单侧自然通风建筑室内热环境模拟及

单侧自然通风建筑室内热环境模拟及分析摘要：本文对单侧自然通风作用下浅进深的中庭温度场进行了实验测量，同时采用带浮力项的修正k-ε模型对室内热环境进行模拟计算，归纳了单侧自然通风作用下建筑内温度场的特点：下部工作区的线性温度场和上部积热区的幂函数温度场。数值模拟结果与实验的比较表明带浮力项的低雷诺数k-ε模型能很好地反映驱动自然通风的浮力的影响和中庭内部空气低雷诺数的流动状态。最后通过理论分析指出温度梯度会导致压力中性面上移，进而增加进口流速强化自然通风的结论，为设计提供了依据。关键字：自然通风中庭计算流体力学1引言中庭是一个人工营造的全天候室内公共聚集区域，它通常是宽大且连通了多层的大空间。中庭建筑的热环境直接影响到中庭健康、舒适的使用功能，因而应采用经济、合理的通风手段对其进行控制，以带走室内的冷热负荷，稀释有害气体、微粒等污染物浓度，改善、维护其内部环境。但是，中庭建筑的大空间、大负荷特点必然导致机械通风系统和制冷空调设备容量的增大，以及运行、检修费用的增加。目前，自然通风作为一种节省能量、投资的通风模式在中庭建筑中正受到越来越多的重视和应用，然而相应的温度场研究却并不多。本文对某自然通风中庭进行了实验测量，同时利用计算流体力学和传热学的方法对该建筑进行了数值模拟和理论分析，以期描述单侧自然通风作用下浅进深中庭的温度场特点，为中庭自然通风设计提供依据。2实验测试图1中庭建筑模型图2测点平面布置图中庭建筑的几何模型如图1所示。中庭长15m、宽7.5m，高7米，位于50米高建筑的底部，连通了一二两层。除西侧为玻璃幕墙外，其余均为钢筋混凝土结构，内贴大理石。中庭的大门位于西侧中央，长5m，高2.5m。与中庭连接的三条狭长的长方体分别为北、南、东走廊。中庭的出风口在东部和北部走廊的尽头，见图1。实验在山西省太原市8月，9月两月上午的8点至下午19点进行。采用热电偶和WMSX-01巡回检测温度仪测量室外空气温度、室内空气温度和壁面温度，使用热球风速仪测量进口和出口风速。中庭内部距地面2米高处平面上布置着7个测点。在测点4处垂直方向上距地4米和6米的高度分别布置着测点8和测点9。中庭内的测点布置见图2。3数学模型及边界条件中庭温度场和流场是相互耦合，相互作用的，内部空气通常处于层流向湍流过渡的低雷诺数状态[1]，这是由于：（1）中庭内部稳定的浮力作用导致的热分层现象衰减了垂直方向的湍流；（2）中庭建筑很大，在许多区域，空气几乎不受湍流影响，为层流状态。由于在空气流动应用中广泛使用的标准模型最初是用来分析完全发展等温湍流流动的，对于复杂的三维非等温流的模拟，它的准确率较低[2][3]，而且它不能模拟低雷诺数(层流，未变为完全湍流情况)的流动。因此，标准模型并不适于描述自然通风下的流场。为了改善传统湍流模型适用性差、无法模拟低雷诺数流动的缺点，这里采用带浮力项的修正模型[4]模拟中庭内部空气流动，采用能量方程描述温度场分布。涡旋-粘度双方程湍流模型，它由湍流动能k和湍流动能耗散率ε方程组成：（1）其中参数,浮力项,湍流粘度衰减系数，，能量方程：（3）以上方程再加连续方程,动量方程共同组成控制方程组。湍流能量和粘性耗散率在固定边界上可令其为，，计算中，由于要用做分母，所以取其为一很小的正数。在进口处取，。在出口处按其法向梯度为零计算，，。西侧入口（门），东、北出口，北出口，东出口，壁面风速为0。温度边界条件采用实验测试结果。4实验与计算结果的分析从实验数据中选择典型的一天进行分析。图5中画出了3、4、7测点处的温度分布曲线图，由外到内各个测点的温度相近。从整个中庭内工作区平面7个测点的白天温度实测值中可以发现，对于这个15mx7.5m浅进深的中庭，在单侧自然通风气流组织较为合理的情况下，工作区内温度分布均匀，从外到内各测点之间温度偏差不会超过0.5℃。而且实验中发现，在自然通风作用下，距进风口较近的测点2处室内外气温几乎相同。中庭内平均气温接近或稍低于室外气温，温差大约1℃左右，这同中庭本身的蓄热性能有关。敢图具6睡是垂直方向上加测郑点现4湖，极8归，汉9败处实测温度与岸模拟分析值的煮比较，两者间扮最大误差不超早过絮10醋%木，表明带浮力卖项的低雷诺数兰模型能够很好恋地反映实际情信况，这主要是快因为方程中的翅浮力项对湍流递动能有破坏作脏用，使模型更毅接近中庭内空亡气状态。产生截误差的可能原许因是由于煎模型中的许多挑系数参数值是澡经验确定的，窑另外，由于中革庭内部人流密预度不大且变化暑没有规律，模究拟时没有考虑系人员和照明设燕备的散热，故杀此测量值比计拨算值要大，但扔模拟值仍然很垫好地预测了实脸测温度值的变音化趋势。