（環(huán)境工程專業(yè)論文）室內(nèi)外環(huán)境因素影響下的辦公建筑自然通風的節(jié)能潛力.pdf

捅要 面對嚴峻的能源消耗與經(jīng)濟、環(huán)境和社會發(fā)展之間的矛盾日益突出，節(jié)能成為當今 社會的主題。其中，在建筑能耗中占比重較大的空調(diào)能耗引起了我們的重視，自然通風 以其被動式降溫不但解決了傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)為了得到所需求的室內(nèi)環(huán)境而需消耗的大量 能源，還以其清新的自然風改善了室內(nèi)空氣品質(zhì)并給人們身心帶來了健康，減少了許多 在空調(diào)系統(tǒng)下對人體潛在的空調(diào)疾病的發(fā)生。 隨著人體熱舒適理論的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)了在夏季自然通風環(huán)境下人體所能耐受的溫 度比空調(diào)環(huán)境的高，即人體可接受的溫度范圍得到擴寬。故可以在滿足人體舒適的情況 下通過自然通風盡可能的減少空調(diào)的使用時間，從而達到建筑的節(jié)能的目的。 本論文通過對西安市的氣候特點進行分析得出西安市具有一定的自然通風潛力的 結(jié)論：同時根據(jù)國內(nèi)外公認的在自然通風建筑中的熱舒適性模型計算得到西安市在夏季 人體耐受溫度的最大值?？紤]到室內(nèi)熱源的存在等室內(nèi)外的影響因素，借用c 陽技術 對不同通風方式及不同室外溫度進行了模擬計算，以微小風速條件下西安市某辦公建筑 標準房間為例，計算分析不同室外溫度時的室內(nèi)活動區(qū)域的平均溫度，得到室內(nèi)外溫度 差的變化規(guī)律，進而找到了夏季利用自然通風不能使人們的舒適得到滿足而必須開啟空 調(diào)的室外溫度，從而確定所需空調(diào)的時間。同時分析了不同室外風速下，對應不同室外 溫度的室內(nèi)的通風效果。最后，通過建筑能耗分析軟件d e s t 對該建筑計算分析了充分 利用自然通風后全年空調(diào)期內(nèi)所產(chǎn)生的節(jié)能效益。 關鍵詞：建筑節(jié)能自然通風耐受溫度數(shù)值模擬 a b s t r a c t a sar e s u l to ft h es e v e r ec o n 乜礎c t i o n 鋤o n ge n e 瑪yc o n s u n l p t i o n ，e c o n o n l y 謫伽m e ma n d s o c i a l d e v c l o p m 阻t ，e n e r g yc o 璐e r v a t i o nh 嬲b e c 伽c l l r r e n t c i a l 塒n e 知n gt l 瑚：n 也e a i r 鍘【d i 怕n i i l g 翎e r g yc 伽剮m p t i o nw l 此ha c c o l l i i t sf l o ra1 a 昭ep r o p o r t i o ni nb u i l d i i i ge n e r g yc 伽咖l i n l ，t i 蚰 i st l l ef 0 c u sw ep a y 刪o nt 0 a sam e t h o d o f p s i v cc 0 0 l i i l g ，舳t u m lv e 倆l 撕c 鋤n o to l l l ys o l v et h e p r o b l 鋤o fe x c e 路e n e r g ) r 而i c hisc e di n 衄d i t i a la i r 屯d i 缸i i l gs y s t i 鋤t o 髓i n t a i nd e s 沁d i n d 0 0 r 鋤譏嘲呲m t ， b u ta 1s o d u c et h e0 c c t l 盯e 眥eo fp o t e l m a l a i l w 伽l d i t i o i l i 】n gd i s e 舔e 啪d e r a i h o n d i t i o i i i n gs y s t e l nf o r 缸s hn a t u _ m la i ri sb r o u g h ti na n dt h ei n d 0 0 ra i rq ：咂1 時i si m p r o v e d a st l l ed e v e l 哪粕e n t0 fh 哪鋤1 1 1 e 刪c 優(yōu)l l f 0 n a b l et 1 1 e o f 弘i t isf o u n dt h a ti i ls m n m e rn 地t o l e r a b l e t e r n p e 嘶r eo f b o d yu 1 1 d e r 刪v e 觚l a l i 蚰伽溉e n ti sh i g h e rl h a i l m tm d e ra i m 0 n d i t i 嘰i i l g 跚v i n m e n t ，n 黜l yt h ea c c 印t a _ b l e 餾 i l p 盯鋤蛐er 鋤g eo fh 唧齜b o d yi sb f o a d e 鵬dt h e r e f 0 他，矗 b u i l d m ge i l e 唱yc o 惦e 撕?