1、    某雙層玻璃幕墻建筑自然通風(fēng)的數(shù)值模擬研究            作者：黃艷 劉東 楊建坤 時(shí)間：2007-11-24 15:06:00                     黃艷 劉東 楊建坤 張恩澤摘要： 根據(jù)雙層玻璃幕墻建筑的

2、特殊熱環(huán)境，提出過(guò)渡季節(jié)采用自然通風(fēng)的方式，確定了建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的開(kāi)口方式和開(kāi)口大小，使各樓層的空氣溫度都在熱舒適范圍內(nèi)；應(yīng)用CFD數(shù)值模擬方法對(duì)各樓層房間的三維溫度場(chǎng)，速度場(chǎng)進(jìn)行了模擬，研究結(jié)果表明，利用自然通風(fēng)能夠有效地改善室內(nèi)熱環(huán)境，較好地滿足人體熱舒適的要求。 關(guān)鍵詞： 自然通風(fēng) 數(shù)值模擬 中庭 1.引言空調(diào)的應(yīng)用為人們創(chuàng)造了舒適的室內(nèi)環(huán)境，但也帶來(lái)了一些問(wèn)題；首先，空調(diào)建筑的密閉性較好，當(dāng)新風(fēng)量不足時(shí)，室內(nèi)空氣品質(zhì)（IAQ）惡化會(huì)導(dǎo)致病態(tài)建筑綜合癥（SBA）；其次，大量的空調(diào)器加劇了城市熱島效應(yīng)，造成室外空氣熱環(huán)境惡化；再次，空調(diào)器的普及使建筑能耗有較大的增長(zhǎng)趨勢(shì)。因此隨著可

3、持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的提出，同時(shí)發(fā)展生態(tài)建筑也是大勢(shì)所趨，自然通風(fēng)這項(xiàng)古老的技術(shù)重新得到了重視。合理利用自然通風(fēng)能取代或部分取代傳統(tǒng)制冷空調(diào)系統(tǒng)，不僅能不消耗不可再生能源實(shí)現(xiàn)有效被動(dòng)式制冷，改善室內(nèi)熱環(huán)境；而且能提供新鮮、清潔的自然空氣，改善室內(nèi)空氣品質(zhì)，有利于人的身體健康，滿足人們心理上親近自然，回歸自然的需求。采用雙層玻璃幕墻可以進(jìn)行有效的自然通風(fēng)。雙層玻璃幕墻又稱動(dòng)態(tài)幕墻，兩層玻璃之間的距離為20mm500mm，利用“煙囪、熱流道”效應(yīng)，氣流在兩層玻璃幕墻中間由下向上循環(huán)，帶走外面一層玻璃幕墻太陽(yáng)輻射的能量，達(dá)到隔熱、保溫、節(jié)能、環(huán)保的功效。按照不同的通風(fēng)原理雙層玻璃幕墻可分為：整體式、廊道式、

4、通道式和箱體式。雙層玻璃幕墻具有多項(xiàng)功能：減少風(fēng)及惡劣氣候的影響、提高隔音能力、充分利用太陽(yáng)能、使用自然通風(fēng)使空調(diào)使用率降至最低。本文主要研究其自然通風(fēng)的功能及效果。2.研究對(duì)象及技術(shù)路線2.1 研究對(duì)象本文中研究對(duì)象為采用雙層玻璃幕墻帶中庭的辦公建筑，共6層，外形結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，幕墻結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2：圖1 建筑外形圖 圖2 廊道式雙層幕墻局部放大圖該幕墻為廊道式雙層幕墻，每層設(shè)置通風(fēng)道，層間水平有分隔，無(wú)垂直換氣通道，自然通風(fēng)的路徑為：這類建筑室內(nèi)環(huán)境易受太陽(yáng)輻射影響，同時(shí)其空間高度高，上下溫差大，這對(duì)預(yù)測(cè)帶來(lái)很大困難，隨著計(jì)算機(jī)及流體力學(xué)的發(fā)展，三維CFD模擬技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，它即可以滿足大型建筑多

