1、    某雙層玻璃幕墻建筑自然通風的數值模擬研究            作者：黃艷 劉東 楊建坤 時間：2007-11-24 15:06:00                     黃艷 劉東 楊建坤 張恩澤摘要： 根據雙層玻璃幕墻建筑的

2、特殊熱環境，提出過渡季節采用自然通風的方式，確定了建筑圍護結構的開口方式和開口大小，使各樓層的空氣溫度都在熱舒適范圍內；應用CFD數值模擬方法對各樓層房間的三維溫度場，速度場進行了模擬，研究結果表明，利用自然通風能夠有效地改善室內熱環境，較好地滿足人體熱舒適的要求。 關鍵詞： 自然通風 數值模擬 中庭 1.引言空調的應用為人們創造了舒適的室內環境，但也帶來了一些問題；首先，空調建筑的密閉性較好，當新風量不足時，室內空氣品質（IAQ）惡化會導致病態建筑綜合癥（SBA）；其次，大量的空調器加劇了城市熱島效應，造成室外空氣熱環境惡化；再次，空調器的普及使建筑能耗有較大的增長趨勢。因此隨著可

3、持續發展戰略的提出，同時發展生態建筑也是大勢所趨，自然通風這項古老的技術重新得到了重視。合理利用自然通風能取代或部分取代傳統制冷空調系統，不僅能不消耗不可再生能源實現有效被動式制冷，改善室內熱環境；而且能提供新鮮、清潔的自然空氣，改善室內空氣品質，有利于人的身體健康，滿足人們心理上親近自然，回歸自然的需求。采用雙層玻璃幕墻可以進行有效的自然通風。雙層玻璃幕墻又稱動態幕墻，兩層玻璃之間的距離為20mm500mm，利用“煙囪、熱流道”效應，氣流在兩層玻璃幕墻中間由下向上循環，帶走外面一層玻璃幕墻太陽輻射的能量，達到隔熱、保溫、節能、環保的功效。按照不同的通風原理雙層玻璃幕墻可分為：整體式、廊道式、

4、通道式和箱體式。雙層玻璃幕墻具有多項功能：減少風及惡劣氣候的影響、提高隔音能力、充分利用太陽能、使用自然通風使空調使用率降至最低。本文主要研究其自然通風的功能及效果。2.研究對象及技術路線2.1 研究對象本文中研究對象為采用雙層玻璃幕墻帶中庭的辦公建筑，共6層，外形結構見圖1，幕墻結構見圖2：圖1 建筑外形圖 圖2 廊道式雙層幕墻局部放大圖該幕墻為廊道式雙層幕墻，每層設置通風道，層間水平有分隔，無垂直換氣通道，自然通風的路徑為：這類建筑室內環境易受太陽輻射影響，同時其空間高度高，上下溫差大，這對預測帶來很大困難，隨著計算機及流體力學的發展，三維CFD模擬技術得到廣泛應用，它即可以滿足大型建筑多

5、空間多開口的自然通風設計要求，又能精確預測各設計室內的空氣速度場和溫度分布，因此本文在滿足頂層室內熱環境的基礎上設計了屋頂排風天窗面積，并在此基礎上利用CFD對該建筑的局部房間室內熱環境進行了數值模擬。2.2 技術路線自然通風一般采用風壓或者熱壓，中庭建筑的“煙囪效應”就是利用建筑內部的熱壓作用，由于室外風速和風向是經常變化的，因而風壓作用不是一個可靠的穩定因素，所以本文進行模擬計算時進行了簡化，僅考慮熱壓下的自然通風。熱壓通風，是利用建筑內部由于空氣密度不同，熱空氣趨于上升，而冷空氣趨向下降的特點。熱壓作用與進風口和出風口的高度差，以及室內外空氣溫度差存在著密切的關系：高度差愈大，溫度差愈大

