摘 要

摘要：基于多區(qū)域通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模型，根據(jù)熱壓作用下的自然通風(fēng)原理，建立了熱壓自然通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模型，探討了基本數(shù)學(xué)方程。結(jié)合算例，分析了某別墅建筑熱壓自然通風(fēng)量的計算過程。關(guān)鍵詞： 自

摘要：基于多區(qū)域通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模型，根據(jù)熱壓作用下的自然通風(fēng)原理，建立了熱壓自然通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模型，探討了基本數(shù)學(xué)方程。結(jié)合算例，分析了某別墅建筑熱壓自然通風(fēng)量的計算過程。

關(guān)鍵詞：  自然通風(fēng)；  熱壓；  風(fēng)壓；  多區(qū)域網(wǎng)絡(luò)模型

Network Model of Buoyancy-driven Natural Ventilation and Calculation Method of Ventilation Rate

Abstract：  According to the principle of buoyancy-driven natural ventilation，a network model for buoyancy-driven natural ventilation is developed based on the multi-zone network model for ventilation．The basic mathematical equation is discussed．The calculation of buoyancy—driven natural ventilation rate in a villa building is analyzed with a ease．

Key words：  natural ventilation；thermal buoyancy；  wind pressure；  multi-zone network model

有效利用通風(fēng)被視為降低建筑能耗的最簡單的手段之一^[1-5]。自然通風(fēng)是指利用自然手段(熱壓、風(fēng)壓等)促使空氣流動而進(jìn)行的通風(fēng)換氣方式^[6]。充分有效地利用自然通風(fēng)不僅能夠提高室內(nèi)空氣品質(zhì)，還能夠改善室內(nèi)熱濕環(huán)境，進(jìn)而降低機(jī)械通風(fēng)、空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運(yùn)行能耗^[7]。某些城市(如重慶)還將自然通風(fēng)作為有效的節(jié)能手段列入當(dāng)?shù)亟ㄖ?jié)能標(biāo)準(zhǔn)加以推廣。

自然通風(fēng)能力直接影響建筑能耗水平，自然通風(fēng)量是評價自然通風(fēng)能力的重要指標(biāo)，自然通風(fēng)計算主要是指自然通風(fēng)量的計算。風(fēng)壓作用下的自然通風(fēng)主要動力為室外風(fēng)場，而室外風(fēng)環(huán)境隨時間呈無規(guī)則變化，風(fēng)壓作用下的自然通風(fēng)量具有不穩(wěn)定性。當(dāng)建筑使用情況一定時，熱壓比風(fēng)壓穩(wěn)定，熱壓作用下的自然通風(fēng)量(以下簡稱熱壓自然通風(fēng)量)也比較穩(wěn)定。對于處在室外風(fēng)速很低的城市中心區(qū)建筑及別墅建筑，熱壓將成為建筑自然通風(fēng)的主要動力。筆者在對熱壓作用下的自然通風(fēng)(以下簡稱熱壓自然通風(fēng))原理進(jìn)行系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上，提出了一種基于多區(qū)域網(wǎng)絡(luò)模型的熱壓自然通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模型。本文對熱壓自然通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模型及熱壓自然通風(fēng)量的計算方法進(jìn)行探討。

1 多區(qū)域網(wǎng)絡(luò)模型

在建筑通風(fēng)的多區(qū)域網(wǎng)絡(luò)模型中，將能夠進(jìn)行相互通風(fēng)的所有建筑空間視為一個供空氣流通的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并認(rèn)為每個房間內(nèi)部的空氣具有均一的溫度、壓力、污染物濃度。將每個房間視為網(wǎng)絡(luò)中的一個節(jié)點(diǎn)，將各個房間之間的氣流通道視為網(wǎng)絡(luò)中的支路，將每個節(jié)點(diǎn)作為一個獨(dú)立的控制體，采用質(zhì)量、能量守恒等方程計算網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的空氣流量、壓力分布情況^[8-11]。

2 熱壓自然通風(fēng)

熱壓自然通風(fēng)是指由于不同溫度空氣間的密度差異產(chǎn)生自發(fā)空氣流動的通風(fēng)換氣方式^[6]。當(dāng)室內(nèi)空氣溫度高于室外空氣溫度，且不同高度存在開口時，空氣通過下部開口進(jìn)入，由上部開口流出。開口之間空氣流動動力(即熱壓)p的計算式為：

