（热能工程专业论文）具有自然通风功能的光导管系统通风效果cfd研究.pdf

摘要 摘要 光导管系统将自然采光与自然通j x l 技术相结合，在实现建筑物绿色照明的同 时实现了建筑物自然通风，可以有效降低地下建筑或背阴面建筑的照明与通风能 耗，达到了建筑节能的目的。 本文设计的光导管系统由两个同轴管道组成，内管为光通道，其内壁贴有高 反射率膜，利用全反射可将自然光线导入室内，外管和内管之日j 的环形通道为通 风管道，利用热压和风压可以将室内空气导出室外。本文通过数值模拟的方法， 分析光导管系统的自然通风效果的影响因素，为此技术的实际应用提供设计依 据。 通过对影响光导管系统通风效果的因素分析发现，h 型风帽是最佳的排风口 形式；当通风管道长度与间距之比在4 1 6 7 时的通风量最小，在实际设计中应避 免此极值点；光导管系统通风量随着光导管直径的增大而增大。 将最佳结构的光导管系统用于地下建筑，在热压单独作用下，分析了进气口 面积、高度及热源高度对自然通风的影响，结论表明：进出气口面积比应不大于 1 1 3 ，此时可以在不减少通风量的情况下有效减少门窗的建设成本；进气口应尽 量布置在房间的底部与热源高度之问，既可以改善室内空气品质又起到节能的效 果；热源高度对室内温度分布有很明显的影响，热源较高时，温度效率较高。 在背阴面房间中，通过分热压和风压共同作用进行混合通风，通过分析影响 房间通风效果的因素发现，室外风速较大时，风压对自然通风起主要作用。由于 房间不同位置处风压系数不同，导致进气口布置在迎风面和背风面时的通风效果 不同，在夏季通风设计中进气口应布置在房间迎风面的底部或中上部，此时能使 通风量达到最大。在冬季通风设计中，应把进气口布置在背风面，并尽可能布置 在墙壁较高的位置，以减小室内热量通过通风管向室外散失。 关键词自然通风；光导管系统；数值模拟；热压；风压 北京i 业人7 【学硕 。学何论文 a b s t r a c t “g h i _ p i p cs y s t e mw h i c hc o m b i n 髂n a t u r a ll i g h t i n ga n dn a t u r a lv c n t i j a t i o nc 柚r e a i i z eg r e e n l i g l l t j n g 扑dn a t u 棚v e n i i l a t j o na tt h es a i 眦t j m e nc a n 佗d u c e 帅d e r 伊0 u n d0 ts h a d eb u i l d i n g s j l l u m i n a “伽扑dv e n l j l a t i o ne n e r g yc o u m p t i o ne 饪e d i v e i y t h j st c c h n o l o g yi sf i i i i yi nt h ep c r s o n 0 fe n e r g y 蚰v i n go fa r c h i t e d u r c n ej j g l l l p 噼s y s k m 砷j c hi sd c s 晤田e d 如i b j sp a p c r i 5c o m p o s e db y 呻oc o n c c n n j cl u b 强t h e i n n e ro n ep 醛t c db yh i g hr e n e c t i v i l ym e m b r 卸ei su 辩df o rl i g l l t i n g t h r o u g ht o t a lr c n e c t i o nj i 咖 g i l i d e t i l e 蚰t u r “i j g l i 血g i n t o t h e 砌a n d i h e g a pb e l w n t h e i n n e r p 噼柚d t h eo u t c rp 啦i s u 辩df o rv e n l i l a t i o nw h i c bc a g l i i d et h ee x l i a 雌ta i r 仙to f i l i eo f f j b ys i a c ke 疵c i 柚dw i n d e f f 酿1 no r d e rt 0i m p 张t h ev e n m a t i o n ，n 岫c r i c a ls i i i l u l a t i i s 州f o r 卸a i y z i 唱t h e v c 面l a l c de f f c c ti no r d e tt o 硝& rt h ef o u n d a t i o nf o t h ea c t u a la p p l i c a t i 饷 f r o m 柚a l y z c 山ei n n u 印c ef a d o r s0 ft h ev c n i i l a t i 仙，nw 私f 0 帅di h a th t y p cj st h eb c 吼 v e n m a t j 伽t e 