單側自然通風建筑室內熱環(huán)境模擬及

單側自然通風建筑室內熱環(huán)境模擬及分析摘要：本文對單側自然通風作用下淺進深的中庭溫度場進行了實驗測量，同時采用帶浮力項的修正k-ε模型對室內熱環(huán)境進行模擬計算，歸納了單側自然通風作用下建筑內溫度場的特點：下部工作區(qū)的線性溫度場和上部積熱區(qū)的冪函數(shù)溫度場。數(shù)值模擬結果與實驗的比較表明帶浮力項的低雷諾數(shù)k-ε模型能很好地反映驅動自然通風的浮力的影響和中庭內部空氣低雷諾數(shù)的流動狀態(tài)。最后通過理論分析指出溫度梯度會導致壓力中性面上移，進而增加進口流速強化自然通風的結論，為設計提供了依據(jù)。關鍵字：自然通風中庭計算流體力學1引言中庭是一個人工營造的全天候室內公共聚集區(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，因而應采用經(jīng)濟、合理的通風手段對其進行控制，以帶走室內的冷熱負荷，稀釋有害氣體、微粒等污染物濃度，改善、維護其內部環(huán)境。但是，中庭建筑的大空間、大負荷特點必然導致機械通風系統(tǒng)和制冷空調設備容量的增大，以及運行、檢修費用的增加。目前，自然通風作為一種節(jié)省能量、投資的通風模式在中庭建筑中正受到越來越多的重視和應用，然而相應的溫度場研究卻并不多。本文對某自然通風中庭進行了實驗測量，同時利用計算流體力學和傳熱學的方法對該建筑進行了數(shù)值模擬和理論分析，以期描述單側自然通風作用下淺進深中庭的溫度場特點，為中庭自然通風設計提供依據(jù)。2實驗測試圖1中庭建筑模型圖2測點平面布置圖中庭建筑的幾何模型如圖1所示。中庭長15m、寬7.5m，高7米，位于50米高建筑的底部，連通了一二兩層。除西側為玻璃幕墻外，其余均為鋼筋混凝土結構，內貼大理石。中庭的大門位于西側中央，長5m，高2.5m。與中庭連接的三條狹長的長方體分別為北、南、東走廊。中庭的出風口在東部和北部走廊的盡頭，見圖1。實驗在山西省太原市8月，9月兩月上午的8點至下午19點進行。采用熱電偶和WMSX-01巡回檢測溫度儀測量室外空氣溫度、室內空氣溫度和壁面溫度，使用熱球風速儀測量進口和出口風速。中庭內部距地面2米高處平面上布置著7個測點。在測點4處垂直方向上距地4米和6米的高度分別布置著測點8和測點9。中庭內的測點布置見圖2。3數(shù)學模型及邊界條件中庭溫度場和流場是相互耦合，相互作用的，內部空氣通常處于層流向湍流過渡的低雷諾數(shù)狀態(tài)[1]，這是由于：（1）中庭內部穩(wěn)定的浮力作用導致的熱分層現(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)。由于在空氣流動應用中廣泛使用的標準模型最初是用來分析完全發(fā)展等溫湍流流動的，對于復雜的三維非等溫流的模擬，它的準確率較低[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。因此，標準模型并不適于描述自然通風下的流場。為了改善傳統(tǒng)湍流模型適用性差、無法模擬低雷諾數(shù)流動的缺點，這里采用帶浮力項的修正模型[4]模擬中庭內部空氣流動，采用能量方程描述溫度場分布。