 

式中  p——熱壓，Pa

      g——重力加速度，m／s²

     Δh——兩個開口的高度差，m

      ρ_out——室外空氣密度，kg／m³

      ρ_in——室內(nèi)空氣密度，kg／m³

因此，兩個開口的高度差、室內(nèi)外溫度差是熱壓存在的兩個必要條件。廣州、重慶等大城市的中心區(qū)域近地面風(fēng)速較小，風(fēng)向不定，風(fēng)壓不穩(wěn)定^[12-13]。在這種情況下，熱壓成為影響自然通風(fēng)量的主要因素，應(yīng)給予足夠的重視。對于不同高度之間存在常開氣流通道的建筑，熱壓自然通風(fēng)量更是不容忽視。

3 熱壓自然通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模型

3．1 建立原則

根據(jù)多區(qū)域網(wǎng)絡(luò)模型的基本原理，確定熱壓自然通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模型的構(gòu)建原則。

節(jié)點(diǎn)：認(rèn)為建筑中各個可封閉的空間內(nèi)空氣的熱物理狀態(tài)相同。把門、窗、墻、樓板等圍護(hù)結(jié)構(gòu)組成的一個封閉空間作為網(wǎng)絡(luò)模型中的一個節(jié)點(diǎn)。若空間不能封閉，則可根據(jù)實(shí)際溫度進(jìn)行節(jié)點(diǎn)劃分，如豎向樓梯間，由于各層負(fù)荷及通風(fēng)情況不同且相互影響很小，因此應(yīng)按樓層劃分樓梯間節(jié)點(diǎn)。設(shè)定建筑外部空間所有空氣處于相同熱物理狀態(tài)，即視為一個節(jié)點(diǎn)(室外狀態(tài)節(jié)點(diǎn))。

支路：若兩個節(jié)點(diǎn)之間存在門、窗、孔洞等氣流通道，即認(rèn)為這兩個節(jié)點(diǎn)之間存在一條支路。

支路阻力：支路阻力由沿程阻力與局部阻力組成。

動力設(shè)置：熱壓自然通風(fēng)的動力來自空氣溫度差異產(chǎn)生的熱壓，當(dāng)兩點(diǎn)間空氣溫度差及高度差不變時，兩點(diǎn)間驅(qū)動空氣流動的熱壓為定值。此時，可以將熱壓視為虛擬的熱壓風(fēng)機(jī)，并認(rèn)為熱壓風(fēng)機(jī)作用在具有高度變化的支路上。

3．2 網(wǎng)絡(luò)模型的計算

采用肖益民設(shè)計的“環(huán)狀管網(wǎng)水力計算與水力工況分析軟件”進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)模型的計算。由于該軟件適用于具有動力裝置的通風(fēng)系統(tǒng)，因此將虛擬的熱壓風(fēng)機(jī)作為等效動力裝置^[14]。

3．3 基本數(shù)學(xué)方程

①支路熱壓

第k條支路熱壓p_k的計算式為：

 

式中  p_k——第五條支路的熱壓，Pa

     Δh_k——第k條支路的始末節(jié)點(diǎn)間計算高度差，m

②支路阻力

第k條支路阻力Δp_k的計算式為：

 

式中  Δp_k——第k條支路的阻力，Pa

       S_k——第k條支路的阻力數(shù)，Pa·m^-6·s²

       q_k——第k條支路的空氣流量，m³／s

③支路壓力平衡

第k條支路壓力平衡的表達(dá)式為：

 

④環(huán)狀管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)流量及回路壓力平衡方程第i個節(jié)點(diǎn)的流量平衡表達(dá)式為：

 

式中  r——第i個節(jié)點(diǎn)包含的支路數(shù)量

      q_i,n——第i個節(jié)點(diǎn)第n條支路的流量，m³／s

第j條回路壓力平衡表達(dá)式為：

 