丌i i i n a l 1 th 私i h el e 勰tv e n t i l a t e dq u 柚t i t yw h e nt h en t i ob e t 、v c e ni e n g t ha n dg a po f t h ev e n t i i a t c dt u b ee q u a i st o4 1 6 7 ，s oj tb 丛t oa v o i dt h 括c x c f e m 帅1 t h ev e n 虹i a t c dq u 卸t n y i n m a sw j t bt h ee n j a f g e m 如o ft h en d i 惦o f i h cl j 9 1 1 tp i p c f r o m 祁a l y m ci n l e ta r e a ，b e i g h i 柚di l l eh e i g h to fh e a ts o u r c ew h e nt l i ei i g h t - p j p es y s l e m w h oh 勰t h cb e s ts t f i l d u 佗i su s c dj nu d e r 郫u n db u i l d j n g s 1 tw 私f o u n dt h a tw h e nt h ca f 豫t i 0 b e t w e e ni n l e ta n do u t l e ti sl c s s 山柚1 1 3 h ec o s to fw i n d o w sc a nb cf e d u c e de 丘b c t i v e i v 柚dt h a t t h ev e n t i l a t e dq u a n t i t vw o n lb er c d u c e d t h ej n 】e ts h o u l db ei o c a t e db c t w e c ni h eb o n o m 知db t u r b o t j lo ft h ei n d o o ra i rq u a l i i y 加de n e r g y 蚰v i n gc 柚b ef e a l i z e d t h ch e i g h to fh e a t u r h 蕊g r e a te 丘色d 彻t h ej n d o o rc e m p e m l u f e t h et e m p e t a 山”e 砸c i e n c yw i l 】b e 山el a r g tw h e t f h eh e i g l l to fh e a t u f 。ci sl a i 蓼lb u h ev e n i i i a t e dq 啪t i t yw o n tc h a i i g em u c h hs h a d er 0 0 m s ，u n d e rt h ef u n c d 叩o ft h cs t a c ke 丘c c ta n dw i de 丘b c t ，“、住sf o l u n dl h a tw j n d e 伍e c ti s 出ep r i m a r yd r i v e rt 0i n d o o rv e n 山a i i o nw h e nt h eo u tw i n di sg 耻a 把la n dl h ew i n d d 他龉u 他c o e 埘c i e n tw i ub ed i f f e t e n o ea i o n gw i t ht h eh e i g b to fi n i e t t h ej n d o o re f f e c to f v c d t 订a i i o nw mh 粘g 他a td i 丘毫佗n o ew h e ni i 【i e ti si o c a t e d w i n d w a r dw a i io rl c e w a f dw a l l h 蛐m m c ri h e 岫l e ts h o u 】db el o c a t e do nt h eb o t l o mo rn e a rt h eu p p c r o ft h ew a l j h e 陀i tc a ng o tt h c l a 琅e s tv e n t 订a t c dq u 柚i j t v a n di nw i n t c li i io r d e rt o 化d u t h ed j 鼹i p a t j o no ft h eh e a t h ei i i j e t s h o l i l db el o t e do n 山eu p d e rz o n eo ft h el w a r dw a l l k e y w o r d sn a t i i r a lv e n l i l a t i o n ；i f g h t - p i p cs y s l e m ；n u m e r i c a ls i m l l l a l i 彻；s i a c ke f 音d ；w i n dc 侬斌 1 要物理 i 私称及符号袁 主要物理量名称及符号表 压差，p a 阻力系数 速度，i i 咖 密度，k g m 3 通风量，o ，s 面积，m 2 流量系数 温度，k 高度，m 热膨胀系数 空气动力系数 温度效率 换气次数，次h 管道半径，m 运动黏度m 2 s 当量直径，m 沿程阻力，p a 热源强度，w 细2 v 妒 宇 y p o a q 。 