某双层玻璃幕墙建筑自然通风的数值模拟研究 
编辑：凌月仙仙 作者：黄艳 刘东 杨建 出处：中国论文下载中心 日期：2005-12-24 
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
max.book118.com 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
max.book118.com 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
							0.09	1.44	1.92	1.3	1.3	0.9		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

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