渦旋-粘度雙方程湍流模型，它由湍流動能k和湍流動能耗散率ε方程組成：（1）其中參數(shù),浮力項,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，，計算中，由于要用做分母，所以取其為一很小的正數(shù)。在進口處取，。在出口處按其法向梯度為零計算，，。西側入口（門），東、北出口，北出口，東出口，壁面風速為0。溫度邊界條件采用實驗測試結果。4實驗與計算結果的分析從實驗數(shù)據(jù)中選擇典型的一天進行分析。圖5中畫出了3、4、7測點處的溫度分布曲線圖，由外到內各個測點的溫度相近。從整個中庭內工作區(qū)平面7個測點的白天溫度實測值中可以發(fā)現(xiàn)，對于這個15mx7.5m淺進深的中庭，在單側自然通風氣流組織較為合理的情況下，工作區(qū)內溫度分布均勻，從外到內各測點之間溫度偏差不會超過0.5℃。而且實驗中發(fā)現(xiàn)，在自然通風作用下，距進風口較近的測點2處室內外氣溫幾乎相同。中庭內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。敢圖具6睡是垂直方向上加測鄭點現(xiàn)4湖，極8歸，漢9敗處實測溫度與岸模擬分析值的煮比較，兩者間扮最大誤差不超早過絮10醋%木，表明帶浮力賣項的低雷諾數(shù)蘭模型能夠很好戀地反映實際情信況，這主要是快因為方程中的翅浮力項對湍流遞動能有破壞作臟用，使模型更毅接近中庭內空亡氣狀態(tài)。產(chǎn)生截誤差的可能原許因是由于煎模型中的許多挑系數(shù)參數(shù)值是澡經(jīng)驗確定的，窯另外，由于中革庭內部人流密預度不大且變化暑沒有規(guī)律，模究擬時沒有考慮系人員和照明設燕備的散熱，故殺此測量值比計撥算值要大，但扔模擬值仍然很墊好地預測了實臉測溫度值的變音化趨勢。從賠圖保6附可以發(fā)現(xiàn)從地絮板到頂棚溫度汁隨高度近似成瓜拋物線增加，松中庭內部溫度時場可分為兩個拼區(qū)域：下部工級作區(qū)線性的溫車度場和上部熱扇量積聚區(qū)拋物淺線形溫度場。絹工作區(qū)的溫度弟較低，且分布霸較均勻；上部絡熱量積聚區(qū)的同溫度較高，頂晝部溫度比地面儀溫度高出鋸1.哲1符℃革。整個中庭內夢溫度低于進口憶溫度（絲3捧1奮℃旦），工作區(qū)的眼溫度約為拐29.針2斗℃忍，室內外相差吼1.廣8盼℃述。撞圖臥5嗚翁室內測擊點梅3,4,栽7遷干球溫度曲線死圖睡旨濁圖宏6熄測境點階4,8,痰9低實測值與模擬械計算值的比較花圖矩7緊所示為自然通控風作用下中庭塌溫度場的模擬誓結果。自然通仁風加強了中庭童內熱空氣的上巷浮，浮升的熱遍羽流不斷卷吸賽周圍空氣，形淘成倒錐形溫度熄分布，非常類償似于置換通風濃負荷集中在頂蘆部的溫度場分澇布妄[5驗]加。天花板附近悲是中庭內溫度目最高的區(qū)域，候要排除聚集在懶頂部的余熱，杠需要在這里設澆置排風口。永圖估8蛙所示是理想不油通風情況下的策模擬中庭溫度競場。在這種情銅況下，室內氣美流完全處于自臘然對流狀態(tài)，舞溫度層是從地摟面到天花的一回系列近似相互職平行的規(guī)則等趁溫層，這同自惱然通風作用時狡的倒錐形溫度橫場不同。球圖貝7遲刷自然通風中庭亦溫度塊場謎腔拋圖詢8枝撕不通風中庭溫錘度場塌5過念溫度場對自然襖通風的影響銳由于中庭內溫遷度分布為線性涂的區(qū)域較大，鎖溫度梯度只在渠中庭頂部突然涂增加，所以將旱整個中庭的溫詳度分布近似看癥作線性分布。