，攊 ti sf e 弱i b l et os h 咖t h ea i l 屯o n m t i o i l i 】唱l l s i n gt i m e 懿刪c h 弱p o s s i b l e o n 也ep i l e m i s eo fh l l m 粕b o d yc o l i l f 0 r tt h r o u g h 瑚t l i 功iv e n t i l a t i o n a c c o r d i n gt ot h e 觚a l y s i so ft l l ec l i i i l 撕cc h 麟k t e f i s t i c so f 孤，ac o n c l l l s i 髓s 批e d 扭t i tl 瑚c e r t a i l l 刪v e n t i 蜥o np o 搬刪i n ) ( i 也s 咖l t a i l e o 鵬l y ，t h e 蚴蛐t o l m b l et e r 印咖i n t h es 咖e ro f ) 【i 姐w a sc a l c u l a t e db ya 也e n m lc 0 怕r tm o d e lo f t u m lv 衄t i l a t i b u i l d i n g s 吡i c h isg e n e l 吼l ya c k n o w l e d g e da th o m ea n da b r o a d c o n s i d j e i i n gt h ei n l p a c to f i n d 0 0 ra n do u t d o o r 蠡“：t o 璐 踟c h 舔i l l d 0 0 rh e a ts o u r c e ：，v a r i o 璐v e n t i l a t i 0 i im o d e s 鋤d0 u t d 0 0 rt e 呷e r 帥鵬c o n d i t i o n sw e r e s i i i l u l a t e dt h r o u g hc f dt e c h n o l o 緲as t 習m d 砌m o mo f 鋤。伍c eb u i l 拙gu n d e r l i 咖w 訪d s p e e di i l 鋤 w a si n t r o d u c e d 弱ac a s e t h ea v e r a g et e i i 】p 鋤m 鵬i i i 醯d 0 0 ra c t i v e 趵m(xù)u n d e rd i a 研e n to u 丘d 0 0 r 白e n l p e r a | c u r e sw a sc a l c u l a t e da n da n a i y z e d ，t h ev a r i e t yl a wo f t h et e i n p e r a t u l l ed i f f e r e n c eb e t w e e n i n d 0 0 ra n do m d o o rw a s0 b t a i n ，a n dm eo u 幽0 rs t e l p e r a n 盯et h a ti nw h i c hc o n d i t i o ni ti s n t c o m 鼬l et 0 啪en l e t u 】mv e n t i l 撕0 nm o d cu n l e s st h ea j i 屯o l l d i t i o i l i n gs y s t e mis0 p e n e d 船sg i v e n ， t h e nl h e 緬r e q u 面e df o ra 小伽n d i 缸劬gw a sd e t e f r r i i n e d a tt l l es 鋤ed m e ，t h ei n d 0 0 rv 鋤l t i l a t i o n e 朊c t su n d e rv 撕o i l so u t 曲o rt e i n p 啪t u r e sa n dw i l l ds 1 ) e e dw e r ea n a l ) r z e d f i l l a l l y ，圮e i l e r g ) r s 州n g b e f i to fn l a 玉d n g 觚lu o f 刪v e 蜥i a t i o ni n 刪a i h o n 凼t i o i l i l 塢p 嘶o dw a sc a l c u l a t e da n d a 艙l y z e d 瑚i 1 1 9d e s t k 對w o r d s ：b u i l d i l l ge n e r 】g yc o i l s e n ，a t i o n ：n a n 啦v e n t i l a t i o n ：t o l e 山l l et c 叫) c r 狐鵬：舢m e r i c a l s i m l l l a t i n n l i 論文獨創(chuàng)性聲明 本人聲明：本人所呈交的學位論文是在導師的指導下，獨立進行 研究工作所取得的成果。除論文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，對論文的 研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本論 文中不包含任何未加明確注明的其他個人或集體已經(jīng)公開發(fā)表的成 果。 本聲明的法律責任由本人承擔。 論文作者簽名： 董堤爽呼r 月蘿日 論文知識產(chǎn)權權屬聲明 本人在導師指導下所完成的論文及相關的職務作品，知識產(chǎn)權歸 屬學校。學校享有以任何方式發(fā)表、復制、公開閱覽、借閱以及申請 專利等權利。本人離校后發(fā)表或使用學位論文或與該論文直接相關的 學術論文或成果時，署名單位仍然為長安大學。 ( 保密的論文在解密后應遵守此規(guī)定) 論文作者簽名： 蒸艇褒岬年r 月少 鈉獬：乍鯽 翻 | 年歹鳧多1 日 長安大學碩士學位論文 1 1 研究的背景和意義 第一章緒論弟一早珀t 匕 自可持續(xù)發(fā)展成為新世紀人類社會發(fā)展的主題后，綠色建筑已成為了當今建筑領域 人們倡導的主題。綠色建筑是以人、建筑、自然和社會和諧發(fā)展的生態(tài)建筑，它不僅要 求在節(jié)約能源和資源前提下提供健康、舒適性良好的生活空間，還要求人們盡可能的親 近自然環(huán)境。發(fā)展綠色建筑，最重要的是解決建筑高能耗的問題。隨著我國國民經(jīng)濟的 快速發(fā)展，城市化進程的加快，能源需求持續(xù)增高。