夏热冬冷地区自然通风对建筑热湿环境的影响

邵亮峰

摘要：介绍了自然通风研究的现状，并以某公共建筑为研究对象，通过建立该建筑自然通风的物理模型，设定相应的边界条件和网格划分，选用数学模型，运用CFD分析了不同室内外温差对室内温度场和速度场的影响规律，得出该特征气候区的通风策略。该研究结果可为与气候相近的地区建筑设计以及建筑节能改造提供技术参考。

关键词：夏热冬冷；通风；建筑热湿环境

中图分类号：TU834.5 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）05-0101-03

自然通风在提高室内空气品质的同时，也能起到很好的节能作用。重庆大学的李百战将遮阳技术与自然通风技术相结合，研究发现，两者结合可以有效改善室内的热湿环境，同时达到节能的目的。潘刚以研究了建筑的通风面积与自然通风量的相互影响，得到了自然通风在建筑节能中的权重。西安建筑科技大学的杨柳以北方严寒或者寒冷地区的办公室为例，分析了夜间通风降温除湿的可行性，并将气候降温潜力作为夜间通风的量化指标。重庆大学的付祥钊要求热湿地区的公共建筑设计时需着重考虑自然通风设计，辅助以机械通风的设计思想。重庆大学的王勇利用数值模拟和实验，分析了自然通风对建筑降温除湿的效果及规律，为建筑节能设计提供了一种有效的新思路。甘灵丽以重庆地区的特征气候为基础，分析并得到了自然通风（间歇通风）的时效性，提出了针对非稳态气候条件下的自然通风策略。李芃以统计分析的方法，对上海办公楼的自然通风利用SPSS软件进行统计分析，研究发现，自然通风能够有利于提高室内的通风换气次数并能满足室温的要求，以此达到降低建筑能耗的目的。自然通风属于可再生的新能源，因此，自然通风具有很强的地域性气候特点，只有针对相应气候条件下，选取该地区的典型建筑进行针对性的分析，才能了解本地区自然通风的节能潜力，为建筑节能改造及建筑设计提供可靠的依据和参考。基于此，本文以夏热冬冷地区的气候特征为例，数值模拟分析了自然通风对公共建筑室内热湿环境的影响规律。

一、数值模拟的基本条件

（一）物理模型的建立

选择该地区的典型公共建筑的大堂作为本研究的物理模型，该建筑属于坐南朝北，以下部位均采用玻璃幕墙结构：南北两个朝向的外墙，东西两个朝向的墙体以及屋顶，剩余部分均为内围护结构。由于本建筑的大堂没有侧面窗户，本研究准备对有侧面窗户的情况进行数值模拟分析，门口作为空气的入口，侧面窗户作为空气的出口。其物理模型见图1。

（二）边界条件的设定

在采用CFD进行数值计算过程中，边界条件的合理设置具有举足轻重的作用，通常应该尽可能地使其与实际情况相一致。本研究中，设置室内外温差为3℃（1）及7℃（2）两个情况的工况，工况（1）属于将窗户开启到最大的情况，门口进风风速与窗户的出风风速相等，均为0.8m/s，工况（2）属于窗户开启较小的情况，门口进风风速及窗户出风风速均为1.3m/s。

（三）数学描述及湍流模型的选取

1.数学描述。

流体的流动可以用三大方程来进行描述，包括流体的连续性方程、动量守恒方程和能量守恒方程。其通式为：

■+div（ρuφ）=div（Γgradφ）+S （1）

式中，φ-通用变量；S-源项；Γ-扩散系数。

2.湍流模型。

湍流分为自由湍流和近壁面湍流两种情况，通常采用N-S方程来描述湍流产生的机理，标准k-ε模型在数值计算中精度较高、计算量较为适中，故，标准模型在目前的流场模拟中被广泛应用。其表达式为：

ρ■=■μ+■？摇■+G■+G■-ρε-Y■ （2）

ρ■=■μ+■？摇■+C■■（G■+C■G■）-C■ρ■ （3）

式中，G■-浮力产生的湍动能，G■-速度梯度产生的湍动能；Y■-耗散率。μ■=ρC■k■/ε，C■=0.09，C■=1.92，C■=1.44，耗散率ε与湍动能k的湍流普朗特数分别为σ■=1.3，σ■=1.0。

二、数值模拟结果及讨论

（一）温度场模拟结果

不同断面速度场模拟结果见图2。

由图2（a～d）可知，室内的温度场呈对称分布，并且具有热力分层，随着室内外温差的增大，2m以下的区域温度呈现上升的趋势，其中，2m断面处的温度增加了2.1K，10m断面处的温度增加了2K，其温度梯度也呈现增加的趋势，总体上还是能够满足热体舒适性的要求。从不同工况下温度场的分布情况可知，当室内外的温差变大的时候，室内垂直方面的温度梯度相应增加，水平方向的温度场部分不均匀。

（二）速度场模拟结果

不同断面速度场模拟结果见图3。

从图3（a、b）可知，工况1的新风的空气龄较工况2小，工况1的新风与室内空进行热交换后被排除室外，而工况2的新风与室内空气进行热交换后，大多聚集在房间的上部，使室内的温度呈现上升之势。由于受到热源的影响，室内形成较弱的速度场，其中，受热的气流由于密度小而上升，但是其上升的速度较小，由于受到近壁面摩擦阻力的影响，由此形成了较小的回流和漩涡。

从图3（c～f）发现，流场以射流的轴线对称分布，在轴线的两侧呈现出漩涡和回流区。其中，随室内外温差增大，室内的速度分布呈现显著的变化。

三、结果讨论

从以上分析可以看出，室内外的温差变化直接影响室内温度场的分布，但是温度场的变化规律不受室内外温差变化的影响，不同工况条件下，房间的热力分层高度基本不变，均为2m处左右。室内外温差对工作区的温度分布的影响较大，但是对工作区以上区域的影响甚微。室内工作区的温度梯度随室内外温差的增加而受到了较大的影响，其房间工作区以上的区域温度也有所增加，房间内的热力分层依然保持基本不变。不同条件下，由于卷席作用，新风射流沿射流方向的速度逐渐减小，并且在射流轴线的两侧会出现回流区和漩涡。

四、结论

通过综上所述的分析可得，室内的温度梯度随开窗面积的减小而增加；新风射流轴线两侧会出现回流区及漩涡；由于射流的卷席作用，新风射流的轴心速度逐渐减小。

参考文献：

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