.5m处的温度分布(t=20℃ q=50W/m2) 单位:K
case2: 室外温度 t=22℃,室内发热量为40,50W/m2时的温度分布
图9 z=1.5m处的温度分布(t=22℃ q=50W/m2) 单位:K 图10 z=1.5m处的温度分布(t=20℃ q=40W/m2) 单位:K
Case3: 室外温度t=23℃ ,室内发热量为40,50W/m2时,房间的温度分布
图11 z=1.5m处的温度分布(t=23℃ q=50W/m2)单位:K 图12 z=1.5m处的温度分布(t=23℃ q=40W/m2)单位:K
Case4: 室外温度t=24℃ ,室内发热量为20,30W/m2时,房间的温度分布
图13 z=1.5m处的温度分布(t=24℃ q=30W/m2)单位:K 图14 z=1.5m处的温度分布(t=24℃ q=20W/m2)单位:K
Case5: 室外温度t=25℃ ,室内发热量为20,10W/m2时,房间的温度分布
图15 z=1.5m处的温度分布(t=25℃ q=20W/m2)单位: K 图16 z=1.5m处的温度分布(t=25℃ q=10W/m2)单位:K
根据模拟结果可以看到,当室内平均发热量在10W/m2—50 W/m2之间变化时,大楼适用自然通风的室外温度也会随着变化,其适用情况如下表所示:
表5 不同室内发热量条件下大楼适用自然通风的室外温度范围
室内发热量(W/m2) | 10 | 20 | 30 | 40 | 50 |
适用室外温度范围(℃) | 16~25 | 16~24 | 16~24 | 16~23 | 16~22 |
5.结论
通过以上的模拟工作,我们可以得出以下结论:
5.1 在相同的室内发热量及室外温度下,房间的通风口面积越大,自然通风效果越好,但是增加到一定值,改善效果便不明显,因此设计时要确定合理的通风口面积。
5.2 完全依靠自然通风的效果取决于室内发热量及室外温度,当室外温度超过一定值时要考虑机械制冷与自然通风相结合。
5.3 冬冷夏热地区,早晚温差较大,可考虑利用晚间自然通风排除围护结构的蓄热量。
5.4 本文中仅考虑空气的热压作用,未考虑风压作用,两者结合分析还有待进一步研究。
(1) 孙一坚.工业通风.中国建筑工业出版社,1994
(2) 范存养.大空间建筑空调设计及工程实录.中国建筑工业出版社
(3) 陆耀庆.实用供热空调设计手册.中国建筑工业出版社
(4) 彭小勇.暖通空调,2002,30(6):27~29
(5) 宋晔皓.建筑学报,2000,30:12~14
(6) 卫丹,龙惟定,范存养.建筑热能通风空调,2002,3:35~39