其中，建筑行業(yè)約占我國國民經(jīng)濟 總能耗的2 5 左右，寒冷和嚴寒地區(qū)要占到當?shù)啬芎牡? 0 - 4 0 ，而空調(diào)系統(tǒng)和設備 就要占到建筑能耗的6 0 以上，且比例還在不斷地增加【l 】。于此同時，在過去的二十多 年里，空調(diào)得到了廣泛應用。國家統(tǒng)計局的調(diào)查結(jié)果顯示：2 0 0 0 年全國空調(diào)總需求量達 到1 0 0 0 萬臺，其中每百戶的居民擁有的空調(diào)機臺數(shù)上海為8 5 2 臺，廣東省為8 3 臺，總 裝機容量達l o o o 萬k w ，這意味著我國在“九五”期間增加的l 億k w 的電力裝機容量 中有相當大的部分將用于家用空調(diào)的用電問題【2 】。于是無論是工業(yè)還是居民生活中，建 筑耗能中的空調(diào)耗能已經(jīng)成為一個主體。同時，在可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略指導下，尊重建筑用 戶也是其重要意向【3 1 。綠色建筑是以追求舒適的室內(nèi)環(huán)境為重要目標的，使其遵循自然 規(guī)律，讓人們盡可能多的以親近自然去得到舒適的感覺。但同時當外界的氣候資源不能 滿足用戶所要求的室內(nèi)舒適環(huán)境時，用戶就會采用人工的方式進行補足。所以，從提倡 “以人為本”的角度上說，就需要創(chuàng)造出一個相對多數(shù)人的舒適得到滿足的室內(nèi)環(huán)境，用 最低的能耗成本，達到較好的效率。 空調(diào)系統(tǒng)的普及應用不僅給人們的生活、工作環(huán)境帶來了舒適感，但同時也增加了 建筑能耗，并導致了許多空氣品質(zhì)問題的出現(xiàn)。例如空調(diào)系統(tǒng)建筑物加強了其密閉性， 減少了工作區(qū)域的空氣流動，同時有機合成材料的廣泛使用，增加了室內(nèi)的污染源，使 其室內(nèi)空氣品質(zhì)( 隊q ) 的惡化，導致了病態(tài)建筑綜合癥( s b a ) 【4 】?？照{(diào)系統(tǒng)產(chǎn)生的 是恒定溫度的熱舒適環(huán)境，人體長期處于這種環(huán)境會產(chǎn)生“空調(diào)適應不全癥”。因為空調(diào) 系統(tǒng)維持的相對“低溫”環(huán)境使皮膚汗腺收縮，腺口閉塞，導致血流不暢，發(fā)生神經(jīng)功能 紊亂等癥狀。同時，由于缺乏刺激，人體的適應能力下降【5 】。過量的空調(diào)器加劇了城市 的熱島效應，造成室外空氣熱環(huán)境惡化，進而又影響空調(diào)器運行的能效比( c o p ) 【6 】。 于是，自然通風成為了實現(xiàn)建筑可持續(xù)發(fā)展的一種重要節(jié)能技術，受到了越來越多人的 第一章緒論 重視。1 9 9 5 年到1 9 9 8 年間，美國供暖制冷空調(diào)工程師學會( a s h r a e ) 僅在1 9 9 7 一1 9 9 8 財政年度在制冷劑代替代、節(jié)能和室內(nèi)空氣品質(zhì)三個重點領域方面，資助額就達到3 2 億美元【7 1 。1 9 9 9 年歐盟各國針對隨著空調(diào)系統(tǒng)的存在其耗能大、空氣品質(zhì)差等問題聯(lián)合 開展了為期4 年的由2 5 個子題組成的“健康行動重點項目”( k e yh e a l t h a c t i o np r o j e c t ) 研究，重點探索如何降低對空調(diào)系統(tǒng)的依賴，并重新審視傳統(tǒng)的自然通風系統(tǒng)( 優(yōu)點是 節(jié)電節(jié)能，缺點是可靠性差) 及機械通風系統(tǒng)( 優(yōu)點是可靠性高，缺點是耗電耗能) 【8 】。 眾多的研究文獻表明：自然通風是當今實施綠色建筑中廣泛采用的一項技術措施。 合理的自然通風不但可以能減少傳統(tǒng)空調(diào)制冷系統(tǒng)的使用、降低能耗外，而且還可以提 供清新的自然空氣來改善室內(nèi)熱環(huán)境、提高室內(nèi)空氣品質(zhì)，有益于人們的身心健康，提 高工作效率和滿足人們親近自然、回歸自然的心理需求【9 】。尤其是經(jīng)歷過2 0 0 3 年的非典 災難，使得自然通風更為公眾重視，同時各國的研究者在調(diào)查時均發(fā)現(xiàn)，人們對室外的 自然通風有著更好的接受性【m 】。1 9 9 2 年，b l l s c h 對泰谷的兩種空調(diào)類型( 自然通風和空 調(diào)) 的辦公房間熱舒適性進行了實地調(diào)查，發(fā)現(xiàn)自然通風能夠帶給人很好的舒適性【l l 】。 同時，資料說明：在高于2 6 的“熱”環(huán)境中，通過吹風的補償作用可使人達到熱舒適狀 態(tài)。與一般的機械風相比，自然風具有良好的吹風感覺【1 2 1 。2 0 0 0 年，清華大學的賈慶 賢、趙榮義和夏一哉等人針對吹風方式對人體舒適性的影響進行了調(diào)查，并對自然風與 機械風頻譜的區(qū)別及對熱舒適的影響做了研究，結(jié)果表明，在選擇“自然通風，有點熱， 總體可接受的環(huán)境”和“空調(diào)涼爽的環(huán)境”中，8 0 以上的人選擇前者【1 3 】。2 0 0 2 年，西安 建筑科技大學的王怡對寒冷地區(qū)自然通風房間和空調(diào)房間的舒適性做了調(diào)查，結(jié)果表 明：在裝有空調(diào)的住戶中有4 9 的人表示只有在熱的無法忍受時才開啟空調(diào)，在對給定 熱感覺為“感覺皮膚發(fā)粘濕潤”的情況時，有7 5 的人仍選擇保持自然通風狀態(tài)【1 4 】。同時 從空調(diào)的使用時間上來說，在6 月上旬和8 月下旬有2 5 的空調(diào)使用率，說明在這段時 間內(nèi)大部分人都可以通過自然通風達到舒適，而7 月上旬、7 月中旬、和8 月上旬時間 里，空調(diào)的使用頻率都非常的高，達到9 0 以上。