h 卢 k 叩 n r ” 见 e 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 躲靴伥吼犁 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名 导师签名：垦日期： 第l 章绪论 1 1 课题背景 第1 章绪论 随着人民生活水平不断提高，建筑物能耗在总能耗中所占比重越来越大，建 筑能耗主要以照明和空调为主，据统计，世界各国的照明用电量约占总发电量的 9 2 5 ，美国为2 0 2 5 ，我国为1 2 。而在照明用电中真正用于发光的 仅不过2 5 ，其余则变成热能散发于空间“。鉴于人造光源照明能耗的巨大浪费， 天然采光又从新进入了人们的视线。利用天然光线采光不仅可以节约大量的电 能，而且可以避免人们长时间在人造光源工作生活下产生的眩晕感觉，有益于人 们的身心健康，因此如何有效的利用天然采光实现绿色照明已成为人们日益关注 的问题。 建筑能耗中的另一个重要部分就是空调的能耗。我国2 0 0 0 年家用空调的总需 求量约为1 0 0 0 万台，装机容量达1 0 0 0 万k w ，这意味着我国在“九五”期间增加的1 亿k w 的电力装机容量的一半用于了解决家用空调的电力问题。此外，空调制冷 设备中的氟利昂会破坏大气的臭氧层，过量的空调器还会加剧城市热岛效应，造 成室外热环境恶化等问题“) 。为了降低空调能耗，许多建筑采取了减少通风量，尤 其是减少新风量并增加房自j 密闭性等措施，由于运行管理不善及室内建筑装饰材 料散发的挥发性有机混合物的增加，导致室内空气质量恶化。基于此，建筑及建筑 设备专业人士开始重新考虑自然通风技术在建筑中的应用问题。特别是，2 0 0 3 年 在我国和其它国家突然爆发的刚岖s 疫情，引起了国内外暖通空调界人士对室内 空气质量问题和建筑空调应用方式的广泛重视。在节约能源、保持良好的室内空 气品质双重压力下。全球科学家，特别是欧洲科学家，开始重新审视自然通风技术。 但是，天然采光技术与自然通风技术多年来一直沿着各自的方向独立发展， 能否将二者相结合，既实现绿色照明，为人们提供舒适的光环境，同时又通过自 然通风大幅度降低通风能耗，将是一种一举两得的措施。本课题正是做这样的尝 试，希望通过研究具有自然通风功能的光导管绿色照明系统，将其应用于地下建 筑或地上建筑的背阴面房间，既可以实现自然采光，节约电能，又可以进行通风 换气，改善室内空气质量，节约通风能耗，从而为建筑节能提供一条新的途径。 1 。2 国内外关于自然通风的研究现状 自然通风是一种比较经济的通风方式，它不消耗动力也可获得较大的通风换 气量，简单易行，节约能源，有利于环境保护，被广泛应用于工业和民用建筑中。所 谓自然通风是指，依靠室外风力造成的风压和室内外空气温度差造成的热压使空 北京f 业人学【宁硕p 。列论文 气流动，以达到提供给室内新鲜空气和稀释室内气味和污染物，除去余热和余湿 的目的。在建筑物中，应用自然通风技术，充分体现了：1 ) 节能：2 ) 排除室内废 气污染物，消除余热余湿；3 ) 引入新风，维持室内良好的空气品质；4 ) 更好的满 足人体热舒适等优点。 目前国外自然通风的研究应用主要集中在自然通风的两个相关点上：一是利 用自然通风控制室内空气品质：二是利用自然通风解决夏季或过渡季的热舒适性 问题。取代或部分取代空调。对这两个相关问题，国外学者在理论研究和应用方 面都进行了许多探索和研究，使自然通风在各类建筑中得到了较广泛的应用。自 然通风晟基本的动力是风压和热压。在具有良好的外部风环境的地区，风压可作 为实现自然通风的主要手段。在我国大量的非空调建筑中，利用风压促进建筑的 室内空气流通，改善室内的空气环境质量，是一种常用的建筑处理手段。风洞试 验表明：当风吹向建筑时，因受到建筑的阻挡，会在建筑的迎风面产生正压力。 同时，气流绕过建筑的各个侧面及背面，会在相应位嚣产生负压力。风压通风就 是利用建筑的迎风面和背风面之间的压力差实现空气的流通。压力差的大小与建 筑的形式、建筑与风的夹角以及建筑周围的环境有关。伦佐皮亚诺( r e n z o p i 柚o ) 设计的位于澳大利亚东侧的南太平洋热带岛国新喀里多尼亚的t i i b a o u 文化中心 就是利用风压进行自然通风的典范之作“1 。 自然通风的另一动力是利用建筑内部空气的热压差( 即通常讲的“烟囱效 应”) 来实现建筑的自然通风。利用热空气上升的原理，在建筑上部设排风口可 将污浊的热空气从室内排出，而室外新鲜的冷空气则从建筑底部被吸入。热压作 用与进、出风口的高差和室内外的温差有关，室内外温差和进、出风口的高差越 大，则热压作用越明显。