式中  x_j——第j條回路包含的支路數(shù)量

      S_j,m——第j條回路第m條支路的阻力數(shù)，Pa·m^-6·s²

      q_j,m——第j條回路第m條支路的流量，m³／s

      y_j——第j條回路虛擬熱壓風(fēng)機(jī)數(shù)量

      p_j,m——第j條回路第m條支路的熱壓，Pa

由式(2)～(6)可解得網(wǎng)絡(luò)中任意支路的流量和流向。

4 算例

①建筑概況

以重慶市某別墅作為研究對象，進(jìn)行熱壓自然通風(fēng)量計算。該別墅共4層，地上2層，地下2層。負(fù)二層層高為3．1 m，負(fù)一層層高為2．9 m，一層層高為3．3m，二層層高為3．0 m，樓梯間高出屋頂2．6 m?？傉嫉孛娣e為197．7 m²，地上總建筑面積為213．5 m²，地下總建筑面積為240．5 m²。

該建筑物共有21個主要功能房間(包含衛(wèi)生間、車庫、儲藏室等)，兩個豎向氣流通道(樓梯間、中庭)。樓梯間是貫通負(fù)二層至屋頂?shù)娜诵型ǖ?。中庭從一層通至屋頂，類似于舊式建筑的天井，是與室外相通的空間。別墅的立體結(jié)構(gòu)見圖1，圖中各層標(biāo)高的單位為m。

 

 

②熱壓自然通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模型

考慮到自然通風(fēng)狀態(tài)下應(yīng)避免污染，因此不將衛(wèi)生間、廚房等存在污染源的房間列入熱壓自然通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模型。熱壓自然通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模型見圖2。熱壓自然通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模型中各節(jié)點(diǎn)代表的功能區(qū)見表l。其中節(jié)點(diǎn)23設(shè)在通風(fēng)井底面，節(jié)點(diǎn)20設(shè)在屋頂表面，其他節(jié)點(diǎn)均設(shè)在各層高度方向的中間位置。由此可知各節(jié)點(diǎn)的高度差。

 

③熱壓自然通風(fēng)量計算

根據(jù)門窗開啟的當(dāng)量直徑，門、窗的局部阻力系數(shù)取值范圍分別為l．56～2．10、2．37～2．50^[15]。樓梯間視為僅有沿程阻力無局部阻力的支路，粗糙度參照混凝土風(fēng)管，取3 mm，從而計算摩擦阻力系數(shù)^[16]。

自然通風(fēng)一般應(yīng)用于過渡季節(jié)，對室內(nèi)外空氣參數(shù)進(jìn)行設(shè)定：室內(nèi)空氣溫度為28℃，相對濕度為70％，密度為1．142 kg/m³，比焓為71．38 kJ／kg。室外空氣溫度為26℃，相對濕度為70％，密度為1．153 kg/m³，比焓為64．41 kJ／kg。忽略室內(nèi)外空氣相對濕度變化。

由圖2可知，共有7個支路具有高度變化(見表2)，因此在這7個支路上存在熱壓，計算結(jié)果見表2。

 

采用“環(huán)狀管網(wǎng)水力計算與水力工況分析軟件”完成各支路的熱壓自然通風(fēng)量計算。軟件使用方法為：a．輸入節(jié)點(diǎn)數(shù)量，為23個。b．輸入支路數(shù)量．為37條。c．輸入支路信息。設(shè)定各支路的氣流方向：對于存在熱壓的支路，氣流方向與熱壓正方向一致。對于無熱壓的支路，可任意設(shè)定氣流方向，最終的氣流方向可以由計算流量的正負(fù)判斷，計算流量為正代表實(shí)際氣流方向與設(shè)定氣流方向一致，計算流量為負(fù)代表實(shí)際氣流方向與設(shè)定氣流方向相反。并輸入各支路阻力數(shù)。d．輸入節(jié)點(diǎn)信息。各節(jié)點(diǎn)流量為0。e．熱壓輸入。將存在熱壓的支路及熱壓計算結(jié)果輸入軟件。f．利用軟件進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的水力計算。

最終得到各支路的熱壓自然通風(fēng)量、氣流方向(見圖3)，圖3中各數(shù)值的單位為m³／h。

 

由圖3可知，室外空氣從各門窗進(jìn)入，在室內(nèi)匯集，進(jìn)入樓梯間、中庭，最終從屋頂?shù)拈_口排出。負(fù)二層、負(fù)一層的進(jìn)風(fēng)都匯聚進(jìn)入樓梯間，由于一層有通風(fēng)良好的中庭，因此一部分氣流從樓梯間流出進(jìn)入中庭。由二層進(jìn)入的風(fēng)量一部分進(jìn)入樓梯間，另一部分進(jìn)入中庭。