从赔图保6附可以发现从地絮板到顶棚温度汁随高度近似成瓜抛物线增加，松中庭内部温度时场可分为两个拼区域：下部工级作区线性的温车度场和上部热扇量积聚区抛物浅线形温度场。绢工作区的温度弟较低，且分布霸较均匀；上部络热量积聚区的同温度较高，顶昼部温度比地面仪温度高出锯1.哲1符℃革。整个中庭内梦温度低于进口忆温度（丝3捧1奋℃旦），工作区的眼温度约为拐29.针2斗℃忍，室内外相差吼1.广8盼℃述。撞图卧5呜翁室内测击点梅3,4,栽7迁干球温度曲线死图睡旨浊图宏6熄测境点阶4,8,痰9低实测值与模拟械计算值的比较花图矩7紧所示为自然通控风作用下中庭塌温度场的模拟誓结果。自然通仁风加强了中庭童内热空气的上巷浮，浮升的热遍羽流不断卷吸赛周围空气，形淘成倒锥形温度熄分布，非常类偿似于置换通风浓负荷集中在顶芦部的温度场分涝布妄[5验]加。天花板附近悲是中庭内温度目最高的区域，候要排除聚集在懒顶部的余热，杠需要在这里设浇置排风口。永图估8蛙所示是理想不油通风情况下的策模拟中庭温度竞场。在这种情铜况下，室内气美流完全处于自腊然对流状态，舞温度层是从地搂面到天花的一回系列近似相互职平行的规则等趁温层，这同自恼然通风作用时狡的倒锥形温度横场不同。球图贝7迟刷自然通风中庭亦温度块场谜腔抛图询8枝撕不通风中庭温锤度场塌5过念温度场对自然袄通风的影响锐由于中庭内温迁度分布为线性涂的区域较大，锁温度梯度只在渠中庭顶部突然涂增加，所以将旱整个中庭的温详度分布近似看症作线性分布。如同时，这种假苍设也简化了理抗论推导的复杂召。这样，室内暑温度分布可以替写归作僻:宝邪（哭4遍）蚕其黎中怨k拨为垂直温度梯辩度当，遥T眨i象为室内温度狮，穿T棉i0职为室内靠近地馅面处的温度。讨室内空气密度途可以表述为：捎碎酿梅（式5阳）爸室内压力分布队可以写作：土室扎（首6恩）齿所以室内压力荣分布为一对数暖分布，将方程昆（暮6民）从以赠Taylo馆r粗公式展开并取歉前两项得：据溜盯劈（殿7牢）格由于室外气压确可表示为像：氏洽爪（携8绣）怖这样在自然通欲风进口处的压慰差为：庭每叫（舱9闭）闲出口处的压差标：暮恢监（连1远0盆）构式爱中岸H达1假和疗H弯2耍分别为进口和禽出口距离中性斑面的高度缎同室内温度均己匀情况下自然吸通风进口处和概出口处的压差普和钞赖鱼（缩1搏1催）琴相比，温度梯吗度使得出口处阿的压差增大，士而入口处的压骑差减小，这是净温度梯度使得罩室内中性面上爹移的结果。根炭据自然通风进果出口的风速公处式：届花（煮1绳2刻）袜中性面上移必故然导额致丹H吸1浴的增大股，拥H害2郊的减小，相应热地增大进口流它速，减小出口产流速，对于固脑定的进口面积悉，则温度梯度钥所导致的中性威面上移最终会妨增大自然通风角量。炊这个结论与只图展7线所示的中庭温家度场模拟结果业相同，中庭内告上浮的热羽流惧不断卷吸周围饥空气，形成倒宇锥形温度分布拘，这样的温度咐分布导致了压依力中性面的上抵移，从而增大育了出口的压差愈，减少进口处激的阻力，强化皆了自然通风。6结论往通过实验测试名以及理论、数战值模拟分析，宁可以得到以下蠢结论：燕合理的单侧自烘然通风能够很未好地对浅进深缴的中庭或大空蝴间建筑进行通案风降温换气，真室内外温差大尖约痛1与～蹦2劲℃贩，这同建筑材出料的蓄热能力成有关；工作区嫌内部温度水平贪偏差不超赵过绩0.它5驱～练1甜℃于，垂直偏差不递超过笔1.封5粘℃哈，能够满足舒风适的要求。散在中庭热压、休风压的联合作或用下，中庭内志温度较高的等侄温层会上浮，问温度较低的等价温层扩大，形断成倒锥形温度像场，它可以近近似分为两个区亦域：温度随高泛度线性分布的赢工作区；温度溪随高度幂函数融分布的顶部高撞温积热区。这坦一温度场分布股与负荷集中在兴上部的置换通娱风温度场相淘似滴[5桥]酷，热量积聚在割中庭顶部，通恩风窗应该设置灾在顶部以便于阳排除热湿负荷软。姻理论分析表明糟，中庭内的温袄度梯度会造成寒压力中性面的轻上升，减少进碧口处的阻力，靠增大出口的压威差，提高进口击的风速。因此熔温度梯度是强祥化自然通风的悟重要因素。缺实测证明，由号于浮力对湍流受的破坏作用，催采用的带浮力梯项的修正劈模型能很好地绸模拟自然通风牺作用下中庭建孙筑内部气流的胖低雷诺数特点倒，在能量方程铸中不考虑人员饿和设备的散热候会导致最终结各果的偏小。参考文献蓝[1]Ch拆enQ,岗Morse巾Aand失Huber华A.ASH限RAETr耽ansact债ions1劳996,(尼1):56内4-573勿[2]Mu薄rakami基S.Ro亡omven垦t劣’笼92:Pr敢oceedi爬ngsof炼Third吉Inter犁nation崇alCon宅ferenc添e,DAN