在建筑设计中，可利用建筑物内部贯穿多层的竖向空腔 如楼梯间、中庭、拔风井等满足进排风口的高差要求，并在顶部设置可以控 制的开口，将建筑各层的热空气排出，达到自然通风的目的。与风压式自然通风 不同，热压式自然通风更能适应常变的外部风环境和不良的外部风环境。德国 g e l s e i l l 【i r c h e n 科技园和建在英国卡斯廷的b r e ( b u ij d i n gr e s e 缸c he s t a b l i s h m e n d 办公楼就是利用热压通风的典型实例* ，。 在国外，从2 0 世纪6 0 年代末开始用c f d 去讨论通风空调中的空气动力学问 题。1 9 7 0 年，丹麦的n i e l s epv 首次将c f d 技术应用于暖通领域，他采用七e 模型 和流函数一涡度法计算了室内气流的分布，计算的射流速度衰减结果与实测数据 相比还是基本可靠的“。1 9 7 6 年，c h e n 将二维计算发展到三维计算，使用原始变量 法模拟三维室内气流的运动。1 9 7 9 年，n i c l s 朋首次报导了考虑浮力影响下的室内 非等温空气流动的数值计算情况“1 。1 9 8 4 年i s b j h u 和k a n e k 一利用流函数和涡旋公 式数值求解非稳态二维流动方程，预测室内污染物浓度的分布，藉此来研究室内 通风效率。 1 9 8 9 年，美国的供暖、冷藏与空气调节工程师协会( a s h a r e ) 。3 专门成立 第1 章绪论 了用c f d 方法预测室内空气流动的研究机构，并组织和完成了a s h a r e 的第4 6 4 号( r p 4 6 4 ) 研究课题“室内空气流动的数值计算”，该课题比较完整地研究了c f d 方法模拟室内空气流动的许多相关问题，其结果发表在1 9 9 4 年的a s h a r e 杂志 上。至此，c f d 技术在空调领域内被推广开来，目前美国这方面的研究水平最高， 并且已歼发出许多大型的通用的c f d 软件。 在国内有关自然通风的研究也在不断深入，清华大学的谭刚，左会刚等人 分析了自然通风的理论机理，并着重分析了扩散作用的机理“。从理论上分析了 小风速时，在有扩散、热压和风压共同作用时，自然通风换气量的理论公式，并 进行了实验验证。 香港学者李玉国等人1 ”系统地对单区和多区两开口建筑的各种自然通风 情况进行了理论分析，得出了两开口建筑的自然通风风量计算理论分析解。他们 的研究结果表明在风压或热压单独作用和风压辅助式热压自然通风中，风量的计 算解很简单且唯。而当风压与热压作用相反时，存在多解现象“”。 陈俊俊，王晓彤，武文斐等“”简述了多污染热源置换通风的原理、特性及其与 混合通风的比较，列举了工程应用实例，并对其节能效果进行了分析讨论，指出多 污染热源置换通风是一种值得推广的通风方式。他们通过c f d 方法对。自然通风的 研究说明热源特性的变化对多污染热源置换通风热力分层高度的影响很大，要想 降低能耗并获得良好的置换通风效果房间内热源应尽量布置紧密“”“。拳茬 武文斐，符永正等用数值模拟的方法，求解高层建筑各外表面风压蒹数随风 速、建筑高度和宽度的变化规律及对这些规律进行理论分析“”。并且采用七p ； 双方程湍流模型和s l m p l e 算法，对风作用下高层建筑周围的空气绕流流动进行 数值模拟，从而得到高层建筑外表面上的风压分布及其他流场信息侧了。f 赵彬，李先庭等1 介绍了目前国际上对室内空气流动进行数值模拟时采用的 风口模型方法，指出传统的设计思路直接把入口的几何面积设定为模型的几何面 积，而实际的有效面积跟几何面积并不相同，这样就导致了模拟跟实际的入口动 量不一致，从而导致与实验结果的差异。 赵琴，王靖”介绍了计算流体动力学( c f d ) 技术的一般结构，并结合实例给 出了c f d 软件f u j e n t 、s 1 a c h 一3 软件在建筑内，外环境，特殊空调空间以及建 筑设备等各个领域中的应用情况，从而说明c f d 应用于指导设计和优化分析暖通 空调工程的巨大潜力。 李安桂”3 1 等分析了热源的占地丽积和高度对通风效果的影响，计算结果说明 集中的热源比分散的热源通风效果要好，随着热源高度增加，虽然通风量有所减 少，但并不是很多，其结果使工作区的温度降低了，增加了热舒适性，排风温度 增加，使单位通风量所携带的热量增加。 李庆福通过对工业厂房的自然通风设计说明，要想增大热压的通风量，以及 提高作业区的舒适性，必须尽量降低中和面的高度，合理协调进、排气口面积比， 北京i 此人宁i 硕卜7 吖论文 传统的一味增大排风天窗的做法是十分不可耿的，即增加了投资，而且也没有收 到应有的效果1 。 郭春信通过合理的风帽设计，充分利用风压，使风压的作用方向与热压的作 用方向始终保持一致，达到了强化自然通风的目的。 通过对以上文献的分析，本文决定采用c f d 的方法来研究自然通风，分别对 热压通风、及风压和热压共同作用下的混合通风情况进行模拟，将自然通风应用 子建筑设计当中，以期达到建筑节能的目的。 