自然通風(fēng)與能源效率

1、英文翻譯AEnergy efficiency with natural ventilation: a case studyS. D. FitzgeraldMA, PhD, CEng, FEI, FCIBSEand A. W. WoodsMA, PhD.UK.2007自然通風(fēng)與能源效率：一個案例研究杰拉德，博士 和羅樵夫，博士摘要；本文評述了在一個自然通風(fēng)商場空氣流動實驗室模擬建模中的應(yīng)用。通風(fēng)的詳細研究，為了確定和探索自然通風(fēng)是否會提高高密度的美食廣場面積局部降溫與機械通風(fēng)系統(tǒng)進行比較。案例研究是用來展示實驗室如何模擬簡化與數(shù)學(xué)模型的結(jié)合，使之迅速確定哪些可能發(fā)生的各種流態(tài)，以量化所得流量和平

2、均溫度，并由此確定不同外部條件適當(dāng)通風(fēng)策略。1.引言1.1建筑物能源使用 英國國內(nèi)能源差距拉大和國內(nèi)需求將超過本土出產(chǎn)?，F(xiàn)在，重要的是減少英國的能源需求，以縮小差距。建筑物的能源提供占全部40的能量消耗和這在很大程度上是和加熱和冷卻相關(guān)聯(lián)。眾所周知的是當(dāng)前英國廣泛建筑的能量利用效率低下。一般舊式樓宇比新建筑的保溫性差，并有低效的能源管理系統(tǒng)和低效照明。改善現(xiàn)有建筑物的能源效率是非常重要的，但由于預(yù)算有限，往往允許翻新具有挑戰(zhàn)性。然而，即使是低能耗的新建筑，也有能效利用差異。例如，有空調(diào)的建筑物，它正日益成為常態(tài)，通常成本較高并可能消耗10左右的能源比那些沒有空調(diào)的建筑物，。因此，設(shè)計合理的非空

3、調(diào)的建筑物為減少建筑行業(yè)內(nèi)油耗有顯著的作用。工程師面臨的主要挑戰(zhàn)之一是設(shè)計低能量建筑系統(tǒng)，通過有效地應(yīng)對外部變化的條件（例如風(fēng)和溫度）和內(nèi)部熱負荷來提供舒適的條件。1.2自然通風(fēng)建筑設(shè)計 不依靠機械設(shè)備的建筑物吸引新鮮空氣被稱為自然通風(fēng)。通過不同性質(zhì)，例如風(fēng)壓或外部與內(nèi)部之間的溫度差而產(chǎn)生浮力的力被用來驅(qū)動空氣流過的建筑物。自然通風(fēng)建筑物的設(shè)計需要熱源之間的相互作用的模式使空氣循環(huán)。這種認識是重要的，如果建筑物被成功地設(shè)計和合適的策略，可以最大限度地減少能量的使用。 熱源和建筑規(guī)模氣流之間相互作用的精確地模擬是一個困難的問題，例如，最近的研究表明在完全相同的外部條件建筑物呈現(xiàn)多個潛在流動型態(tài)。

4、因此是很困難和耗時在正常設(shè)計程序與建模工具的過程中，例如計算流體動力學(xué)（CFD）來識別這些現(xiàn)象。通常情況下，CFD模型預(yù)測給定的初始條件，并加熱和冷卻負荷的流動的模式，但沒有明確搜索多個狀態(tài)。同樣地，雖然一些簡單的緯向模型可以識別多個流態(tài)的發(fā)生，它們并不總是面向這樣的應(yīng)用程序，而是預(yù)測的一種可能的流動模式。此外，緯向模型的通風(fēng)設(shè)計是不混合的交互模型，其中可能存在雙向流通過一些開口，以置換通風(fēng)的方式通過通風(fēng)口。 為了解決這種流態(tài)，新的模擬實驗室技術(shù)已被開發(fā)，以模擬可能出現(xiàn)在建筑物內(nèi)的通風(fēng)流動。這種模型的提出是以設(shè)計人員快速可視化和量化的流動模式的自然通風(fēng)建筑。該實驗涉及使用浸在水浴有機玻璃模型，

5、用熱金屬絲，以模擬熱負荷和冷卻水，以模擬機械冷卻。適當(dāng)?shù)牧炕Ｐ偷幕A(chǔ)上，緯向建模方法，但占兩者混合和置換通風(fēng)，然后可確定空氣流量和熱舒適條件下自然通風(fēng)建筑。這樣的模型可以解釋熱質(zhì)量和各種控制策略符合實驗室模型的效果的優(yōu)點。 新的實驗室模擬方法提供了CFD研究的補充，對于大型建筑項目，它非常適合于建筑尺度流動模式和建筑規(guī)模通風(fēng)控制的預(yù)測，而CFD研究是適當(dāng)確定的更局部化的信息流動，或許在封閉的辦公空間，或流入附近的空氣分銷商和門道。事實上，隨著大型建筑物的高度復(fù)雜的幾何形狀，利用CFD大規(guī)模流動型態(tài)很難可視化。這種模型的輸出，通常使用通過建筑物的二維切片，以產(chǎn)生流體等值線圖。此外，該解決方案依