如同時，這種假蒼設也簡化了理抗論推導的復雜召。這樣，室內暑溫度分布可以替寫歸作僻:寶邪（哭4遍）蠶其黎中怨k撥為垂直溫度梯辯度當，遙T眨i象為室內溫度獅，穿T棉i0職為室內靠近地餡面處的溫度。討室內空氣密度途可以表述為：捎碎釀梅（式5陽）爸室內壓力分布隊可以寫作：土室扎（首6恩）齒所以室內壓力榮分布為一對數(shù)暖分布，將方程昆（暮6民）從以贈Taylo館r粗公式展開并取歉前兩項得：據(jù)溜盯劈（殿7牢）格由于室外氣壓確可表示為像：氏洽爪（攜8繡）怖這樣在自然通欲風進口處的壓慰差為：庭每叫（艙9閉）閑出口處的壓差標：暮恢監(jiān)（連1遠0盆）構式愛中岸H達1假和療H彎2耍分別為進口和禽出口距離中性斑面的高度緞同室內溫度均己勻情況下自然吸通風進口處和概出口處的壓差普和鈔賴魚（縮1搏1催）琴相比，溫度梯嗎度使得出口處阿的壓差增大，士而入口處的壓騎差減小，這是凈溫度梯度使得罩室內中性面上爹移的結果。根炭據(jù)自然通風進果出口的風速公處式：屆花（煮1繩2刻）襪中性面上移必故然導額致丹H吸1浴的增大股，擁H害2郊的減小，相應熱地增大進口流它速，減小出口產(chǎn)流速，對于固腦定的進口面積悉，則溫度梯度鑰所導致的中性威面上移最終會妨增大自然通風角量。炊這個結論與只圖展7線所示的中庭溫家度場模擬結果業(yè)相同，中庭內告上浮的熱羽流懼不斷卷吸周圍饑空氣，形成倒宇錐形溫度分布拘，這樣的溫度咐分布導致了壓依力中性面的上抵移，從而增大育了出口的壓差愈，減少進口處激的阻力，強化皆了自然通風。6結論往通過實驗測試名以及理論、數(shù)戰(zhàn)值模擬分析，寧可以得到以下蠢結論：燕合理的單側自烘然通風能夠很未好地對淺進深繳的中庭或大空蝴間建筑進行通案風降溫換氣，真室內外溫差大尖約痛1與～蹦2勁℃販，這同建筑材出料的蓄熱能力成有關；工作區(qū)嫌內部溫度水平貪偏差不超趙過績0.它5驅～練1甜℃于，垂直偏差不遞超過筆1.封5粘℃哈，能夠滿足舒風適的要求。散在中庭熱壓、休風壓的聯(lián)合作或用下，中庭內志溫度較高的等侄溫層會上浮，問溫度較低的等價溫層擴大，形斷成倒錐形溫度像場，它可以近近似分為兩個區(qū)亦域：溫度隨高泛度線性分布的贏工作區(qū)；溫度溪隨高度冪函數(shù)融分布的頂部高撞溫積熱區(qū)。這坦一溫度場分布股與負荷集中在興上部的置換通娛風溫度場相淘似滴[5橋]酷，熱量積聚在割中庭頂部，通恩風窗應該設置災在頂部以便于陽排除熱濕負荷軟。姻理論分析表明糟，中庭內的溫襖度梯度會造成寒壓力中性面的輕上升，減少進碧口處的阻力，靠增大出口的壓威差，提高進口擊的風速。因此熔溫度梯度是強祥化自然通風的悟重要因素。缺實測證明，由號于浮力對湍流受的破壞作用，催采用的帶浮力梯項的修正劈模型能很好地綢模擬自然通風犧作用下中庭建孫筑內部氣流的胖低雷諾數(shù)特點倒，在能量方程鑄中不考慮人員餓和設備的散熱候會導致最終結各果的偏小。參考文獻藍[1]Ch拆enQ,崗Morse巾Aand失Huber華A.ASH限RAETr耽ansact債ions1勞996,(尼1):56內4-573勿[2]Mu薄rakami基S.Ro亡omven墾t劣’籠92:Pr敢oceedi爬ngsof煉Third吉Inter犁nation崇alCon宅ferenc添e,DAN