1 3 具有自然通风功能的光导管的研究现状 将天然采光与自然通风相结合是人们近几年对光导管技术的研究的新思路 ( 如图1 1 ) ，1 9 9 9 年英国诺丁汉大学研究了不同的光导管内部涂膜材料对自然 通风的影响，他们采用双性材料作为光导管内部涂膜，该材料对可见光9 0 反射， 对红外光8 0 透射，这样当太阳光通过光导管时，会通过气流与光导管的壁面换 热，提高气流温度，从而提高驱动自然通风的热压，提高自然通风效果”1 ，但该 材料价格过于昂贵，难以大规模推广使用。 幺心鬻 散光板 一 目1 1 具有自然通风功能的光导管系统不葸图 f j g1 - 1 l i g l l tp j p es y s i c mw 油f i i n d j 仰o f n a t u r a jv e n 山a t i o n 1 9 9 9 年波尔图大学的s z a b o l c sv a r g a ，a 丌n a i l d oc 0 l i v e i 豫采用有限元方法对 紊流女方程进行离散，并运用商业软件a n s y s 5 5 ，f io 鼬州对光导管自然通风 进行模拟，分析了热压和风压自然通风量的计算，并指出不同风帽结构对自然通 风量的对比效果”。1 ，但是该研究只是在水平方向的风速下进行模拟，并不具有 通用性。 国内目前对该光导管系统的研究才刚刚起步，北京工业大学的吴延鹏、李仪 第1 章绪论 等利用示综气体法对光导管系统的热压通风量进行了实验研究，实验测得结果与 理论值基本吻合”1 。 1 4 目前自然通分及光导管系统研究的问题 ( 1 ) 传统理论对热压及风压驱动的自然通风量已经相对成熟，但由于其所 用的模型比较简单，对于像光导管系统这种排气口比较复杂、通风管 道间距较小的模型来说，传统理论中各种参数的选取已不能满足要 求，应根据具体情况具体分析。 ( 2 ) 所查阅的文献往往只单独分析热压或风压的影响，将二者统一考虑的 情况还没有进行具体研究，原因是由于室外风的大小及方向不稳定， 造成风压的不稳定。本文以具有自然通风光导管系统为研究对象，利 用特殊的风帽来抑制风的倒灌，从而将热压和风压对自然通风的影响 一并考虑，这将对工程上自然通风的设计提供新的思路。 ( 3 ) 前人对光导管系统的结构没有进行深入详细的研究，如通风管道结构 尺寸、进排气口面积比、进气口高度等对通风量的影响，应充分分析 这些因素对光导管系统自然通风的影响，从而得出具有最佳通风效果 的光导管系统。 1 5 本课题的研究内容 本课题所设计的光导管系统其应用领域比较广泛，既可应用于常年昏暗潮 湿，室内外温差比较大的地下建筑，又可以应用于地上建筑中缺乏光照的背阴面 房间，以实现自然采光与自然通风的双效收益。本文主要研究的是光导管系统的 自然通风效果，因此如何使光导管系统的通风效果达到最佳是本文的着眼点，主 要研究内容如下： ( 1 ) 通过研究光导管系统通风管道的结构，确定具有最佳通风效果的光导 管系统。 a 研究不同风帽在不同室外风条件下对自然通风的影响，求得有利于 自然通风的最佳风帽结构。 b 研究不同通风管道间距、长度对自然通风的影响，求得有利于自然 通风的最佳管道间距与长度。 c 研究不同光导管直径对自然通风的影响，求得有利于自然通风及天 然采光的最佳光导管直径。 ( 2 ) 将光导管系统应用于地下建筑中，利用室内外温差所形成的热压进行 自然通风，分析影响自然通风的因素。 a 研究不同进气口面积、高度对自然通风的影响，求得有利于自然通 北京l 业人+ 产f 7 ：碗 “7 f 青论文 风的最佳进气口面积及高度。 b 研究不同热源高度对自然通风的影响，来寻求不同热源高度对室内 温度场的影响规律。 ( 3 ) 将光导管系统应用于地上建筑背阴面的房间，利用热压和风压进行混 合通风，分析影响自然通风效果的影响因素。 a 分析室外风变化对室内自然通风的影响，求得如何利用室外风来影 响室内通风，使室内温度场、速度场达到最舒适状况。 b 通过对进气口布置位置的研究，来分析增益与抑制通风模式下室内 的通风效果。 第2 节n 然通风的璀本原理 第2 章自然通风的基本原理 2 1 自然通风的作用与特点 自然通风是一项古老的技术，在许多乡土建筑中都闪现者它的影子，就像一 件被遗忘在阁楼中满是灰尘的古董，当人们再次发现它时，才感到弥足珍贵。因 此，自然通风成为当今生态建筑所普遍采取的一项比较成熟而廉价的技术措施， 采用自然通风方式的根木目的就是取代或部分取代传统的通风空调系统，而这一 取代过程有两点至关重要的意义：是自然通风不需要任何动力，有利于减少能 耗，降低污染，符合可持续发展的思想；二是可以提供新鲜的自然空气，有利于 人的生理和心理健康，室内空气品质的低劣在很大程度上是由于缺少充足的新 风，空调所造成的恒温环境也使得人体抵抗力下降，引发各种“空调病”，而自 然通风可以排除室内污浊的空气，同时还有利于满足人和大自然交往的需求。 2 2 自然通风的理论计算 目前关于自然通风的有关理论及计算方法基本上是建立在伯努利方程的基 础之上的。