從此空調(diào)設備的使用呈現(xiàn)的規(guī)律性， 可以啟發(fā)充分利用自然通風來縮短傳統(tǒng)空調(diào)的使用時間【14 1 。 自然通風降溫可以提供很大的舒適性和節(jié)能效益，并且其節(jié)能目標就是減少空調(diào)系 統(tǒng)的使用時間。對于室內(nèi)具有不同程度的內(nèi)熱源而言，在自然通風條件下，一般室內(nèi)的 空氣溫度會略高于室外溫度，通過計算分析找出室內(nèi)和室外溫度之間的相應關系，作為 確定室內(nèi)必須空調(diào)所對應的室外溫度的依據(jù)。通?？照{(diào)時間定為6 月到8 月，對西安地 2 長安大學碩士學位論文 區(qū)而言，可以分析得到在6 月或8 月期間，會有更多的時間可以通過自然通風達到熱舒 適的條件，而不需要開啟空調(diào)，這將會使空調(diào)的冷負荷大大減少，其意義重大。 室內(nèi)外影響因素包括室外風速、室外溫度、內(nèi)熱源、通風方式等。這些影響因素會 間接或直接的影響自然通風的效果。因此在分析通風潛力時，必須考慮室外環(huán)境因素所 帶來的影響。 1 2 自然通風的基本原理 通常，自然通風是指通過有目的的建筑外表面上的開口產(chǎn)生的空氣流動。根據(jù)作用 力類型，自然通風可分為三類：風壓單獨作用的自然通風，熱壓單獨作用的自然通風， 風壓與熱壓共同作用的自然通風【1 5 1 。 1 2 1 風壓通風作用 室外氣流吹過建筑物時，由于建筑物的阻擋，建筑物四周室外氣流的壓力分布發(fā)生 變化，和未受干擾的氣流相比，建筑物表面所形成的靜壓的變化稱為風壓。某一建筑物 周圍的風壓分布與該建筑的幾何形狀和室外風向有關。建筑外立面的壓力分布引起建筑 室內(nèi)的空氣的流動稱為風壓通風【16 1 。 當風吹到建筑物上時，在建筑的迎風面上，由于空氣流動受到阻擋，動壓降低，靜 壓增高，風壓為正壓；側(cè)面和背風面由于產(chǎn)生局部渦流，靜壓降低，相應的位置上會產(chǎn) 生負壓【1 5 】。自然氣流從正壓區(qū)流向室內(nèi)，再從室內(nèi)流向負壓區(qū)，從而形成風壓驅(qū)動的自 然通風，具體見圖1 1 。 風壓及通風量的計算可用下列公式來確定： 風壓的計算公式： 卸。= 寺夕( q 。m 2 一q 2 吃2 ) p a ( 1 1 ) 通風量的計算公式： 鏟叫等 m 3 s ( 1 2 ) 式中： q 。_ i 蟲風面的風壓系數(shù)； c ，：背風面的風壓系數(shù)； m 迎風風口的風速，“s ； 3 第一章緒論 v 2 背風風口的風速，i i l s ； g 流量系數(shù)； 風口的有效面積，m 2 風壓的大小受到下列因素的影響【1 6 】： 室外風速及風向( 建筑外立面與室外風向的相對夾角) ； 建筑的幾何形狀； 開口在建筑外立面上的位置； 大氣邊界層狀況； 建筑的周邊環(huán)境條件( 包括周圍地形及建筑密度、植被等) 。 圖1 1 風壓自然通風 圖1 2 熱壓自然通風 1 2 2 熱壓通風作用 空氣的密度變化和空氣的絕對溫度存在正比關系，而熱壓是由室內(nèi)外空氣的密度差 和進出氣口的高度差引起的，即所謂的、煙囪效應”。當建筑室內(nèi)外的溫度和乙不同 時，其對應對應的空氣密度也分別為a 和脅，當開口間的高度為日時，室內(nèi)外空氣密度 差就引起熱壓的計算公式如下【1 7 】； 只。，= 咖( 兒一n ) p a ( 1 3 ) 根據(jù)空氣的膨脹系數(shù)口的定義【1 8 】： 塵 口：一衛(wèi)；即勿= 一p 礎 ( 1 4 ) d r 故得到熱壓公式： 屹= p ?？? 互一乃) ( 1 5 ) 式中：島室外空氣的密度，k g m 3 ； a 室內(nèi)空氣的密度，k 咖3 ； 4 長安大學碩士學位論文 g 重力加速度，n 以2 ； 乃- 室內(nèi)空氣的平均溫度值( 互 乃) ； 乏室外空氣的平均溫度值； 口空氣的熱膨脹系數(shù)( k - 1 ) ； 厚兩個開口處的高度，m 。 從式( 1 5 ) 也可以看出，室內(nèi)外的空氣密度差決定著熱壓的大小。室內(nèi)外的空氣密 度差又與室外環(huán)境的溫度和濕度有關。所以，室外的氣溫、相對濕度對熱壓通風的影響 很大。如果室內(nèi)溫度高于室外，建筑物的上部分將會有較高的壓力，而下部存在較低的 壓力。當這些位置存在孔口時，空氣通過較低的開口進入，從上部開口流出，具體見圖 1 2 【1 8 】。 1 2 3 風壓與熱壓共同作用 在多數(shù)情況下建筑中的自然通風往往是風壓和熱壓共同作用的結(jié)果。當風壓與熱壓 共同存在時，其各自作用的強度也不相同，風壓的作用會對熱壓自然通風起到兩方面的 影響：增益或抑制【1 9 1 ，即風壓和熱壓作用流線相同時，相互增益；反之，則相互抑制， 具體見圖1 3 。 增益模式抑制模式 圖1 3 熱壓與風壓共同作用下的自然通風 1 3 自然通風的主要研究方法和現(xiàn)狀 1 3 1 主要研究的方法 1 試驗法 ( 1 ) 是風洞模擬實驗 風洞實驗的原理是相似性原理，它應用于自然通風中主要是模擬建筑表面及建筑周 圍的壓力場和速度場，以及確定風壓系數(shù)，預測自然通風性能【2 們。 第一章緒論 ( 2 ) 是示蹤氣體測量法 示蹤氣體測量法可以預測建筑通風量和氣流分布。有兩種測量方法：定濃度法和衰減 法。定濃度法，是指在測試期間，保持所有測試房間的示蹤氣體濃度不變，而改變示蹤氣體 注射量。衰減法指向測試房間注入一定量的示蹤氣體，隨著示蹤氣體在測試房間的擴散， 示蹤氣體的濃度呈衰減趨勢。定濃度法用來處理驅(qū)動力發(fā)生改變的通風問題，而衰減法 常用來研究單一建筑物滲透通風特性2 們。 ( 3 ) 是熱浮力實驗模型技術 鹽水試驗由劍橋大學應用數(shù)學、理論物理系和建筑系合作發(fā)展而來【2 0 1 。