5、空間多開(kāi)口的自然通風(fēng)設(shè)計(jì)要求，又能精確預(yù)測(cè)各設(shè)計(jì)室內(nèi)的空氣速度場(chǎng)和溫度分布，因此本文在滿足頂層室內(nèi)熱環(huán)境的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了屋頂排風(fēng)天窗面積，并在此基礎(chǔ)上利用CFD對(duì)該建筑的局部房間室內(nèi)熱環(huán)境進(jìn)行了數(shù)值模擬。2.2 技術(shù)路線自然通風(fēng)一般采用風(fēng)壓或者熱壓，中庭建筑的“煙囪效應(yīng)”就是利用建筑內(nèi)部的熱壓作用，由于室外風(fēng)速和風(fēng)向是經(jīng)常變化的，因而風(fēng)壓作用不是一個(gè)可靠的穩(wěn)定因素，所以本文進(jìn)行模擬計(jì)算時(shí)進(jìn)行了簡(jiǎn)化，僅考慮熱壓下的自然通風(fēng)。熱壓通風(fēng)，是利用建筑內(nèi)部由于空氣密度不同，熱空氣趨于上升，而冷空氣趨向下降的特點(diǎn)。熱壓作用與進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口的高度差，以及室內(nèi)外空氣溫度差存在著密切的關(guān)系：高度差愈大，溫度差愈大

6、，則熱壓通風(fēng)的效果愈明顯。因而大樓各樓層（共6層）的進(jìn)風(fēng)量隨樓層高度的增加而減小，基于這種情況考慮，在滿足6樓室內(nèi)熱環(huán)境的要求下，設(shè)計(jì)屋頂側(cè)窗面積。基本技術(shù)路線見(jiàn)圖3：圖3基本技術(shù)路線3.房間的計(jì)算數(shù)學(xué)模型3.1 物理模型（a） (b) (c)圖4 計(jì)算物理模型a: 一個(gè)通風(fēng)口 b: 兩個(gè)通風(fēng)口 c: 整條通風(fēng)口如圖房間長(zhǎng)11.1m，寬8.4m，高2.9m；房間內(nèi)發(fā)熱量包括人員、燈光及設(shè)備， 圖中3個(gè)長(zhǎng)方體代表房間的人員及設(shè)備，頂部設(shè)9盞燈；圖形左下角為三個(gè)雙層玻璃幕墻進(jìn)風(fēng)口，均為1400mm×300mm, 房間右上側(cè)為通風(fēng)口，通風(fēng)口面積見(jiàn)表1。3.2 基本參數(shù)計(jì)算（1）式中： 6樓

7、的室內(nèi)發(fā)熱量，W; 空氣比熱，=1010J/kg.; 室外空氣的密度，溫度為20，kg/m3; 通風(fēng)氣流的溫度差,; 6樓的進(jìn)風(fēng)口面積, m2.計(jì)算得到m/s根據(jù) （2）式中： 進(jìn)風(fēng)窗口的流量系數(shù)（取0.35）; 室內(nèi)外空氣的密度差,kg/m3; 頂層進(jìn)風(fēng)口的中心高度,m; 中和面的高度,m.計(jì)算得到 m根據(jù)中和面高度計(jì)算各樓層進(jìn)風(fēng)速度，并根據(jù)回風(fēng)口風(fēng)速范圍3計(jì)算房間通風(fēng)口面積,計(jì)算結(jié)果如表1所示：表1 各樓層進(jìn)風(fēng)速度及房間通風(fēng)口面積 樓層2樓3樓4樓5樓6樓進(jìn)風(fēng)速度(m/s)0.7720.6830.5810.4570.299房間通風(fēng)口面積(mm×mm)1000×40080