由熱壓自然通風(fēng)量計算結(jié)果可知，與室外相通的門窗均為進(jìn)風(fēng)，屋頂樓梯間、屋頂中庭出口均為出風(fēng)，樓梯間和中庭成為主要的通風(fēng)通道。中庭內(nèi)熱壓自然通風(fēng)量為6 000～8 000 m³／h，對建筑物的自然通風(fēng)貢獻(xiàn)明顯。而人員停留時間較長的客廳、臥室的熱壓自然通風(fēng)量較小。

5 結(jié)語

基于多區(qū)域網(wǎng)絡(luò)理論構(gòu)建的熱壓自然通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模型，實(shí)現(xiàn)了熱壓自然通風(fēng)量的計算，彌補(bǔ)了現(xiàn)有自然通風(fēng)模擬軟件無法計算熱壓自然通風(fēng)量的不足。

該模型仍存在一定的局限性：需對室內(nèi)外溫度進(jìn)行設(shè)定，以室、內(nèi)外某一特定溫度參數(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行計算，未考慮室內(nèi)外空氣溫度的動態(tài)變化。由于門窗類型過多，各類門窗準(zhǔn)確的局部阻力系數(shù)無法查得。因此，熱壓自然通風(fēng)量的精準(zhǔn)計算仍需深入研究。

 

參考文獻(xiàn)：

[1] 隋學(xué)敏，官燕玲，李安桂，等．內(nèi)部熱源高度對熱壓自然通風(fēng)流場的影響[J]．煤氣與熱力，2008，28(2)：A14-Al7．

[2] FORDHAM M．Natural ventilation[J]．Renewable Energy，2000(19)：17-37．

[3] KHANAL R，LEI Chengwan9．Solar chimney-A passive strategy for natural ventilation[J]．Energy and Buildings，2011，43(8)：1811-1819．

[4] 陳其針，喻偉，劉猛，等．重慶居住建筑自然通風(fēng)適用性分析[J]．煤氣與熱力，2009，29(11)：A22-A25．

[5] 丁勇，蘇瑩瑩，李百戰(zhàn)，等．全新風(fēng)機(jī)械通風(fēng)在重慶地區(qū)的應(yīng)用[J]．煤氣與熱力，201 1，31(2)：Al8-A21．

[6] 朱穎心．建筑環(huán)境學(xué)[M]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005：183-190．

[7] 鐘立軍，曾藝君．建筑的自然通風(fēng)設(shè)計淺析[J]．重慶建筑大學(xué)學(xué)報，2004，26(2)：18-21．

[8] 姜國義，楊克國，金新陽，等．室內(nèi)自然通風(fēng)模擬分析軟件NVAS的研究[C]//第十四屆全國工程設(shè)計計算機(jī)應(yīng)用學(xué)術(shù)會議論文集．杭州：中國土木工程師協(xié)會，2008：435-439．

[9] 牛天才．居住建筑自然通風(fēng)輔助設(shè)計工具及其應(yīng)用(碩士學(xué)位論文)[D]．兩安：兩安建筑科技大學(xué)，2008：9-12．

[10] 丁力行，于宏，劉廣海．國外滲風(fēng)氣流模型研究概況[J]．建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，2005，24(1)：28-31．

[11] 王怡，劉加平．居住建筑自然通風(fēng)房間熱環(huán)境模擬方法分析[J]．建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，2004，23(3)：1-4．

[12] 馮嫻慧，魏清泉．廣州城市近地風(fēng)場特征研究[J]．生態(tài)環(huán)境學(xué)報，2011，20(10)：1558-1561．

[13] 戴安國．重慶城市風(fēng)場特征[J]．重慶環(huán)境科學(xué)，1992，14(3)：33-36．

[14] 付祥釗．流體輸配管網(wǎng)[M]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005：185-194．

[15] 孫一堅．簡明通風(fēng)設(shè)計手冊[M]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，1997：65．

[16] 陸耀慶．實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計手冊[M]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008：562-564．

 

本文作者：付祥釗   檀姊靜

作者單位：重慶大學(xué)城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院