自然通风计算方法的探讨

自然通风计算方法的探讨

0风压和速度的计算方法自然通风是一种适用于不同建筑的经济通风方式。由于涉及到许多不确定因素,在自然通风计算方法中采用了各类简化条件,一些基本参数的应用也简单化了,如文献热压计算中,室内空气密度采用排风口和工作区空气温度的平均值所对应的空气密度值;文献则采用了排风口和工作区空气密度的平均值。文献在风压计算中没有考虑来流速度型的影响,对于室外风速,即使是厂房,由边界层理论知,近地窗处的风速和天窗处的风速也会相差甚远,事实上,对与此相关的问题文献已做了很好的工作,并给出了详细的计算方法和说明。虽然暖通空调设计规范规定,自然通风实际计算中仅考虑热压的作用,风压一般不予考虑,但必须定性地考虑风压对自然通风的影响。由于自然通风的应用面广泛,许多情况下风压引起的自然通风会有举足轻重的作用。由此可见,在自然通风计算方法中,除了一些基本的假定条件外,对最基本的计算参数的选择还存在着认识上的差别,而这些差别会造成自然通风设计计算中概念的混淆和计算结果的较大偏差,因此,本文认为现行的自然通风设计计算中计算参数的选择和计算方法需作必要的修正,并依据空气热工特性和空气动力学原理,提出了新的计算参数的选择方法和自然通风的计算方法。1空气密度计算方法设一建筑物如图1所示。由流体静力学理论知,室内外空气密度差引起的热压为:pr=g(hb-ha)ρw-g∫hbhaρnhdh(1)pr=g(hb−ha)ρw−g∫hbhaρnhdh(1)式中pr为热压,Pa;ρnh为随高度变化的室内空气密度,kg/m3;ρw为室外空气密度,kg/m3;ha,hb分别为窗a,b的高度,m。本文中ha=2m,hb=17m;g为重力加速度,m/s2。将式(1)变形为:式中δρwh=ρw-ρnh文献对式(2)中的ρnh采用室内窗a,b处的温度平均值所对应的空气密度值,文献采用窗a,b处空气密度的平均值,文献采用了温度随高度线性变化的假定。由气体状态方程知,空气密度和空气温度成反比,因此,即使温度随高度有线性关系,室内平均温度可采用窗a,b温度的平均值,也不能得到空气密度可应用温度平均值所对应的空气密度值的关系,事实上温度梯度随高度有较大的变化。由于难以得到确切的室内空气密度随高度变化关系式,本文认为可采用类似传热学求换热设备平均温差的方法来计算。将式(2)改写为式中δρwn=(ρw-ρp)+(ρw-ρn)2δρwn=(ρw−ρp)+(ρw−ρn)2当q=ρw-ρpρw-ρn＜2q=ρw−ρpρw−ρn＜2;(4)δρwn=(ρw-ρp)-(ρw-ρp)ln[ρw-ρpρw-ρn]δρwn=(ρw−ρp)−(ρw−ρp)ln[ρw−ρpρw−ρn]当q=ρw-ρpρw-ρn＞2q=ρw−ρpρw−ρn＞2;(5)ρp为排风区(窗b)空气密度,kg/m3;ρn为工作区空气密度,kg/m3。当式(4)成立时,式(3)即为文献的计算式,但在许多情况下q>2,应该采用式(5)和式(3)来计算。2平均风速随高度变化的规律建筑物外围结构上某一点的风压pf为:式中K为空气动力系数,与来流速度型和方向相对应,通常由风洞模型实验确定,其计算式为:式中p为建筑模型表面压力,p0为未受扰动来流空气压力或空风洞空气压力,vw为未受扰动来流速度或空风洞速度。为了满足大气近地边界层气流对建筑物的影响这一条件,实验通常在边界层风洞中进行,此外采用旋转模型来取得风向变化时风压的分布规律。因此,p是vw和来流角度的函数,但实验表明K值与vw的大小无明显关系,K值随来流角度变化有较大变化,在实际风压计算中,需选取与来流角度相对应的K值来计算,由于实验是在模型前气流无扰动条件下做的,K值只能应用于处于平坦开阔地的建筑物。由于风速在近地层随高度有较大的变化,应用式(7)时,需采用当地与高度相对应的风速来计算。根据对实测结果的分析,平均风速随高度变化的规律可用指数函数来描述,其表达式为:vw=v10(Η10)a(8)vw=v10(H10)a(8)式中vw为风速,m/s;H为任一点的高度,m;v10为标准高度(常取10m)处的平均风速,m/s;a为地面粗糙系数,其取值为海面a=0.100～0.125,开阔平原a=0.125～0.167,森林或街道a=0.250,城市中心a=0.333。