某双层玻璃幕墙建筑自然通风数值模拟研究.docVIP

某双层玻璃幕墙建筑自然通风的数值模拟研究 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#215;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/m 3 ;— 通风气流的温度差,℃;— 6楼的进风口面积, m 2 .计算得到 m/s3.2.2 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/m 3 ;－ 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#215;mm) 1000#215;400 800#215;40