目前主要 有4 種技術：帶有加熱裝置的氣體模擬法( t l l eg 弱n 1 0 d e l i n gs y s t e m ，以空氣或其他氣體作 為流動介質(zhì)，熱浮力由固定的加熱裝置產(chǎn)生) ；帶有加熱裝置的水模型系統(tǒng)( t l l ew a t e r m o d e l i i l gs y s t e m ，以水作為介質(zhì)，有固定的加熱裝置) ；鹽水模擬法( t l l eb 血e w a t e r m o d e l i n g ，利用鹽水的濃度差產(chǎn)生類似于熱羽的流動，已被廣泛接受，但需大蓄水池和不 斷補充鹽水) ；氣泡技術( af h l eb u b b l et c c h i l i c h e ，由電路的陰極產(chǎn)生氣泡以模擬熱羽運 動，可以模擬點源，線源及垂直熱源的情況) 【2 0 1 。熱浮力模型實驗的缺點為：不能模擬 建筑熱特性對自然通風的影響。對風壓與熱壓共同驅(qū)動的自然通風的實驗模擬比較復 雜，可以通過改進這4 種模擬方法或綜合這4 種模擬方法使之能模擬二力共同驅(qū)動的自 然通風【2 。 ( 4 ) p 試驗方法 p 技術是由固體力學散斑法發(fā)展而來的，其原理是在流場中步示蹤粒子，用脈 沖激光片光源照射所要研究的流場區(qū)域，通過連續(xù)地多次曝光，粒子圖像被記錄在底片 上，再在用光學楊氏條紋法，自相關或相關逐點處理就可得到流場的分布2 2 1 。同時隨著 p 技術的發(fā)展，出現(xiàn)了m i c r 0 p i v 技術，與傳統(tǒng)p 相比，m i c r 0 p 裝置具有以下 特點：通過顯微光學系統(tǒng)拍攝微觀尺寸的流場圖像；光源采用全場照射方式；亞微米至 納米級熒光示蹤粒子和納米級示蹤粒子布朗運動現(xiàn)象明顯【2 3 1 。 2 傳統(tǒng)伯努利方程為基礎的研究 在直接利用自然通風中的室外空氣同時受到風壓、熱壓相互作用及各種計算理論展 開研究。由于驅(qū)動力的之間的相互非線性關系使建筑的自然通風的風量計算非常復雜， 很多文獻給出了不通的自然通風量的迭加計算模型【2 4 1 。 3 數(shù)值模擬法 ( 1 ) 網(wǎng)絡法 6 長安大學碩士學位論文 網(wǎng)絡法是從宏觀的角度對自然通風進行分析，主要用于自然通風建筑設計的初期風 量計算【2 5 】。國外廣泛應用的有五個網(wǎng)絡模型：j 佃a 單區(qū)模型、l b l 模型、趟o l o s 多 區(qū)模型、c o m i s 多區(qū)模型和c o n t 州模型。 ( 2 ) 區(qū)域模型方法 該方法的基本思想是：將房間劃分為一些有限的宏觀區(qū)域，認為每個區(qū)域的相關參 數(shù)如溫度，濃度等相等，而區(qū)域間存在熱質(zhì)交換；建立質(zhì)量和能量守恒方程，并充分考 慮壓差和流動的關系來研究房間內(nèi)溫度分布及流動情況f 2 5 】。 ( 3 ) c f d 方法 c f d ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n 鋤i c s ，計算流體力學) 可以簡單的認為是在計算機里 的“虛擬”試驗，來模擬仿真實際流體的流動情況，并可以得到房間不同位置上的具體參 數(shù)分布【2 6 1 。國外對自然通風的c f d 模擬主要是分別針對不同的氣流模式如：穿越通風， 單側(cè)通風，熱壓驅(qū)動通風進行模擬，用于預測流場的指導設計和討論紊流模型的正確性。 本論文研究的是自然通風領域，多解決的是低速、不可壓縮空氣湍流問題，1 選用 c f d 方法。此方法是基于連續(xù)性方程、動量方程、能量方程及紊流模型研究流體質(zhì)點的 運動與能量傳遞，通過數(shù)值求解得到室內(nèi)參數(shù)的分布情況。 ， 1 3 2 國內(nèi)外研究的現(xiàn)狀 自然通風對室內(nèi)熱舒適研究屬于比較前沿的課題。目前國內(nèi)外學者通過c f d 方法 對室內(nèi)熱環(huán)境的參數(shù)進行分析和預測來深入了解室內(nèi)熱環(huán)境和人體熱舒適的關系，其研 究如下： 文獻2 7 1 利用人體兩節(jié)點模型，模擬計算了人體與熱環(huán)境熱濕傳遞過程中人體周圍的 空氣溫度、濕度、空氣流速分布。 文獻2 8 1 將熱舒適的評價標準p m v p p d 模型與建筑動態(tài)熱模擬急計算流體力學模擬 相結(jié)合，對通風房間進行了室內(nèi)氣候及熱舒適性的模擬與分析。 文獻2 9 1 采用c m 方法對單區(qū)和兩區(qū)建筑的熱壓驅(qū)動的單側(cè)通風，在不同的室內(nèi)外溫 差、窗戶安裝高度的情況下，得出了室內(nèi)垂直溫度分布、通風量及室內(nèi)溫度隨時間的變化 關系。 文獻通過c d 軟件對居民住宅自然通風進行了數(shù)值模擬計算，通過對房間內(nèi)部 流場的分布，選擇通風良好的布局進而改善居住環(huán)境。 7 第一章緒論 文獻【3 l 】采用c f d 軟件對一個單面開口的自然通風房間的溫度場進行了模擬，其模 擬結(jié)果于實際測試數(shù)據(jù)比較后發(fā)現(xiàn)自然通風房間的溫度場分布均勻，并且上部溫度較 高。 文獻【3 2 】用c f d 仿真計算了一個單開口熱壓自然通風辦公室的平均空氣年齡，并對 這個房間的熱舒適性和室內(nèi)空氣質(zhì)量進行了評價。 文獻吲用c f d 軟件對重慶市某住宅樓進行了風環(huán)境和室內(nèi)流場、熱環(huán)境和熱舒適 模擬，比較不同開口形式的房間在相同室外自然風條件下的熱環(huán)境，通過熱舒適試驗數(shù) 據(jù)和分析結(jié)果，對熱舒適評價p m v 進行修正。 文獻【3 4 】利用c f d 方法對成都某高校的自然通風教學樓室內(nèi)的溫度場、速度場進行 了模擬，對教室內(nèi)學生的熱舒適性做出了評價及比較分析。 