夏熱冬冷地區自然通風對建筑熱濕環境的影響

邵亮峰

摘要：介紹了自然通風研究的現狀，并以某公共建筑為研究對象，通過建立該建筑自然通風的物理模型，設定相應的邊界條件和網格劃分，選用數學模型，運用CFD分析了不同室內外溫差對室內溫度場和速度場的影響規律，得出該特征氣候區的通風策略。該研究結果可為與氣候相近的地區建筑設計以及建筑節能改造提供技術參考。

關鍵詞：夏熱冬冷；通風；建筑熱濕環境

中圖分類號：TU834.5 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）05-0101-03

自然通風在提高室內空氣品質的同時，也能起到很好的節能作用。重慶大學的李百戰將遮陽技術與自然通風技術相結合，研究發現，兩者結合可以有效改善室內的熱濕環境，同時達到節能的目的。潘剛以研究了建筑的通風面積與自然通風量的相互影響，得到了自然通風在建筑節能中的權重。西安建筑科技大學的楊柳以北方嚴寒或者寒冷地區的辦公室為例，分析了夜間通風降溫除濕的可行性，并將氣候降溫潛力作為夜間通風的量化指標。重慶大學的付祥釗要求熱濕地區的公共建筑設計時需著重考慮自然通風設計，輔助以機械通風的設計思想。重慶大學的王勇利用數值模擬和實驗，分析了自然通風對建筑降溫除濕的效果及規律，為建筑節能設計提供了一種有效的新思路。甘靈麗以重慶地區的特征氣候為基礎，分析并得到了自然通風（間歇通風）的時效性，提出了針對非穩態氣候條件下的自然通風策略。李芃以統計分析的方法，對上海辦公樓的自然通風利用SPSS軟件進行統計分析，研究發現，自然通風能夠有利于提高室內的通風換氣次數并能滿足室溫的要求，以此達到降低建筑能耗的目的。自然通風屬于可再生的新能源，因此，自然通風具有很強的地域性氣候特點，只有針對相應氣候條件下，選取該地區的典型建筑進行針對性的分析，才能了解本地區自然通風的節能潛力，為建筑節能改造及建筑設計提供可靠的依據和參考。基于此，本文以夏熱冬冷地區的氣候特征為例，數值模擬分析了自然通風對公共建筑室內熱濕環境的影響規律。

一、數值模擬的基本條件

（一）物理模型的建立

選擇該地區的典型公共建筑的大堂作為本研究的物理模型，該建筑屬于坐南朝北，以下部位均采用玻璃幕墻結構：南北兩個朝向的外墻，東西兩個朝向的墻體以及屋頂，剩余部分均為內圍護結構。由于本建筑的大堂沒有側面窗戶，本研究準備對有側面窗戶的情況進行數值模擬分析，門口作為空氣的入口，側面窗戶作為空氣的出口。其物理模型見圖1。

（二）邊界條件的設定

在采用CFD進行數值計算過程中，邊界條件的合理設置具有舉足輕重的作用，通常應該盡可能地使其與實際情況相一致。本研究中，設置室內外溫差為3℃（1）及7℃（2）兩個情況的工況，工況（1）屬于將窗戶開啟到最大的情況，門口進風風速與窗戶的出風風速相等，均為0.8m/s，工況（2）屬于窗戶開啟較小的情況，門口進風風速及窗戶出風風速均為1.3m/s。

（三）數學描述及湍流模型的選取

1.數學描述。

流體的流動可以用三大方程來進行描述，包括流體的連續性方程、動量守恒方程和能量守恒方程。其通式為：

■+div（ρuφ）=div（Γgradφ）+S （1）

式中，φ-通用變量；S-源項；Γ-擴散系數。

2.湍流模型。

湍流分為自由湍流和近壁面湍流兩種情況，通常采用N-S方程來描述湍流產生的機理，標準k-ε模型在數值計算中精度較高、計算量較為適中，故，標準模型在目前的流場模擬中被廣泛應用。其表達式為：

ρ■=■μ+■？搖■+G■+G■-ρε-Y■ （2）

ρ■=■μ+■？搖■+C■■（G■+C■G■）-C■ρ■ （3）

式中，G■-浮力產生的湍動能，G■-速度梯度產生的湍動能；Y■-耗散率。μ■=ρC■k■/ε，C■=0.09，C■=1.92，C■=1.44，耗散率ε與湍動能k的湍流普朗特數分別為σ■=1.3，σ■=1.0。

二、數值模擬結果及討論

（一）溫度場模擬結果

不同斷面速度場模擬結果見圖2。

由圖2（a～d）可知，室內的溫度場呈對稱分布，并且具有熱力分層，隨著室內外溫差的增大，2m以下的區域溫度呈現上升的趨勢，其中，2m斷面處的溫度增加了2.1K，10m斷面處的溫度增加了2K，其溫度梯度也呈現增加的趨勢，總體上還是能夠滿足熱體舒適性的要求。從不同工況下溫度場的分布情況可知，當室內外的溫差變大的時候，室內垂直方面的溫度梯度相應增加，水平方向的溫度場部分不均勻。

（二）速度場模擬結果

不同斷面速度場模擬結果見圖3。

從圖3（a、b）可知，工況1的新風的空氣齡較工況2小，工況1的新風與室內空進行熱交換后被排除室外，而工況2的新風與室內空氣進行熱交換后，大多聚集在房間的上部，使室內的溫度呈現上升之勢。由于受到熱源的影響，室內形成較弱的速度場，其中，受熱的氣流由于密度小而上升，但是其上升的速度較小，由于受到近壁面摩擦阻力的影響，由此形成了較小的回流和漩渦。

從圖3（c～f）發現，流場以射流的軸線對稱分布，在軸線的兩側呈現出漩渦和回流區。其中，隨室內外溫差增大，室內的速度分布呈現顯著的變化。

三、結果討論

從以上分析可以看出，室內外的溫差變化直接影響室內溫度場的分布，但是溫度場的變化規律不受室內外溫差變化的影響，不同工況條件下，房間的熱力分層高度基本不變，均為2m處左右。室內外溫差對工作區的溫度分布的影響較大，但是對工作區以上區域的影響甚微。室內工作區的溫度梯度隨室內外溫差的增加而受到了較大的影響，其房間工作區以上的區域溫度也有所增加，房間內的熱力分層依然保持基本不變。不同條件下，由于卷席作用，新風射流沿射流方向的速度逐漸減小，并且在射流軸線的兩側會出現回流區和漩渦。

四、結論

通過綜上所述的分析可得，室內的溫度梯度隨開窗面積的減小而增加；新風射流軸線兩側會出現回流區及漩渦；由于射流的卷席作用，新風射流的軸心速度逐漸減小。

參考文獻：

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