6、賴于時間的通過三維建筑物幾何流動方程，需要小規(guī)模的混合過程，這限制了這種模型參數(shù)化的精確度。1.3案例分析 實驗室模擬建模是在諾里奇中心新的購物中心的應(yīng)用，通過不斷的發(fā)展，本文評述了大型開放空間，如內(nèi)飾大型商場，由于非常開放高大為室內(nèi)自然通風(fēng)提供了巨大的潛力。然而，這樣的自然通風(fēng)系統(tǒng)是復(fù)雜的，由于系統(tǒng)內(nèi)因為不同的季節(jié)的熱源空間和不同通風(fēng)要求來設(shè)計和管理。著手通風(fēng)的詳細研究的原則，并探討如何自然通風(fēng)可能與一個局部的機械互動通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計，以提高冷卻人員密度高的美食廣場。這項研究涉及的理論模型的發(fā)展，根據(jù)季節(jié)以確定不同的通風(fēng)量。一系列小規(guī)模的實驗室模擬實驗，然后進行到在該空間內(nèi)探索更詳細的流動模式

7、，結(jié)合自然和機械的作用下的范圍的工作條件下（圖1）的通風(fēng)。該實驗圖1中所示。置于水浴中并通過導(dǎo)線通過電流，以模擬熱負荷。冷凍水加入到該食品店面積來表示機械冷卻。罐具有開口的頂部和基部模擬屋頂棧和低級的通風(fēng)口靠近門的商場。電線攜帶電流和監(jiān)測在整個溫度的熱電偶模型可以看出在圖1;管道供應(yīng)的通風(fēng)液在美食廣場還可以在美食廣場區(qū)域的頂部看到。 圖1 一個實驗室使用水浴加熱的水和冷卻裝置提供了一個模擬的動力學(xué)模型流動狀態(tài)的真實建筑物氣流的建模型擬，涉及的雷諾數(shù)的動力學(xué)機制流過開口和對流建立對等，具有適用于氣流中的建筑物的值的瑞利數(shù)是很重要的。 實驗室模型和實際的空氣流之間的一個重要區(qū)別是普朗特數(shù)，其表示運

8、動粘度的熱擴散率的比率。在空氣中的普朗特數(shù)為0.7，而在水中是約5;這種差異意味著動量邊界層厚度支配熱邊界層中的水，而在空氣它們的尺寸更緊密，更深熱邊界層。這樣做的結(jié)果是，流過的熱障礙是不同，因此詳細的流動模式不應(yīng)該被解釋為直接類似于在真實建筑物的空氣流，雖然整體大型流動模式和溫度分布是相似的。在分析溫度在建筑物內(nèi)是有幫助的，重點放在相對溫度，而不是絕對的溫度，因為它是用于控制浮力和動力流動狀態(tài)的。在實驗室模型中，壁實驗具有相對較低的熱質(zhì)量，因此該機型是嚴格適用于相對輕巧保溫建筑。 在下文中，在一個典型的購物中心的熱預(yù)算被描述及其與季節(jié)變化進行了探討。有兩種流態(tài)的可能出現(xiàn)，如果商場具有凈熱負載

9、，因此外部空氣比較溫暖，如果商場有凈冷卻載荷（包括機械通氣的美食廣場的效果），也就是說，在商場里面的空氣比室外涼爽。討論顯示出的整個實驗結(jié)果簡化于圖2.入口商場都在美食廣場的三面開口。正殿和美食廣場的屋頂有一系列的通風(fēng)堆棧。建筑物的側(cè)視圖可在圖中所示的實驗?zāi)Ｐ涂梢钥闯鲆院喕问健?圖22復(fù)雜的熱2.1熱平衡主要的購物大廳和機械冷藏食品廳的熱可以通過內(nèi)部空間的整體熱平衡來確定。用一些近似和簡化，地板下的加熱系統(tǒng)，具有大約100千瓦總熱負荷，用在冬季溫暖的空間。在這一年，隨著游客的購物中心相關(guān)的熱負荷是進一步的100千瓦。此外，太陽能增益和通過玻璃的熱損失和其他放射性熱通量可能出現(xiàn)在復(fù)雜的壁上。在