文獻【3 5 】用c f d 方法分析了辦公建筑內(nèi)部空間的自然通風狀況，利用室內(nèi)空氣年齡、 人體熱舒適指標及室內(nèi)風速分布狀況教訓評價，為自然通風設計做出參考結(jié)論。 文酬3 6 】通過c 脅方法模擬分析了3 種昆明候機廳的室外氣象參數(shù)下室內(nèi)的溫度場、 速度場、p m v 、p p d ，得到室外空氣作為冷源在昆明候機廳的可行性。 文獻【3 7 】通過c f d 方法對中庭流場做數(shù)值模擬，比較在不同風速和溫度下的流場分 布，對影響室內(nèi)環(huán)境的因素進行了分析。 1 4 本論文研究的方法和內(nèi)容 利用自然通風降溫的節(jié)能性體現(xiàn)在充分利用自然通風的作用，希望在夏季盡量利用 自然風來冷卻建筑房間并帶走室內(nèi)的冷、濕負荷，在室內(nèi)人體的舒適得到滿足和室外溫 度容許的條件下不用空調(diào)，即要求確定通過自然通風對室內(nèi)進行降溫而不需要使用空調(diào) 系統(tǒng)就可以使室內(nèi)人體的舒適得到滿足的那段時間。根據(jù)國內(nèi)外公認的在自然通風建筑 中的熱舒適性理論下的自舒適性模型，找到在夏季每個月室內(nèi)人體所耐受溫度的最大值 對應的室外溫度，并以此溫度和d e s t 軟件的給出的全年每天的日平均溫度做對比，當 日平均溫度超過了此室外溫度，即此時室內(nèi)人體的舒適就得不到滿足而需要開啟空調(diào)。 這樣就可以充分利用自然通風來減少空調(diào)系統(tǒng)的運行時間形成間歇性空調(diào)運行，達到節(jié) 能目的。 本論文通過c f d 軟件的仿真技術，尋找西安市某一辦公建筑在自然通風狀態(tài)下室 內(nèi)達到人體所能耐受溫度的最大值所對應的室外溫度，并分析在定風速、不同通風方式 下室內(nèi)人體活動區(qū)域的溫度場和速度流場，從而找到在夏季自然通風建筑中耐受溫度的 長安大學碩士學位論文 范圍拓寬后的空調(diào)供冷時間，最后應用建筑能耗分析軟件d e s t 模擬計算對比在夏季充 分利用自然通風后的全年空調(diào)冷負荷。 本論文主要研究具體內(nèi)容如下： ( 1 ) 地區(qū)自然通風具有節(jié)能潛力分析。鑒于自然通風的潛力與地區(qū)氣候的適應性有 很大的關系，依據(jù)清華大學建筑能耗分析軟件d e s t 得到西安市全年氣象參數(shù)，分析了 西安當?shù)貧夂蛱攸c，得出結(jié)論：西安地區(qū)在夏季自然通風具有顯著的節(jié)能潛力。 ( 2 ) 建立西安市自然通風熱舒適評價。根據(jù)國內(nèi)外公認的在自然通風建筑中的熱舒 適性理論提出的自舒適性模型，結(jié)合西安當?shù)氐臍夂蛱攸c，建立西安市在自然通風建筑 中的熱舒適評價和擴寬后熱舒適溫度的區(qū)域，并找到在夏季中對應6 月、8 月人體所能 耐受溫度的最大值。 ( 3 ) 考慮到室內(nèi)熱源、室外風速、室外溫度等室內(nèi)外的影響因素，以西安市某辦公 建筑為例，取其一標準房間為模型，對微小風速下的單側(cè)、雙側(cè)自然通風，對應不同室 外溫度，進行室內(nèi)熱環(huán)境的模擬計算，并分析室內(nèi)、室外溫度的溫差及所對應的關系。 其計算數(shù)據(jù)表明室外溫度和室內(nèi)活動區(qū)域的平均溫度二者間呈線性關系，通過最小二乘 法得到其一元線性回歸方程，并結(jié)合夏季每個月室內(nèi)人體所能耐受溫度的最大值，找到 此時對應的室外溫度( 該溫度就是必須開啟或關閉空調(diào)對應的溫度) 。并分析了其室內(nèi) 的溫度場、速度流場、壓力場及流量。另外，通過提高室外風速，進一步計算分析風速 提高后雙側(cè)、單側(cè)自然通風通風效果的增強。 ( 4 ) 通過建筑能耗分析軟件d e s t 得到的西安市全年的日平均溫度，對6 月和8 月 做出當月的日平均溫度分布圖，同時在圖中找出日平均溫度高于人體耐受溫度最大值的 那些天數(shù)，并設定在這些天里開啟空調(diào)。 ( 5 ) 以該辦公建筑為例，通過建筑能耗分析軟件d e s t 分別模擬在此辦公建筑規(guī)定 的供冷時間( 6 月1 日8 月3 0 日) 和充分利用自然通風情況下的間歇性空調(diào)運行的建筑全 年空調(diào)冷負荷，并對比其空調(diào)節(jié)能效率。 1 5 本論文研究工具 在自然通風的研究與設計過程中，需借助于現(xiàn)有的分析流體流動和能量的軟件。目前 可應用于分析自然通風系統(tǒng)的通風特性和熱特性的常見軟件有：c o n r 刪，c f x ， n a t v e n t ，c o m i s ，f d a - p ，f l u e m ，c 髓m ，f l o v e n t ，m ，b r e 與s t a r c d ，b l a s t ， d o e 2 ，e s p r 等。 9 第一章緒論 在對建筑環(huán)境和控制系統(tǒng)動態(tài)模擬的建筑模擬軟件常見的有：b l a s t ，d o e - 2 ， 啉s y s ，h v a c s d 江，e n e r - w n9 7 0 2 版本，h a s p ，e n 唧l u s ，d e s t 。 本論文采用了f l u e i l t 6 2 軟件對自然通風作用下室內(nèi)活動區(qū)域的熱環(huán)境進行數(shù)值模 擬分析，數(shù)值計算結(jié)果一部分直接利用f 1 u e l l t 軟件自行處理，一部分利用o r i g i n 6 1 軟 件處理。同時，在對建筑的全年空調(diào)冷負荷的能耗分析中使用了清華大學的建筑能耗分 析軟件d e s t 。 1 6 小結(jié) 本章首先提出了空調(diào)能耗在國家總能耗中所占的主要地位和空調(diào)的普及帶來的環(huán) 境和健康問題，引出了自然通風在降低能耗和滿足人體健康及對自然的心理需求上的深 遠意義。