根据伯努利方程可得， a p 一亭等匆 ( 2 叫 则 通风量 压万 灿1 可 悸吲浮“俘 式中：p 一一一开口两侧压差，p a ； 事开口处局部阻力系数； y 开口处空气流速，皿s ； p 空气密度，k g m 3 ； q 一通风量，m 3 s ； 一一开口面积，m 2 ； c d 流量系数； 卟y 再 4 。一一有效开口面积 ( 2 2 ) ( 2 3 ) 北京i 。业人7 【硕 仃论文 彳= 式中，彳“，一分别为进排气口面积，c m ，c 分别为进排气口流量系 数。 自然通风按工作原理可分为：热压作用下的自然通风、风压作用下的自然通 风、热压风压共同作用下的自然通风。 2 2 1 热压驱动的自然通风 2 2 1 1 热压的计算 热压是由室内外空气的温度不同所导致的密度差所引起的，其大小取决于两 个因素，一是室内外空气的密度差，二是进排气口的高度差。热压的计算公式如 下所示 只。= g h ( p 。一p 。) ( 2 4 ) 也可以用室内外温度差来表示： 只。，= p 。g h 卢( l l ) ( 2 5 ) 式中：n ，几室内外空气的密度，k g m 3 ； l ，l 室内外空气的平均温度k ； 日进出气口中心的高度差，m ； 卢热膨胀系数； 2 2 1 2 热压引起的通风量 由于自然通风是一种无组织的通风方式，通过开口的气流流向受开口的大 小、位置及每种力的相对大小的影响，难以预测开口处的气流流向，使自然通风 量的计算变的复杂。尽管国内外许多学者对自然通风量做过大量的理论分析，但 也只能给出相对于一具体模型的理论解，统一的理论解难以得到啪1 。 对于混合模型( 如图2 1 ) ，假设室内温度均匀 8 第2 亭门然通风的轼本原理 其热压通风量为： 图2 2 二区型热压通风 f i g2 - 2v e n t i l a i i o b ys t a c ke 敝to f 呐o z o n et y p e q it c d 月 热分层高度，m ； 2 2 2 风压驱动的自然通风 ( 2 6 ) 温度与室外温度 ( 2 7 ) 室外气流与建筑物相遇时，将发生绕流，经过一段距离后，气流才恢复平行 流动。由于建筑物的阻挡，建筑物四周室外气流的压力分布将发生变化，迎风面 气流受阻，动压降低，静压增高，侧面和背风面由于产生局部涡流，静压降低， 北京 皿人? 1 i 硕 一7 1 寺沦文 和远处未受干扰的气流相比，这种静压的升高和降低统称为风压。静压升高，风 压为j 下，称为j 下压( 约为风速动压力的o 5 倍0 8 倍) 。静压下降，风压为负， 称为负压( 约为风速动压力的o 3 倍o 4 倍) 。风压为负值的区域称为空气动力 阴影区o ”。如图2 3 所示。 ，一一一、 + 2 2 2 1 风压的计算 图2 3 风压自然通风 f i g2 - 3n a t l i r a lv e n m a “o b yw i n d 某一建筑物周围的风压分布与建筑物的几何形状和室外的风向有关，风向一 定时，建筑物外围结构上某一点的风压值可用下式表示： 凹o - j 。嵋，2 ( 2 8 ) 式中：己风压值，p a ； k 一风压系数； 几室外空气密度，k g m 3 ； 圪室外风速，m s ；。 一 k 值为正，说明该点的风压为正值，k 值为负，说明该点的风压为负值。风压 系数可以通过数值模拟或风洞模型试验求得。 2 2 2 2 风压引起的通风量： 风压驱动的自然通风是靠在建筑物迎风面、背风面形成的压力差形成的，要 计算风压驱动的通风量，首先要知道开口面积以及形成的压差。根据伯努利方程 得： q 。- c d 一 式中： c 。开口流量系数； 彳一开口面积，m 2 ； p 。室外空气密度，k g m 3 ； ( 2 9 ) 巨 筇2 亭n 然通风的旗本原理 2 2 3 风压与热压共同驱动的自然通风 j x l 压的作用对热压自然通风起到两方面的影响：增益和抑制。这取决于室外 风的方向，当进风口处于迎风面，排风口处于背风面时，风压对热压起推动作用； 相反，当进风口处于背风面，排风口处于迎风面时，风压对热压起抑制作用。 室外风向 增益模式 抑制模式 图2 4 热压风压共同作用下的自然通风 f j g2 4n a t i i r “v e m n a t j o nb o t hb yw i n d 柚d s t 扯ke 雠c 【 2 2 3 1 风压对热压起推动作用时 通风量的计算公式为： 上式变为 q 喝爿俨呱 室外风向 ( 2 1 0 ) q 2 = q 乙+ q 乙 ( 2 1 1 ) 风压与热压共同作用时，通风量并不是二者的线性叠加而是呈平方量关系。 2 2 3 2 风压对热压起抑制作用时 当风压对热压起抑制作用时，根据风量的大小，这种情况下的自然通风又可 分为：置换通风和混合通风。当风速较小时，风压小于热压，室内空气流动以热 压为主，室外冷空气仍从下部通风口进入室内，冷空气与室内空气混合，温度升 高后由上部排风口排出，室内仍维持置换通风。随着风速的增大，进风量逐渐减 少，当增大到一定程度时，风压大于热压，室内空气流动以风压为主。室内通风 变为混合通风，室内空气温度分布基本均匀。 1 ) 置换通风时通风量的计算 州。