10、商場的美食廣場區(qū)系統(tǒng)必須提供送風(fēng)量流量為12立方米/ s的能力條件，用餐區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)約22-24.8C溫度的目的。除了這些熱負荷，還有通過商場的凈流量的通風(fēng)帶來的外部空氣和排出空氣的排氣口附近的溫度。模擬實驗?zāi)Ｐ捅砻?，有一些橫向分層商場，由于大的對流沿商場（見下文）流動，這些波動的幅度是因為相對于平均值的內(nèi)部和外部溫度之間的差值較小造成的。與通風(fēng)相關(guān)聯(lián)的熱通量的大小可因此通過假設(shè)排氣溫度與商場的平均溫度相同來估計。圖3示出在商場的平均溫度，將與上述的熱負荷作為外部溫度的函數(shù)作出一個預(yù)測。圖中給出了一系列的自然通風(fēng)流動速率（在線示出）的值，并假設(shè)將冷卻空氣在用餐區(qū)入口溫度為14。給定的熱交換和通風(fēng)

11、簡化的圖象，該圖表明，對于許多年，在商場溫度比外部溫度高。其結(jié)果是，自然通風(fēng)的流動力可以是一個向上的浮力驅(qū)動流動，如果流入和流出的通風(fēng)口的面積足夠大。圖4為在大樓給定的溫度下的對比度和一個給定的通氣區(qū)域相關(guān)的自然通風(fēng)流量計算并加上熱收支計算來預(yù)測溫度過量相對建筑物到外部作為凈對流熱負荷的函數(shù)（不包括自然通風(fēng)熱負荷）。在盛夏時如果外部溫度升高到超過30的值時主要是向上的流動，在這種情況下，冷空氣的食品店產(chǎn)生大量熱負荷，導(dǎo)致整個建筑的弱凈冷卻。在這種情況下，一個向下的自然浮力驅(qū)動的流動可以利用，如在下一節(jié)指示。圖3圖4 總的原則，將有一段時間，當(dāng)外部相對于所述建筑物是涼爽則是典型自然通風(fēng)。在許多情

12、況下，外部溫度的波動，可導(dǎo)致這樣的變化。一個復(fù)雜的商場考慮的功能是相對于商場規(guī)模的制冷。如顯示在下面的章節(jié)中，這將導(dǎo)致大量橫向的溫度梯度。如上述，這里提出減少熱預(yù)算，其中我們假設(shè)的空間充分混合的準確性;然而，這并不影響向上的一般原則和向下通風(fēng)流動。2.2基本的通風(fēng)流向 滯留在購物中心內(nèi)的熱負荷，是商場溫度和對流熱負荷的函數(shù)，并且在商場的總通風(fēng)率可以計算（圖4）。一些這樣的建筑物中最具挑戰(zhàn)性的條件是那些在一個非常靜止的環(huán)境中，當(dāng)空氣的自然浮力是驅(qū)動空氣流中可用的唯一動力。這里介紹的計算（圖4）對應(yīng)于這種情況，并導(dǎo)致該商場溫度在對流熱負荷和總通氣流量方面的預(yù)測（也見由格拉德斯通和伍茲工作）。計算適

13、用于其中的通風(fēng)孔之間有效高度為10m的情況。如果此值增加，則通風(fēng)率增加和過量的溫度下降。計算表明，有可能實現(xiàn)非常舒適的室內(nèi)條件下，在英國的氣候，在夏季和冬季，通過適當(dāng)調(diào)整內(nèi)部加熱的規(guī)定;可以通過改變通風(fēng)口的通風(fēng)氣流的有效面積的大小進一步控制。3 流動規(guī)律 在上一節(jié)探討了復(fù)合物的總熱預(yù)算。一系列的實驗室實驗，現(xiàn)在提出來在有一個較大的自然冷卻的本地源通風(fēng)的一些大范圍空間的流動規(guī)律。3.1盛夏模式 在這個體制中，建筑物好比外部的一個凈冷卻器。然而，冷卻是通過局部源產(chǎn)生的（在食品店），冷卻的空氣通過建立一個凈循環(huán)圍繞整個購物中心格局。顯示于圖5（a）和圖4中的實驗的照片. 圖5在實驗中，食品店的冷水供

14、應(yīng)被染成藍色。這水從天花板附近水平本地源通過商城下降。因為它下降時，它形成了一個混合了一些之前到達基部周圍的流體。這表示混合冷卻的空氣通過一高級別空氣擴散器被泵送，并通過空間下降。在這種夏天模式中，冷卻負載占主導(dǎo)地位。因此，供應(yīng)冷流體下降到商場的地板，然后要么通過在該商場不同的開口，或通過再循環(huán)商場，被加熱，因為它蔓延到商場的盡頭。然后它上升和流回朝向食品店區(qū)，在那里它與預(yù)冷卻的空氣繼續(xù)供給混合并再一次下降到商場。向下置換通風(fēng)的這種模式的出現(xiàn)是由于外部條件很熱和需要冷卻的食品店的結(jié)果。內(nèi)部簡化的充分混合模型提供了一個良好估計在這種情況下熱預(yù)算。然而，隨著更多的散熱的條件下，商場會比外面熱是可能

