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连通房间热压作用下自然通风效果数值研究① 西安建筑科技大学 李安平李安桂 摘要本文建立两相连房间点热源作用引起的置换自然通风模型，将室内垂直温 度分布简化为上、下两个均匀混合区域。引入无量纲温度入，考虑热源与地面和天花 板之间的辐射换热，以及其对室内下层温度的影响。用热羽流理论研究室内热分层 高度hf，自然通风量Q，上、下层气体温度T2、T。的影响因素。用中和面理论分析获 得良好的室内气流组织，房间有效开口面积、中闻开口的位置以及有效开口面积比之 间的临界关系。 关键词 热压作用 自然通风热分层高度 中和面 引言 自然通风具有节约能源、保护环境、提供良好的室内空气品质等优点，而在房屋通风设计， 尤其是高大工业厂房中得到广泛应用。其通风效果受房间的内部结构、室内热源分布情况以 及室外气象条件影响。 Linden P F等¨’21提出单点热源和多点热源热压作用置换式自然通风模型。Kn Y J P 等【3J对两个相连密闭房间之间的流动换热作了理论分析和实验研究。实验结果表明有热源 房间内热分层高度的变化也取决于无热源房间的大小。Hofford J M等H1定义加强通风参数 来研究建筑物中庭对与之相连房问自然通风量的加强程度。然而，这些模型都是将室内下层 温度设为与室外温度相同。本文考虑热源与地面和天花板之间的辐射换热，引入无最纲温 度”】，分析影响连通房间自然通风量和中和面高度的因素。 l相连房间自然通风模型 图1热压作用置换自然通风模型原理图 ① 国家自然科学基金资助项目(编号：No ·--一205·--—— 本文建立模型如图1所示，房间尺寸为3．6m×3．6m×2．7m(长×宽×高)。将房间从中 间隔成两个大小相同的房间，房间I地面中心放一点热源，房间Ⅱ没有热源。两个房间由隔墙 上的开口2相通。房间I侧墙下部设置开口1，房间Ⅱ屋顶中部设置开口3。房间I内受到热 源作用，使得室内温度高于室外，在热压作用下室外空气从下部开口1流人，被室内热源产生 的热羽流卷吸，经由开口2，从开口3排出。稳定状态时房间I内形成类似置换通风的上下温 度分层现象，上部温度较高，下部离热源较远区域的温度接近室外温度，而在热源附近区域温 度较室外温度有所提高。房间Ⅱ上部积聚热气流，其温度与房间I上部温度相同。 利用伯努利方程自然通风房间通风量可以用下式表示。 叫’俘 其中A’=√互cA，c为开口膨胀系数或收缩系数，表示流体流人和流出开口的能量损失，A 为开口面积；△P为开口内外压差．p为空气密度。 考虑室内外温差形成的密度差Ap相对Po较小，满足Boussinesq假设，即po和p：差别忽略 不记，用P表示。由质量守恒方程得通风量为 。南=gl(hs—h1)+gi(H-hi) (2) 其中 奉=寿+孛，寿=寿+专 c3，萨2砑 矿’砑。铲 矛 ¨’ A?=∥固。，Af=皿。A：，Af=皿dA，，C。为开口膨胀系数，Batchelor㈣测得突扩型开口C。 =O．5，钝型开口C。=1．0；Cd为收缩系数，耽耐一Smith‘71实验测得截面积小于所在墙面50％ 的四边形开口Cd近似为0．6，Flourentzou等哺3对典型建筑开口进行实测，进一步验证了此值， 本文取e=O．5，Cd=O．6； 削减重力加速度 g g (4)l 2——_，92 2——_ L斗， 其中g为重力加速度；无，为热风层高度；^，为开口1中心高度；曰为房间高度。 由能量守恒方程得到下层气体温度兀和上层气体温度疋的关系式 Tl—To-荣弘瓦=南 (5) 其中E为热源强度；Q为通风量；c。为空气比热； A=【警(毒+吉+去)+l】～ ㈣ 屋顶和地面换热系数c9-，％与室内屋顶和地面的风速有关，％为辐射换热系数；A，为房间地面 面积。将式(4)、(5)代人式(2)得 斋=AB(hs—h。)+B(H一■) (7) 其中热浮力通量 B：幽 (8) pcp ．．．——206．．．—— 热压作用在室内形成热分层，稳定时有通风量与羽流体在热分层高度处的体积流量佛 (h，B)相等，即 Q=c(曰霹)1／3 (9) 为简化分析，将各参数无量纲化，如表l所示。 表1各参数无量纲定义 参数 符号 无量纲形式 通风量 Q Q／(B∽F仃) 有效开口面积 AI． A：，督 热分层高度 ■ 考产h—H 开口1中心高度 hl 孝l=hI／H 开口2中心高度 h2 岛=h2／H 中和面高度 h． ￡=h。／H 将式(9)代人式(7)，热分层高度关系式为(等)=而‰ ㈣， 其中A为无量纲温度。 2模型计算 2。1影响热压作用自然通风量的因素 式(10)表明热分层高度玉受到无量纲开口面积AI．／铲、无量纲温度、A无量纲迎风面开 口中心高度f。和卷吸系数C的影响。在置换通风中，A一般取值为0．4[9】。 由式(