文献在vw计算中均没有考虑其沿高度的变化,这显然不符合实际气流分布状况,即使对于厂房,近地窗的风速和天窗处的风速也会相差甚远,而且由边界层理论知,这一区域风速梯度的变化是最大的。对于高层建筑物,vw沿高度的变化更不容忽视。3来流未受扰动时空气压力对于图1建筑物窗a,b,考虑室内空气密度沿高度的分布和来流风速随高度的变化,应用本文1,2的结论,热压和风压同时作用时,其室内外压差为:式中p0为来流未受扰动时的空气压力,Pa;pxa为窗a的余压,pxa=p′a-p0,Pa;Ka为窗a处的空气动力系数;vwa为来流未受扰动时高度为ha处的风速,m/s。式中pxb为窗b的余压,Pa;Kb为窗b处的空气动力系数;vwb为来流未受扰动时高度为hb处的风速,m/s。式(10)中δρwn采用式(4)或式(5)计算,vwa,vwb采用式(8)计算,式(9)、(10)与文献中相关计算方法的不同之处,就在于它们考虑了室外风速和室内空气密度的实际分布。4计算和分析4.1室外空气温度fb某车间如图1所示,车间总余热量Q=780kW,有效热量系数m=0.4,窗a,c的面积Fa=Fc=15m2,流量系数μa=0.6,μc=0.6,μb=-0.4,空气动力系数Ka=0.6,Kc=-0.3,Kb=-0.4,室外标准高度平均风速vw=4m/s,室外空气温度tw=28℃,空气比热容cp=1.01kJ/(kg·℃),要求室内工作区温度tn≤tw+5℃,计算天窗面积Fb。4.1.1tw+tn-twm、tp2及全面气力工作区温度:tn=tw+5℃=33℃天窗排气温度:tp=tw+tn-twm=40.5℃tp=tw+tn−twm=40.5℃车间内平均空气温度:tnp=tn+tp2=36.75℃车间的全面换气量:G=Qcp(tn-tp)=61.78kg/s4.1.2计算每个窗孔的内外压力内外接压的计算热压:pr=g(hb-ha)(ρw-ρnp)=4.89Pa室外风的动压:pd=vw2ρw/2=9.38Pa设窗a的余压为pxa,各窗孔的内外压差为:室外风的动压计算a热压计算因此,采用对数平均式(5)来计算热压,将式(5)代入(3)有:与文献的计算方法相比,计算结果相差9.6%。b风压计算设工厂设在近郊,地面粗糙系数a=0.25,由式(8)可得:相对应的室外风的动压:与文献的计算方法相比,计算结果相差55.4%。pdb=vwb2ρw/2=12.24Ρa与文献的计算方法相比,计算结果相差30.5%。设窗a的余压为pxa,各窗孔的内外压差为:设窗a和c进风,δpa和δpc均为负值。4.1.3排气量根据空气量平衡原理,窗a,c进气量(Ga,Gc)等于窗b的排气量(Gb),故有其中Ga=μaFa(2ρw(-δpa))1/2(18)Gc=μcFc(2ρw(-δpc))1/2(19)Gb=μbFb(2ρw(δpb))1/2(20)文件计算方法将式(11)、(12)分别代入式(18)、(19),应用式(17)可解出:本文件的计算方法将式(14)、(15)分别代入式(18)、(19),应用式(17)可解出:与文献的计算方法相比,计算结果相差1.5%。4.1.4计算界面面积的85%文件计算方法将式(13)代入式(20),应用式(17)和(21)可解得:本文件的计算方法将式(16)代入式(20),应用式(17)和(22)可解得:与文献的计算方法相比,计算结果相差7.5%。4.2计算结果的差异由算例计算结果可见,室内空气密度、室外风速等计算参数的不同选择,热压、风速、动压、余压和天窗面积的计算结果均会产生差异。其中风速、动压的差异最大,这是由于室外来流风速在算例计算高度范围有较大变化所致。因此,风压计算过程中必须考虑来流速度型的影响。热压计算结果也有较大差异,它说明了室内空气密度在热压计算中需作细致的考虑。5空气动力系数的计算5.1热压计算中,应考虑室内空气密度随高度的变化,采用式(3)～(5)计算,而不应采用文献中排风口处空气温