同時簡單的介紹了自然通風的方式、主要研究方法和國內(nèi)外對自然通風的研究 現(xiàn)狀，說明了本論文對夏季在室內(nèi)人體耐受的溫度范圍內(nèi)采用自然通風從而縮短空調(diào)使 用時間的節(jié)能作用及對本論文的采用的研究方法和內(nèi)容的闡述。 l o 長安大學碩士學位論文 第二章西安市地區(qū)利用自然通風的潛力 自然通風潛力( n a n u a lv e i l t i l a t i o np o t e n t i a l ，n 汗) 是指僅依靠自然通風就可確保室 內(nèi)有可接受的空氣品質(zhì)和熱舒適性的潛力，其最重要的影響因素是由地區(qū)氣候的適宜性 決定的【3 8 】。 2 1 西安市地理、氣候條件概況 古城西安，位于關中平原中部，南依秦嶺，北臨渭水。西安地處我國內(nèi)陸中緯度地 區(qū)，地理坐標為東經(jīng)1 0 8 0 1 5 ，北緯3 4 0 1 5 。其中北緯3 4 度，太陽的高度角夏至最大， 為7 9 0 1 l ；冬至最小，為3 2 0 1 9 。西安年太陽總輻射量為1 1 5 0 4 千卡厘米2 。一年中太 陽輻射的月分配6 月最多，為1 4 4 6 千卡厘米2 ，1 2 月最少為5 5 9 千卡厘米2 。6 月以 后總輻射量逐月減少，到1 2 月為最低，隨后逐月增加至次年6 月最大。但同時西安受 到地理位置限制，四季多風沙，大氣中含有的塵埃較多，大氣的透明度不高，故散射作 用較強，相對的消弱了太陽輻射【3 9 1 。 西安位于歐亞大陸橋的心臟和中國地理中心位置，屬暖溫帶半濕潤的季風氣 候區(qū)?！懊裼媒ㄖ峁ぴO計規(guī)范”( g b 5 0 1 7 6 9 3 ) 從建筑熱工設計的角度出發(fā)，以最冷月 和最熱月的平均溫度為主要指標，以日平均溫度小于5 和大于2 5 的天數(shù)為輔助指標， 將全國分為5 個區(qū)，其中西安處于寒冷地區(qū)。西安四季分明。冬夏較長，春秋較短。春 季氣溫回升很快，夏季氣溫迅速下降，夏季較熱，冬季寒冷，由于受地形影響，西安全 年多東北風，年平均風速1 8 2 2 “s 。 西安市氣溫年較差較大，為2 7 2 9 春天溫度高于秋季，溫度回升很快并且不穩(wěn) 定，秋季溫度下降迅速，各月氣溫年際變化大。西安氣溫月際變化以秋季最大，春季次 之，夏季最小。西安氣溫日變化較大，多年平均日較差在1 0 1 1 之間，屬6 月氣溫日 較差最大，在1 2 5 1 4 。 2 2d e s t 動態(tài)模擬的室外氣象計算參數(shù) d e s t 中的室外氣象計算參數(shù)采用了西安地區(qū)典型氣象年的室外氣象參數(shù)，該軟件 數(shù)據(jù)庫所有的氣象數(shù)據(jù)是基于中國國家氣象局對2 7 0 個臺站1 9 7 1 2 0 0 3 年的實測數(shù) 據(jù)，通過清華大學經(jīng)多年研究的專門氣象軟件m c d p h a 據(jù)隨機算法模擬計算生成的氣象 參數(shù)，其計算范圍覆蓋全國大部地區(qū)。西安市全年主要氣象參數(shù)如圖2 1 、2 2 、2 3 、2 4 。 第二章西安市地區(qū)利用自然通風的潸力 麗甬麗酉百1 叫f h m m 曠一口m 目齜l u m l 馘l l j 囤21 西安市全年室外逐時干球溫度 i 一 ； _ l 一 _ i _ d 5 o t e口lol il 2 月口 田22 西安市各月平均干球溫度 圖23 西安市最熱月室外溫度曲線 長安丈學碩學論文 圖24 西安市最掙月室外溫度曲線 1 御 全年溫度分布統(tǒng)計目 h 。， 一 一1 2 。v 一一 i 1 咖 一 車唧 - g6 0 。 一 目蝴 刪 _ 一_一 。f 球a 度范匿( ) ；。i ；蕞?！??！? “5 ”5 圉2 5 西安市全年溫度分布統(tǒng)計圖 23 西安市夏季空調(diào)季自然通風潛力分析 西安市夏季炎熱多雨，空氣相對濕度7 左右，日較差比較大，其中以6 月為最。 西安的年較差比較大過渡季也比較長，在過渡季時候可以通過自然通風來緩解國家供 電系統(tǒng)的壓力。5 月和9 月溫度尤為溫和，完全可隊通過自然通風對建筑進行降溫。進入 6 月，氣溫上升，可以通過自然通風降溫使室內(nèi)人體的舒適得到滿足而形成間歇性的空調(diào) 運行。7 月是全年晟熱月，平均氣溫高達2 66 8 ，是完全需要借用空調(diào)降溫使室內(nèi)人體 舒適得到滿足。到達8 月，氣溫下降，可以利用自然通風形成間歇性空調(diào)供冷。西安全 年風速較大，全年平均風速為18 22 州s ，夏季平均風速為18 毗，為有效利用自然通 風為建筑室內(nèi)降溫提供了有利的條件。 楊柳教授對西安市地區(qū)的氣候做了詳細的分析：西安市在夏季的6 、7 、8 月的熱、 濕問題比較突出，其中利用自然通風可以解決夏季2 ，3 時間的過熱問題，一年中大約有 第二章西安市地區(qū)利用自然通風的潛力 1 5 的時間可以通過自然通風獲得室內(nèi)熱舒適，有5 的時間需要空調(diào)降溫。同時還提 出，夏季通過自然通風以及必要的遮陽措施可以達到降溫的目的，可以減少空調(diào)的使用 時間甚至不用空調(diào)枷。 2 4 小結(jié) 通過對西安市的地區(qū)氣候的全面分析，并結(jié)合建筑科技大學楊柳教授對西安市氣候 的研究，得出結(jié)論：西安市在夏季是具有自然通風潛力的。 1 4 長安大學碩士學位論文 第三章西安市地區(qū)自然通風的熱舒適評價 3 1 自然通風建筑室內(nèi)熱舒適標準 本章以國際上公認的適應性模型( a d 印t i v ei n o d e lo f m e m a lc o m f o r t ) 為基礎， 針對西安市的氣候?qū)κ覂?nèi)熱舒適溫度的影響，找到西安市在夏季的6 月和8 月 人體所能耐受的溫度的最大值。 