15、的，從而導(dǎo)致一個單獨的類向上位移的流動，如下所述。3.2向上置換通風(fēng) 通風(fēng)是最有可能適用于冬季和春季/秋季條件的。再次，由于冷卻的本地源，在復(fù)雜商場建立一個凈循環(huán)趨于變得重要。商場的美食廣場的冷空氣下降和混合，被加熱到高于其外部的，然后又上升起。以及通過所述下部噴口和空氣供給從食品店流入，有實際上在商場的屋頂大規(guī)模交換流動，來驅(qū)動大型循環(huán)流（圖6）。 圖6表明，在商場空氣的大型橫向流動往往在商場遠端帶動流出;附近有一些高層次的美食廣場通過下開口流入，并在美食廣場提供機械流入的補充。所述額外的高級別流入變?yōu)榧榷ǖ囊驗榭捎糜谕L(fēng)的屋頂與較低級別的流入通風(fēng)口面積比大得多。這可以理解通過考慮限制的情況

16、，其中，低級別的通風(fēng)口都關(guān)閉的：混合通風(fēng)流量通過屋頂變得成立，為了使商場可以作為低級別的通風(fēng)口被逐漸打開，這混合通風(fēng)流動持續(xù)，直到低級別的通風(fēng)口提供足夠的流入?yún)^(qū)域，一個純粹的向上位移通風(fēng)模式是能夠扭轉(zhuǎn)在上部堆疊的流動。大廳內(nèi)的大流通導(dǎo)致了一些溫度梯度。4.相鄰的商店影響熱負荷 圖5和圖6表明，建設(shè)時使用的設(shè)計規(guī)范分析了主要的通風(fēng)，這些準則是有些牽強，因為他們假定商店之間沒有熱交換。在實踐中，一些熱交換確實發(fā)生，均通過商店墻壁和窗戶的織物輻射傳輸，也由于在門打開時交換大量的空氣通風(fēng)流動。事實上，大型百貨商場連接到主要商場一般都有自己的門道入口固定開放，為商場和專賣店提供了大面積的30-40平方米

17、。在吉利商場購物中心索利哈爾的測量結(jié)果建議通過這種開口的空氣流的速度可以大至1米/秒，由于該店鋪和商場之間的空氣溫度差，可能使夏季制冷負荷大，甚至占主導(dǎo)地位（如果商店是空調(diào)），或熱負荷在冬季。為了詮釋它的重要性，這種流動對商場的整體循環(huán)模式影響，進一步的一系列實驗，有清涼液發(fā)散源進入商場，從百貨公司，商場與流體的相應(yīng)平衡水槽一端，同時冷卻另一端的美食廣場。圖7顯示了提供給食品店模擬的空氣湛藍海水與在右端的百貨公司染成了紅色。這紅色液體形成了回收空氣循環(huán)單元。藍色流體來源于建筑物左手端的食品店的空調(diào)。 圖6 在實驗中（圖7），每個冷空氣的電流沿商場的地板并通過在商場的熱負荷加熱。最終的電流滿足，

18、并調(diào)整到該點都具有相同的溫度。它們均上升到循環(huán)區(qū)的頂部在這一點上，然后返回到商場每一端。以這種方式，一個穩(wěn)定的雙環(huán)流系統(tǒng)成為確立。 有些出人意料的是，雖然商場設(shè)計自然通風(fēng)但是建筑在夏天基本上使用機械通風(fēng)。在這種模式下空氣在商場的頂部的熱穩(wěn)定區(qū)在夏天不活躍，他們的主要設(shè)計目的是為了夏季自然通風(fēng)。實驗確定耦合機械和自然通風(fēng)的復(fù)雜性。這可能是因為，在未來的設(shè)計，為公共商場空間和存儲一個完全集成的自然通風(fēng)系統(tǒng)可被設(shè)計為使用通風(fēng)口/堆棧和任何機械的熱負荷或冷卻系統(tǒng)中的不同的空間達到最好的效果。這種方式，通過組合熱質(zhì)量，遮陽和良好的保溫性是自然通風(fēng)設(shè)計中，是一個可持續(xù)和非機械系統(tǒng)的典范。致謝 這項工作是CMI低能耗建筑項目和得到凱文·史密斯，彼得·史密斯的支持。作者感謝安德魯Pluck公司建設(shè)實驗設(shè)備。參考 1. WOODSA. W., CHENVIDYAKARNT. and SHORTA. Reversing flow in a naturally ventilated building with multiple stacks. Proceedi