單側(cè)自然通風(fēng)建筑室內(nèi)熱環(huán)境模擬及

單側(cè)自然通風(fēng)建筑室內(nèi)熱環(huán)境模擬及分析摘要：本文對(duì)單側(cè)自然通風(fēng)作用下淺進(jìn)深的中庭溫度場(chǎng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量，同時(shí)采用帶浮力項(xiàng)的修正k-ε模型對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境進(jìn)行模擬計(jì)算，歸納了單側(cè)自然通風(fēng)作用下建筑內(nèi)溫度場(chǎng)的特點(diǎn)：下部工作區(qū)的線性溫度場(chǎng)和上部積熱區(qū)的冪函數(shù)溫度場(chǎng)。數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)的比較表明帶浮力項(xiàng)的低雷諾數(shù)k-ε模型能很好地反映驅(qū)動(dòng)自然通風(fēng)的浮力的影響和中庭內(nèi)部空氣低雷諾數(shù)的流動(dòng)狀態(tài)。最后通過(guò)理論分析指出溫度梯度會(huì)導(dǎo)致壓力中性面上移，進(jìn)而增加進(jìn)口流速?gòu)?qiáng)化自然通風(fēng)的結(jié)論，為設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。關(guān)鍵字：自然通風(fēng)中庭計(jì)算流體力學(xué)1引言中庭是一個(gè)人工營(yíng)造的全天候室內(nèi)公共聚集區(qū)域，它通常是寬大且連通了多層的大空間。中庭建筑的熱環(huán)境直接影響到中庭健康、舒適的使用功能，因而應(yīng)采用經(jīng)濟(jì)、合理的通風(fēng)手段對(duì)其進(jìn)行控制，以帶走室內(nèi)的冷熱負(fù)荷，稀釋有害氣體、微粒等污染物濃度，改善、維護(hù)其內(nèi)部環(huán)境。但是，中庭建筑的大空間、大負(fù)荷特點(diǎn)必然導(dǎo)致機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)和制冷空調(diào)設(shè)備容量的增大，以及運(yùn)行、檢修費(fèi)用的增加。目前，自然通風(fēng)作為一種節(jié)省能量、投資的通風(fēng)模式在中庭建筑中正受到越來(lái)越多的重視和應(yīng)用，然而相應(yīng)的溫度場(chǎng)研究卻并不多。本文對(duì)某自然通風(fēng)中庭進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量，同時(shí)利用計(jì)算流體力學(xué)和傳熱學(xué)的方法對(duì)該建筑進(jìn)行了數(shù)值模擬和理論分析，以期描述單側(cè)自然通風(fēng)作用下淺進(jìn)深中庭的溫度場(chǎng)特點(diǎn)，為中庭自然通風(fēng)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。2實(shí)驗(yàn)測(cè)試圖1中庭建筑模型圖2測(cè)點(diǎn)平面布置圖中庭建筑的幾何模型如圖1所示。中庭長(zhǎng)15m、寬7.5m，高7米，位于50米高建筑的底部，連通了一二兩層。除西側(cè)為玻璃幕墻外，其余均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，內(nèi)貼大理石。中庭的大門(mén)位于西側(cè)中央，長(zhǎng)5m，高2.5m。與中庭連接的三條狹長(zhǎng)的長(zhǎng)方體分別為北、南、東走廊。中庭的出風(fēng)口在東部和北部走廊的盡頭，見(jiàn)圖1。實(shí)驗(yàn)在山西省太原市8月，9月兩月上午的8點(diǎn)至下午19點(diǎn)進(jìn)行。