彳俨呵 c z 一 2 ) 混合通风量的计算 q 吒爿j 2 i 邶 ( 2 - 1 3 ) 2 3 特征参数分析 2 3 1 热分层高度 热分层高度是自然通风中的一个重要指标，这一特征参数的提出以p e l j n d c n 的二区流动模型为基础。模型考虑了热源羽流的作用，揭示了自然通风房白j 室内 气流运动的机理。它将自然通风房间按照温度分为上下两个区域，下部为室外空 气进入后形成的的薪鲜空气区，上部为羽流扩散后形成的污浊空气区，其中下部 区域温度与进风温度t w ( 室外温度) 相等，上部温度为t n 。根据质量守恒，在某高 度( h c ) 处必有羽流质量流量与进风质量流量相等，h c 即为热分层高度，h c 以下为 新鲜空气区，h c 以上为羽流与室内空气完全混合的空气区。 二区模型是目前研究自然通风的基础，后人通过不断的研究，发现二区模型 具有一定的误差，下部区域空气温度并不等于进风温度，而是为具有一定温度梯 度的过渡区。“。这与对置换通风房间的温度分布研究得出的结论具有相似性。3 1 但这一特征参数的提出具有重要意义，它可以来表征室内分层状况的部分特 征。热分层高度决定了室内温度分布情况，从影响室内热舒适效果。另外，热分 层高度还会影响房间通风量的大小及空气流动方向。 2 3 2 换气次数 自然通风的目的是能给房间提供清洁的新鲜空气，以改善人们的居住环境。 然而自然通风给室内带来多少新风量才能提供人们日常工作、生活所需的新风， 需要确定一个标准来衡量这一标准。换气次数表示房间每小时进行全面通风的次 数，其表达式为： 。3 6 0 0 垒( 2 1 4 ) p 式中：q 通风量，皿3 s ； y 房间体积，m 3 ： 第2 争门然通风的荩奉原理 2 3 3 温度效率 温度效率的计算公式为： 钉：上量( 2 1 5 ) f 。一f 。 式中：f 。排风温度，； f 。_ i 羞风温度，； f 。工作区平均温度，； 温度效率是指房间总余热量与工作区聚集的余热量的比值。温度效率大，表 示通风系统所需处理余热量越小，即单位质量送风的有效除热能力越强。温度效 率反映的是温度梯度，即室内的热力分层特性。由此可见，温度效率是一个直观 可靠的评价指标，所以把温度效率作为其中一个重要评价指标。 2 4 自然通风的分析方法 2 4 1 风洞模型实验法 风洞实验的原理是相似性原理，它应用于自然通风中主要是模拟建筑表面及 建筑周围的压力场和速度场，以及确定风压系数，预测自然通风性能b 4 一。 2 4 2 示踪气体测量法 示踪气体测量法可以预测建筑通风量和气流分布。有两种测量方法：定浓度 法和衰减法。所谓定浓度法，就是在测试期间，保持所有测试房间的示踪气体浓 度不变，而改变示踪气体注射量，它可用来处理驱动力发生改变的通风问题，如 渗透问题和自然通风。而衰减法是指向测试房间注入一定量的示踪气体，随着示 踪气体的扩散，其浓度呈衰减趋势降州。 2 4 3 热浮力实验模型技术 用热浮力实验模型技术模拟热压驱动的自然通风的物理过程比较直观。目前 主要有四种技术：带有加热装置的气体模拟法( t h eg a sm o d e l i n gs y s t e m 。以空气或 其他气体作为流动介质，热浮力由固定的加热装置产生) ：带有加热装置的水模 型系统( t h ew a t e rm o d e l i n gs y s t e m ，以水作为介质，有固定的加热装置) ；盐水模 拟法( t h eb r i n e w a t c r m o d e i i n g ，利用盐水的浓度差产生类似于热羽的流动，已被 广泛接受，但需大蓄水池和不断补充盐水) ：气泡技术( af i n eb u b b i et c c h n j q u e ， 由电路的阴极产生气泡以模拟热羽运动，可以模拟点源、线源及垂直热源的情 匕京f 业人7 i ：7 7 硕i f 论文 况) 。其缺点为：不能模拟建筑热特性对自然通风的影响。对风压与热压共同驱 动的自然通风的实验模拟较复杂，可以通过改进这四种模拟法，或综合这四种模 拟法使之能模拟二力共同驱动的自然通风。 2 4 4c f d 数值模拟法 c f d 方法应用相当广泛。该方法就是将房间划分为小的控制体，把控制空 气流动的连续的微分方程组通过有限差分或有限元方法离散为非连续的代数方 程组，并结合实际的边界条件在计算机上求解离散所得的代数方程组，只要划 分的控制体足够小，就可认为离散区域的离散值代表整个房间内空气分布情况。 由于分割的控制体可以很小，所以它可详细描述流场。 自然通风由于其本身的非线性特性，使得其分析方法相对于机械通风来说有 一定的困难，然而通过c f d 方法可得到研究空间详细的数据资料，所以近年来 c f d 方法普遍应用于自然通风的分析研究。 与实验测试比较，c f d 方法具有以下特性m 1 ： ( 1 ) 成本低在大多数实际应用中，由于无需搭建实验台布置实验设备，模 拟计算费用要比相应的实验研究费用低几个数量级； ( 2 ) 速度快数值计算可以在较短的时问内研究数百种不同的方案，并从中 选择出最佳工况，相应的实验研究将需要几个月或更长的时间： ( 3 ) 资料完备对一个问题进行计算机求解可以得到详尽而又完备的资料， 它能够提供在整个计算区域内所有的有关变量( 如速度、温度、浓度等) 的值， 在计算中几乎没有达不到的位置； ( 4 ) 具有模拟真实条件的能力不需要采用缩小的模型； ( 5 ) 具有模拟理想条件的能力在研究一种基本的物理现象时，人们希望实 现若干理想化的条件( 如绝热表面等) 。