6、，則熱壓通風的效果愈明顯。因而大樓各樓層（共6層）的進風量隨樓層高度的增加而減小，基于這種情況考慮，在滿足6樓室內熱環境的要求下，設計屋頂側窗面積。基本技術路線見圖3：圖3基本技術路線3.房間的計算數學模型3.1 物理模型（a） (b) (c)圖4 計算物理模型a: 一個通風口 b: 兩個通風口 c: 整條通風口如圖房間長11.1m，寬8.4m，高2.9m；房間內發熱量包括人員、燈光及設備， 圖中3個長方體代表房間的人員及設備，頂部設9盞燈；圖形左下角為三個雙層玻璃幕墻進風口，均為1400mm×300mm, 房間右上側為通風口，通風口面積見表1。3.2 基本參數計算（1）式中： 6樓

7、的室內發熱量，W; 空氣比熱，=1010J/kg.; 室外空氣的密度，溫度為20，kg/m3; 通風氣流的溫度差,; 6樓的進風口面積, m2.計算得到m/s根據 （2）式中： 進風窗口的流量系數（取0.35）; 室內外空氣的密度差,kg/m3; 頂層進風口的中心高度,m; 中和面的高度,m.計算得到 m根據中和面高度計算各樓層進風速度，并根據回風口風速范圍3計算房間通風口面積,計算結果如表1所示：表1 各樓層進風速度及房間通風口面積 樓層2樓3樓4樓5樓6樓進風速度(m/s)0.7720.6830.5810.4570.299房間通風口面積(mm×mm)1000×40080

8、0×400800×400800×400800×250注：1樓為開放式大堂3.3 控制方程 模擬房間內的氣流屬于非穩態的三維不可壓縮紊流流動，因此在計算中采用當前在計算房間氣流時最常用的模型。模型所遵守的偏微分方程的向量表示如下：連續性方程： （3）動量方程：（4）紊流能量傳遞方程：（5）紊流能量耗散方程： （6）能量方程： （7）上式列表中，；i=1,2,3；j=1,2,3；為速度，為密度，為分子粘性系數，為紊動能，為紊動能耗散率。模型中的經驗常數可按表2取。表2 模型中的經驗常數取值0.091.441.921.31.30.94.模擬計算及結果室外氣象參

9、數及室內負荷大小直接影響房間的室內熱環境，由于大樓頂層的自然通風量最小，室內熱環境最惡劣，因此以頂層房間為研究對象，研究內容如下：（1）不同大小的室內通風口，房間的溫度場和速度場分布（2）不同室外溫度，不同室內發熱量，6樓的溫度場分布4.1 不同大小的室內通風口，房間的溫度場及速度場分布計算工況：室外溫度為20，室內發熱量為50W/m2；比較房間設置一個800mm×250mm通風口，兩個800mm×250mm通風口，及一個8400mm×250mm通風口的室內溫度場和速度場(1) 一個通風口：z=1.5m處的溫度場和速度場圖5a z=1.5m剖面溫度場示意圖 單位：

10、K 圖5b z=1.5m剖面速度場示意圖 單位：m/s(2)兩個通風口：z=1.5m處的溫度場和速度場圖6a z=1.5m剖面溫度場示意圖 單位：K 圖6b z=1.5m剖面速度場示意圖 單位：m/s(3) 整條通風口：z=1.5m處的溫度場和速度場圖7a z=1.5m剖面溫度場示意圖 單位：K 圖7b z=1.5m剖面速度場示意圖 單位：m/s溫度場分析：由于進風口偏左，房間左端溫度較右端低; 房間沿氣流流動方向溫度逐漸增高；比較圖5a,6a,7a可以看出房間設置兩個通風口室內熱環境明顯優于設置一個通風口，而設長條風口的優勢并不明顯。速度場分析：比較圖5b,6b,7b,可以看出設置一個通風口，工作區流場比較平緩，在近熱源及出風口局部有漩渦；而設置兩個通風口及整條通風口的房間，在近內部熱源處氣流擾動比較大，房間氣流形成了兩個大渦流區，渦流流線呈閉合狀。氣流速度除了熱源和風口處較高以外，在人員工作區的大部分地區，風速基本保持在0.1m/s以內滿足房間舒適區要求。模擬計算得到不同出風口的室內溫度分布范圍見表3表3 不同出風口形式下的室內溫度分布 室外溫度（）出風口形式溫度范圍（）平均溫度（）20單個20.722.822.3兩個20.622.421.7整條20.522.321.64.2 室外溫度變化