采用熱電偶和WMSX-01巡回檢測(cè)溫度儀測(cè)量室外空氣溫度、室內(nèi)空氣溫度和壁面溫度，使用熱球風(fēng)速儀測(cè)量進(jìn)口和出口風(fēng)速。中庭內(nèi)部距地面2米高處平面上布置著7個(gè)測(cè)點(diǎn)。在測(cè)點(diǎn)4處垂直方向上距地4米和6米的高度分別布置著測(cè)點(diǎn)8和測(cè)點(diǎn)9。中庭內(nèi)的測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖2。3數(shù)學(xué)模型及邊界條件中庭溫度場(chǎng)和流場(chǎng)是相互耦合，相互作用的，內(nèi)部空氣通常處于層流向湍流過(guò)渡的低雷諾數(shù)狀態(tài)[1]，這是由于：（1）中庭內(nèi)部穩(wěn)定的浮力作用導(dǎo)致的熱分層現(xiàn)象衰減了垂直方向的湍流；（2）中庭建筑很大，在許多區(qū)域，空氣幾乎不受湍流影響，為層流狀態(tài)。由于在空氣流動(dòng)應(yīng)用中廣泛使用的標(biāo)準(zhǔn)模型最初是用來(lái)分析完全發(fā)展等溫湍流流動(dòng)的，對(duì)于復(fù)雜的三維非等溫流的模擬，它的準(zhǔn)確率較低[2][3]，而且它不能模擬低雷諾數(shù)(層流，未變?yōu)橥耆牧髑闆r)的流動(dòng)。因此，標(biāo)準(zhǔn)模型并不適于描述自然通風(fēng)下的流場(chǎng)。為了改善傳統(tǒng)湍流模型適用性差、無(wú)法模擬低雷諾數(shù)流動(dòng)的缺點(diǎn)，這里采用帶浮力項(xiàng)的修正模型[4]模擬中庭內(nèi)部空氣流動(dòng)，采用能量方程描述溫度場(chǎng)分布。渦旋-粘度雙方程湍流模型，它由湍流動(dòng)能k和湍流動(dòng)能耗散率ε方程組成：（1）其中參數(shù),浮力項(xiàng),湍流粘度衰減系數(shù)，，能量方程：（3）以上方程再加連續(xù)方程,動(dòng)量方程共同組成控制方程組。湍流能量和粘性耗散率在固定邊界上可令其為，，計(jì)算中，由于要用做分母，所以取其為一很小的正數(shù)。在進(jìn)口處取，。在出口處按其法向梯度為零計(jì)算，，。西側(cè)入口（門(mén)），東、北出口，北出口，東出口，壁面風(fēng)速為0。溫度邊界條件采用實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果。4實(shí)驗(yàn)與計(jì)算結(jié)果的分析從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中選擇典型的一天進(jìn)行分析。圖5中畫(huà)出了3、4、7測(cè)點(diǎn)處的溫度分布曲線圖，由外到內(nèi)各個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度相近。從整個(gè)中庭內(nèi)工作區(qū)平面7個(gè)測(cè)點(diǎn)的白天溫度實(shí)測(cè)值中可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于這個(gè)15mx7.5m淺進(jìn)深的中庭，在單側(cè)自然通風(fēng)氣流組織較為合理的情況下，工作區(qū)內(nèi)溫度分布均勻，從外到內(nèi)各測(cè)點(diǎn)之間溫度偏差不會(huì)超過(guò)0.5℃。而且實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在自然通風(fēng)作用下，距進(jìn)風(fēng)口較近的測(cè)點(diǎn)2處室內(nèi)外氣溫幾乎相同。中庭內(nèi)平均氣溫接近或稍低于室外氣溫，溫差大約1℃左右，這同中庭本身的蓄熱性能有關(guān)。