8、0×400800×400800×400800×250注：1樓為開(kāi)放式大堂3.3 控制方程 模擬房間內(nèi)的氣流屬于非穩(wěn)態(tài)的三維不可壓縮紊流流動(dòng)，因此在計(jì)算中采用當(dāng)前在計(jì)算房間氣流時(shí)最常用的模型。模型所遵守的偏微分方程的向量表示如下：連續(xù)性方程： （3）動(dòng)量方程：（4）紊流能量傳遞方程：（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；為速度，為密度，為分子粘性系數(shù)，為紊動(dòng)能，為紊動(dòng)能耗散率。模型中的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)可按表2取。表2 模型中的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)取值0.091.441.921.31.30.94.模擬計(jì)算及結(jié)果室外氣象參

9、數(shù)及室內(nèi)負(fù)荷大小直接影響房間的室內(nèi)熱環(huán)境，由于大樓頂層的自然通風(fēng)量最小，室內(nèi)熱環(huán)境最惡劣，因此以頂層房間為研究對(duì)象，研究?jī)?nèi)容如下：（1）不同大小的室內(nèi)通風(fēng)口，房間的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)分布（2）不同室外溫度，不同室內(nèi)發(fā)熱量，6樓的溫度場(chǎng)分布4.1 不同大小的室內(nèi)通風(fēng)口，房間的溫度場(chǎng)及速度場(chǎng)分布計(jì)算工況：室外溫度為20，室內(nèi)發(fā)熱量為50W/m2；比較房間設(shè)置一個(gè)800mm×250mm通風(fēng)口，兩個(gè)800mm×250mm通風(fēng)口，及一個(gè)8400mm×250mm通風(fēng)口的室內(nèi)溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)(1) 一個(gè)通風(fēng)口：z=1.5m處的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)圖5a z=1.5m剖面溫度場(chǎng)示意圖 單位：

10、K 圖5b z=1.5m剖面速度場(chǎng)示意圖 單位：m/s(2)兩個(gè)通風(fēng)口：z=1.5m處的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)圖6a z=1.5m剖面溫度場(chǎng)示意圖 單位：K 圖6b z=1.5m剖面速度場(chǎng)示意圖 單位：m/s(3) 整條通風(fēng)口：z=1.5m處的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)圖7a z=1.5m剖面溫度場(chǎng)示意圖 單位：K 圖7b z=1.5m剖面速度場(chǎng)示意圖 單位：m/s溫度場(chǎng)分析：由于進(jìn)風(fēng)口偏左，房間左端溫度較右端低; 房間沿氣流流動(dòng)方向溫度逐漸增高；比較圖5a,6a,7a可以看出房間設(shè)置兩個(gè)通風(fēng)口室內(nèi)熱環(huán)境明顯優(yōu)于設(shè)置一個(gè)通風(fēng)口，而設(shè)長(zhǎng)條風(fēng)口的優(yōu)勢(shì)并不明顯。速度場(chǎng)分析：比較圖5b,6b,7b,可以看出設(shè)置一個(gè)通風(fēng)口，工作區(qū)流場(chǎng)比較平緩，在近熱源及出風(fēng)口局部有漩渦；而設(shè)置兩個(gè)通風(fēng)口及整條通風(fēng)口的房間，在近內(nèi)部熱源處氣流擾動(dòng)比較大，房間氣流形成了兩個(gè)大渦流區(qū)，渦流流線呈閉合狀。氣流速度除了熱源和風(fēng)口處較高以外，在人員工作區(qū)的大部分地區(qū)，風(fēng)速基本保持在0.1m/s以內(nèi)滿足房間舒適區(qū)要求。模擬計(jì)算得到不同出風(fēng)口的室內(nèi)溫度分布范圍見(jiàn)表3表3 不同出風(fēng)口形式下的室內(nèi)溫度分布 室外溫度（）出風(fēng)口形式溫度范圍（）平均溫度（）20單個(gè)20.722.822.3兩個(gè)20.622.421.7整條20.522.321.64.2 室外溫度變化