在数值计算中，人们很容易准确给定这 些条件；相反，再精确的实验安排也很难完全做到这种理想化的条件。 根据本文的研究内容，需要同时考虑热压和风压作用下自然通风的影响因 素，由于自然通风的随机因素比较多，只有用c f d 方法才能够详细、准确地模拟 各种随机因素对自然通风的影响。 2 5 小结 本章详细介绍了自然通风的理论基础，对热压、风压及二者同时作用下的情 况分别进行分析，并且介绍了现阶段研究自然通风的四种方法：风洞模型实验法、 示踪气体法、热浮力实验模型法和c f d 数值模拟法，根据本文特点选用c f d 数 值模拟法。 第3 章光导竹系统设计及c f d 模刑的建、z 第3 章光导管系统的设计及c f d 建模 3 1 光导管系统的设计 本文所设计的光导管系统既能实现天然采光，又可以实现自然通风的功能。 如图3 1 所示，光导管同轴布置在通风管道的中央，光导管由聚光罩、光导管本 体及散射板组成，在光导管内壁贴有一层具有高反射率的反射膜，室外光在聚光 罩的聚光下利用完全内反射原理将天然光线引入到室内实现绿色照明，而室内空 气则通过光导管与通风管道之间的环形通道排出室外实现自然通风。 太阳光 聚光罩 光导管 通风管 图3 2 通风系统 f i g3 2v e n t i l 砒j o ns y s t e m 由于自然通风要考虑风压的影响，不同条件的室外j b 叱对排风口的影响不同。 因此本文设计了四种不同的风帽，对比分析其对自然通风的影响。如图3 3 所示 滩 北京l 业人学l 。硕- f 。f 论文 直筒伞型h 型百叶 图3 - 3 风帽结构图 f i g3 - 3s h u c l u r eo fv e m n a t i o nt e r t n i i l a j 3 2c f d 数值方法的确定 自然通风由热压和风压的作用而形成，根据第2 章的结论，本文采用c f d 数值模拟的方法来研究热压和风压的作用。 3 2 1 紊流数学模型及控制方程 利用数值模拟的方法研究自然通风，数学方程的选用非常关键，不同的方程 得出的结果有很大的差别。自从r e y n o l d s 在1 8 9 5 年提出时间平均的n s 方程 以来，研究人员和科学家花了一个世纪的时间来尝试建立r e v n o l d s 应力的紊流 模型，现在紊流模型已经取得了很大的进展，几种常见的紊流模型为：零方程模 型，方程模型，七p 两方程模型。零方程模型是指不需要用偏微分方程而是用 代数关系式把紊流粘性系数与时均值联系起来的模型；一方程模型，就是为决定 “要求解一个紊流参量的微分方程，从而使紊流方程组得以封闭的模型；七e 的两方程模型就是要求解两个参量的微分方程；在工程紊流计算中，七一r 两方 程模型应用最广。 七e 两方程模型中的k 指单位质量流量的紊流脉动动能，其定义如下1 ： 七一三矿+ + ) e 是指脉动动能的耗散率，通过引入e ，可以把紊流粘性系数“与k 联系起来 c 。肚2 “。 由以上定义，即可由n s 方程推得k 和方程。 ( 3 一1 ) ( 3 2 ) 第3 节光导符系绕设计及c f d 卡；! 掣的建t k 方程 p 善+ ，鸶- 专”+ 象) 毒卜一普( 薏+ 等) 一班c 3 一s ， c 方程 p 詈+ 鹏毒= 毒”+ 芑) 一毒卜等h 考( 考+ 鼍) p 譬c 3 4 ， 气体流动满足连续性方程及动量方程，在采用b o u 蟠i n e s q 假设后得出： 连续性方程 堕o 帆 ( 3 5 ) 动量方程 等+ 等一一詈+ 毒卜( 考+ 鼍) 】+ 印瓯一瞧 c s 叫 式中：p 空气密度： z 二方向( 1 ，2 ，3 ) 7 “：在而方向的速度分量； “。在工方向的速度分量o p 压力； 弘盯有效粘性系数p 盯一以+ p 5 口层流粘性系数； ，紊流粘性系数； 矗热膨胀系数： 参考点温度： r 温度； 譬i i 方向的重力加速度； 其中( l 一丁k ，项为浮升力项，为了能确定浮升力项和温度分布，必须 求解能量守恒方程。 能量守恒方程 等+ 等- 毒卜卦号 伊7 ， 北京【业人7 i 。0 硕十7 ，f 寺论文 式中：l 硝盆度的有效紊流扩散系数 o ，盯a 口形可； p 嘟有效普朗特数p 哪= o 9 ： g 二热源强度；c ，比热； k 方程、e 方程与动量方程、能量方程、连续方程一起构成了室内空气流动 与换热的基本控制方程。方程组所采用的系数如表3 一i 所示： 表3 1k 一两方程模型中的系数 t a b l e3 1c o e f f i c i e n to fk ee q u a l j o m c 。 c lc 2吼 仃 0 0 9 1 4 41 9 21 01 3 3 2 2f l u e n t 软件的介绍 本文采用f 1 u e