緒圖得6丟是垂直方還向上測(cè)瓦點(diǎn)趙4報(bào)，奧8村，御9射處實(shí)測(cè)溫璃度與模擬渠分析值的缸比較，兩撒者間最大喇誤差不超夜過(guò)喚10裳%槐，表明帶粘浮力項(xiàng)的叉低雷諾數(shù)殲?zāi)Ｐ湍軌虺芎玫胤贷}映實(shí)際情央況，這主道要是因?yàn)榍曳匠讨械木G浮力項(xiàng)對(duì)國(guó)湍流動(dòng)能叼有破壞作看用，使模賴型更接近勝中庭內(nèi)空訴氣狀態(tài)。放產(chǎn)生誤差蛾的可能原拉因是由于豐模型中的剪許多系數(shù)揀參數(shù)值是委經(jīng)驗(yàn)確定耕的，另外沉，由于中刪庭內(nèi)部人繪流密度不賊大且變化塑沒(méi)有規(guī)律撥，模擬時(shí)奴沒(méi)有考慮他人員和照?qǐng)?jiān)明設(shè)備的晨散熱，故袖此測(cè)量值成比計(jì)算值引要大，但考模擬值仍互然很好地耕預(yù)測(cè)了實(shí)方測(cè)溫度值并的變化趨客勢(shì)。從字圖喇6永可以發(fā)現(xiàn)數(shù)從地板到削頂棚溫度叔隨高度近腫似成拋物條線增加，碧中庭內(nèi)部鑰溫度場(chǎng)可謙分為兩個(gè)艙區(qū)域：下炮部工作區(qū)遣線性的溫業(yè)度場(chǎng)和上鳴部熱量積男聚區(qū)拋物頁(yè)線形溫度成場(chǎng)。工作弓區(qū)的溫度射較低，且霉分布較均網(wǎng)勻；上部盡熱量積聚肢區(qū)的溫度柜較高，頂鵲部溫度比堆地面溫度陵高硬出筑1.賴1知℃絮。整個(gè)中串庭內(nèi)溫度資低于進(jìn)口煙溫度親（檢3淹1誓℃槽），工作撲區(qū)的溫度園約春為代29.工2耀℃斷，室內(nèi)外暑相懲差迫1.遭8陡℃忽。銹圖榮5叮膊室內(nèi)測(cè)宜點(diǎn)御3,4,南7膠干球溫度語(yǔ)曲線風(fēng)圖丑糠音圖巧6串測(cè)軟點(diǎn)章4,8,喬9批實(shí)測(cè)值與喂模擬計(jì)算胳值的比較腹圖壟7粥所示為自礙然通風(fēng)作震用下中庭妥溫度場(chǎng)的右模擬結(jié)果紗。自然通筍風(fēng)加強(qiáng)了倦中庭內(nèi)熱插空氣的上宇浮，浮升掘的熱羽流插不斷卷吸艷周?chē)諝獯牛纬傻箽ゅF形溫度刷分布，非梯常類按似于置換悅通風(fēng)負(fù)荷揮集中在頂距部的溫度雙場(chǎng)分永布體[5亭]予。天花板英附近是中烏庭內(nèi)溫度脅最高的區(qū)搏域，要排縮除聚集在鞏頂部的余皂熱，需要碰在這里設(shè)暴置排風(fēng)口綠。由圖謎8貫所示是理秋想不通風(fēng)忌情況下的岡模擬中庭宣溫度場(chǎng)。貪在這種情屠況下，室餓內(nèi)氣流完肚全處于自潮然對(duì)流狀加態(tài)，溫度飽層是從地姿面到天花沙的一系列測(cè)近似相互躁平行的規(guī)涌則等溫層覽，這同自預(yù)然通風(fēng)作店用時(shí)的倒?fàn)t錐形溫度積場(chǎng)不同。局圖仍7今賀自然通風(fēng)詠中庭溫度壩場(chǎng)縣附吵圖繁8元奏不通風(fēng)中趨庭溫度場(chǎng)辰5盞低溫度場(chǎng)對(duì)寄自然通風(fēng)淡的影響唇由于中庭塊內(nèi)溫度分澤布為線性慣的區(qū)域較慶大，溫度凍梯度只在糕中庭頂部灶突然增加川，所以將槳整個(gè)中庭中的溫度分靜布近似看紡作線性分燒布。同時(shí)亦，這種假郊設(shè)也簡(jiǎn)化斤了理論推程導(dǎo)的復(fù)雜拉。這樣，振室內(nèi)溫度狡分布可以持寫(xiě)氣作兼:勝迫（誰(shuí)4卷）酷其鹿中竟k退為垂直溫戴度梯度廈，但T野i生為室內(nèi)溫瓦度禿，康T擱i0硬為室內(nèi)靠脊近地面處標(biāo)的溫度。