3 1 1 舒適度的簡介 全球熱舒適數(shù)據(jù)庫( a s 腿a e ) 標準5 5 一人類居所的熱環(huán)境條件的目的是“詳 細說明了室內(nèi)空間環(huán)境與個人因素的組合使在這個空間內(nèi)8 0 或更多人員接受 熱環(huán)境條件”【4 1 1 。a s 黜標準5 5 基于人體熱平衡模型和a s 腿a e 七點標度為 出發(fā)點，假設出四個環(huán)境因素( 溫度、熱輻射、濕度、氣流速度) 和兩個個人 因素( 衣著和活動) 完全影響著熱感覺，即丹麥教授f 鋤g e r 著名的p m v 熱舒適 理論【4 2 】。f 孤g e r 教授進行了大量的人體生理試驗，結(jié)合人體熱平衡方程中的熱舒 適方程，用一個指標函數(shù)將反映人體客觀生理現(xiàn)象的人體熱負荷與人的主觀感 覺聯(lián)系起來，較為合理地反映了人體的主觀感覺和客觀物理狀態(tài)之間的關系， 同時還通過經(jīng)驗公式得到了熱舒適評價指標中的人體預測平均投票數(shù)( p m v ) 和預測不滿意百分數(shù)( p p d ，成為在穩(wěn)態(tài)空調(diào)環(huán)境下評價人體熱感覺的公認的國 際通用指標和熱舒適標準a s 陽文a e 5 5 和i s 0 7 7 3 0 的基礎【4 2 1 。 3 1 2 舒適度的發(fā)展 人們在調(diào)查和研究中發(fā)展，傳統(tǒng)的p m v 的熱舒適理論對于空調(diào)( h v a c ) 建筑 的預測曲線和基于調(diào)節(jié)模型的曲線吻合的很好，但在對自然通風( n v ) 建筑中的 預測和現(xiàn)場有較大差異【4 2 1 。于是，現(xiàn)在在熱舒適研究領域提出了p 修正模型 和適應模型，可以對自然通風環(huán)境和空調(diào)穩(wěn)態(tài)環(huán)境參數(shù)進行更加細致的分析。 我們在這里分析的是適應性模型。熱舒適性的發(fā)展適應性模型認為，人不僅是 環(huán)境的被動接受者，更是環(huán)境的積極適應者，人可以感受環(huán)境、改變行為以適 應環(huán)境并進行自我調(diào)節(jié)對環(huán)境的期望。人們的適應性使人們在實際建筑中可以 忍受更高的溫度，從而使自然通風建筑的熱舒適區(qū)域要寬于空調(diào)建筑凇】。 第三章西安市地區(qū)自然通風的熱舒適評價 熱舒適理論的研究人員通過多年、多地區(qū)和多氣候類型的調(diào)查數(shù)據(jù)，分析 出了室內(nèi)熱中性溫度和室外氣候的聯(lián)系，應用與自然通風建筑熱舒適評價并作 為適應模型的適應標準( a d a p t i ”s l 姐d a r d ) 。在建筑類型的劃分主要有兩種觀點： d 酣e a r 的自然通風建筑和h 啪曲e y s 的自由運行模型”。本論文主要闡述d 甜e a r 的自然通風建筑。 澳大利亞學者d e d e 缸分析了a s 蚴全球熱舒適數(shù)據(jù)庫( a s m r p 一8 8 4 ) 建立了“氣候適應性模型”，并以此作為a s 黜5 5 - 9 2 標準的補充。此適應模型 提出了將室內(nèi)人體的最優(yōu)舒適溫度( 在自然通風建筑中等于中性溫度) 和室外 月平均溫度( 月平均最高溫度和最低溫度的代數(shù)平均值) 聯(lián)系起來，并得出了 一個線性回歸公式即】，如下： o “= o3 l f + 1 78 ( 3t ) 式中：鈿- 室內(nèi)人體晟佳舒適溫度，； 一一室外月平均溫度，。 同時認為，在建筑的設計初始階段，對比建筑熱環(huán)境模擬計算出的室內(nèi)自 然室溫和上式計算數(shù)據(jù)，可以確定利用自然通風是否能達到室內(nèi)熱環(huán)境的舒適 狀態(tài)和是否使用空調(diào)系統(tǒng)。同時對每個自然通風建筑的熱感覺回歸模型應用0 5 和0 舟5 的標準，作為一個產(chǎn)生9 0 到8 0 可接受性的舒適區(qū)域的室內(nèi)操作溫 度的功能，見圖3 1 。 圈3 1舒適溫度的8 0 和9 0 的可接受區(qū)域 長安大學碩士學位論文 在數(shù)值計算上，平均那些橫跨整個自然通風建筑的舒適區(qū)域的寬度，產(chǎn)生了一個相 對于9 0 可接受性的5 和相對于8 0 可接受性的7 的平均舒適區(qū)域帶，并都集中 在最優(yōu)的舒適溫度區(qū)。 3 1 3 熱舒適在我國的研究 我國已開展的人體舒適度的預報和研究工作也非常的廣泛。清華大學夏一哉博士現(xiàn) 場測試調(diào)查了北京8 8 戶自然通風居住的住宅得到：普通住宅的熱環(huán)境基本處于 a s h r a e 舒適區(qū)之外，8 0 的住戶可接受的熱環(huán)境對應的e t ( 新有效舒適溫度) 上 限為3 0 。清華大學賈慶賢等人選擇各種不同吹風方式進行了調(diào)查評價，討論了自然 風和機械風在湍流、速度分布、頻譜參數(shù)上的不相似并分析了其原因【4 3 1 。李曉鋒等對某 會議室的自然通風用示蹤氣體濃度衰減法做了實測研究并分析了換氣次數(shù)的影響因素 和其方法放入正確性【棚。西安建筑科技大學楊柳教授與日本國東北大學對我國5 個代表 城市的住宅建筑，分別進行了冬季和夏季的室內(nèi)外氣候狀況、人體的主觀熱反應的現(xiàn)場 測試和問卷調(diào)查，參照a u l i c i e n s 建筑的中性溫度的一元線性回歸方程得到了我國不同 地區(qū)的熱舒適模型【4 5 】。 3 2 西安市自然通風熱舒適中性溫度及熱舒適區(qū) 3 2 1 自然通風的中性溫度 通過d e d e a r 的自然通風建筑的熱舒適回歸公式( 3 1 ) 中的室外月平均溫度和中性溫 度，并結(jié)合圖2 2 中d e s t 建筑能耗分析軟件給出的西安市累年月平均氣象數(shù)據(jù)，得 出西安市夏季每個月在自然通風條件下的中性溫度和人體所能耐受溫度的最大值，其具