愛(ài)室內(nèi)空氣袋密度可以慌表述為：贏變碌優(yōu)（攏5爐）答室內(nèi)壓力束分布可以逮寫(xiě)作：如狐建（醋6綁）說(shuō)所以室內(nèi)柿壓力分布煙為一對(duì)數(shù)足分布，將燭方程賄（給6吐）此以純Tayl手o濃r敲公式展開(kāi)計(jì)并取前兩登項(xiàng)得：昆帳經(jīng)摟（昂7曠）梳由于室外敵氣壓可表阿示為壯：蟲(chóng)古蛙（殘8孫）釣這樣在自金然通風(fēng)進(jìn)賠口處的壓描差為：雪眾除（盾9劍）鳥(niǎo)出口處的邀壓差：嘗興爸港（盤(pán)1女0川）鴉式厭中配H酒1柱和激H者2降分別為進(jìn)切口和出口壯距離中性沫面的高度包同室內(nèi)溫賴度均勻情測(cè)況下自然慌通風(fēng)進(jìn)口在處和出口觸處的壓差籃和政碎隱（品1械1蟲(chóng)）趕相比，溫閉度梯度使目得出口處請(qǐng)的壓差增春大，而入滿口處的壓北差減小，殺這是溫度緊梯度使得乘室內(nèi)中性史面上移的嶺結(jié)果。根留據(jù)自然通更風(fēng)進(jìn)出口孤的風(fēng)速公沾式：聚展（儀1月2崖）計(jì)中性面上鴿移必然導(dǎo)零致姿H劍1溝的增大然，深H糧2叉的減小，計(jì)相應(yīng)地增廊大進(jìn)口流恒速，減小畫(huà)出口流速貸，對(duì)于固惹定的進(jìn)口幣面積，則忘溫度梯度糊所導(dǎo)致的字中性面上衣移最終會(huì)跳增大自然顯通風(fēng)量。禽這個(gè)結(jié)論沙與允圖鐵7輔所示的中鳴庭溫度場(chǎng)章模擬結(jié)果剝相同，中循庭內(nèi)上浮捕的熱羽流喝不斷卷吸府周?chē)諝馔?，形成倒憶錐形溫度既分布，這腐樣的溫度玉分布導(dǎo)致揭了壓力中期性面的上患移，從而博增大了出擴(kuò)口的壓差躺，減少進(jìn)豐口處的阻媽力，強(qiáng)化冊(cè)了自然通滴風(fēng)。6結(jié)論御通過(guò)實(shí)驗(yàn)惜測(cè)試以及介理論、數(shù)豈值模擬分格析，可以緒得到以下愁結(jié)論：恰合理的單臟側(cè)自然通叔風(fēng)能夠很策好地對(duì)淺夠進(jìn)深的中關(guān)庭或大空飛間建筑進(jìn)倒行通風(fēng)降字溫?fù)Q氣，鞋室內(nèi)外溫愁差大局約桑1鎮(zhèn)～烈2廟℃挨，這同建押筑材料的火蓄熱能力倉(cāng)有關(guān)；工櫻作區(qū)內(nèi)部瞇溫度水平腹偏差不超采過(guò)萄0.壟5另～蹦1艘℃維，垂直偏胳差不超臉過(guò)浩1.歸5你℃搭，能夠滿他足舒適的盯要求。衡在中庭熱害壓、風(fēng)壓辨的聯(lián)合作找用下，中尼庭內(nèi)溫度罩較高的等咸溫層會(huì)上似浮，溫度伶較低的等切溫層擴(kuò)大蜂，形成倒值錐形溫度溜場(chǎng)，它可蹄以近似分歐為兩個(gè)區(qū)埋域：溫度描隨高度線褲性分布的虎工作區(qū)；鄭溫度隨高忌度冪函數(shù)旬分布的頂梳部高溫積案熱區(qū)。這皇一溫度場(chǎng)梅分布與負(fù)躁荷集中在奸上部的置錯(cuò)換通風(fēng)溫霧度場(chǎng)相泉似再[5慢]器，熱量積筆聚在中庭盜頂部，通緊風(fēng)窗應(yīng)該討設(shè)置在頂熊部以便于會(huì)排除熱濕看負(fù)荷。孤理論分析饑表明，中箏庭內(nèi)的溫付度梯度會(huì)麗造成壓力相中性面的涂上升，減歲少進(jìn)口處芬的阻力，卸增大出口井的壓差，誕提高進(jìn)口納的風(fēng)速。目因此溫度采梯度是強(qiáng)傘化自然通商風(fēng)的重要擦因素。位實(shí)測(cè)證明晃，由于浮欄力對(duì)湍流妄的破壞作請(qǐng)用，采用攏的帶浮力迅項(xiàng)的修正見(jiàn)模型能很堆好地模擬溝自然通風(fēng)橋作用下中矛庭建筑內(nèi)旋部氣流的移低雷諾數(shù)鈴特點(diǎn)，在點(diǎn)能量方程吼中不考慮拆人員和設(shè)石備的散熱資會(huì)導(dǎo)致最魚(yú)終結(jié)果的五偏小。參考文獻(xiàn)酷[1]學(xué)Chen摧Q,松Mors岔eA瞞and廈Hube勺rA.末ASH供RAE貌Tran賭sact征ions夠199昏6,(澤1):震564-籮573都[2]勾Mura圖kami惠S.鋪Room仙ven閥t膏’宴92:據(jù)Proc厚eedi維ngs魯ofT唐hird戀I(mǎi)nt孟erna酸t(yī)ion住alC值onfe殃renc漏e,D塞ANVA塞K