某双层玻璃幕墙建筑自然通风的数值模拟研究

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1、某双层玻璃幕墙建筑自然通风的数值模拟研究黄艳刘东杨建坤张恩泽摘要：根据双层玻璃幕墙建筑的特殊热环境，提出过渡季节采用自然通风的方式，确定了建筑围护结构的开口方式和开口大小，使各楼层的空气温度都在热舒适范围内；应用CFD数值模拟方法对各楼层房间的三维温度场，速度场进行了模拟，研究结果表明，利用自然通风能够有效地改善室内热环境，较好地满足人体热舒适的要求。关键词：自然通风数值模拟中庭1.引言空调的应用为人们创造了舒适的室内环境，但也带来了一些问题；首先，空调建筑的密闭性较好，当新风量不足时，室内空气品质（IAQ）恶化会导致病态建筑综合症（SBA）；其次

2、，大量的空调器加剧了城市热岛效应，造成室外空气热环境恶化；再次，空调器的普及使建筑能耗有较大的增长趋势。因此随着可持续发展8战略的提出，同时发展生态建筑也是大势所趋，自然通风这项古老的技术重新得到了重视。合理利用自然通风能取代或部分取代传统制冷空调系统，不仅能不消耗不可再生能源实现有效被动式制冷，改善室内热环境；而且能提供新鲜、清洁的自然空气，改善室内空气品质，有利于人的身体健康，满足人们心理上亲近自然，回归自然的需求。采用双层玻璃幕墙可以进行有效的自然通风。双层玻璃幕墙又称动态幕墙，两层玻璃之间的距离为20mm～500mm，利用“烟囱、热流道”效

3、应，气流在两层玻璃幕墙中间由下向上循环，带走外面一层玻璃幕墙太阳辐射的能量，达到隔热、保温、节能、环保的功效。按照不同的通风原理双层玻璃幕墙可分为：整体式、廊道式、通道式和箱体式。双层玻璃幕墙具有多项功能：减少风及恶劣气候的影响、提高隔音能力、充分利用太阳能、使用自然通风使空调使用率降至最低。本文主要研究其自然通风的功能及效果。2.研究对象及技术路线2.1研究对象本文中研究对象为采用双层玻璃幕墙带中庭的办公建筑，共6层，外形结构见图1，幕墙结构见图2：图1建筑外形图　图2廊道式双层幕墙局部放大图该幕墙为廊道式双层幕墙，每层设置通风道，层间水平有分隔

4、，无垂直换气通道，自然通风的路径为：这类建筑室内环境易受太阳辐射影响，同时其空间高度高，上下温差大，这对预测带来很大困难，随着计算8机及流体力学的发展，三维CFD模拟技术得到广泛应用，它即可以满足大型建筑多空间多开口的自然通风设计要求，又能精确预测各设计室内的空气速度场和温度分布，因此本文在满足顶层室内热环境的基础上设计了屋顶排风天窗面积，并在此基础上利用CFD对该建筑的局部房间室内热环境进行了数值模拟。2.2技术路线自然通风一般采用风压或者热压，中庭建筑的“烟囱效应”就是利用建筑内部的热压作用，由于室外风速和风向是经常变化的，因而风压作用不是一个

5、可靠的稳定因素，所以本文进行模拟计算时进行了简化，仅考虑热压下的自然通风。热压通风，是利用建筑内部由于空气密度不同，热空气趋于上升，而冷空气趋向下降的特点。热压作用与进风口和出风口的高度差，以及室内外空气温度差存在着密切的关系：高度差愈大，温度差愈大，则热压通风的效果愈明显。因而大楼各楼层（共6层）的进风量随楼层高度的增加而减小，基于这种情况考虑，在满足6楼室内热环境的要求下，设计屋顶侧窗面积。基本技术路线见图3：图3基本技术路线3.房间的计算数学模型3.1物理模型（a）(b)(c)图4计算物理模型a:一个通风口b:两个通风口c:整条通风口如图房间

6、长11.1m，宽8.4m，高2.9m；房间内发热量包括人员、灯光及设备，8图中3个长方体代表房间的人员及设备，顶部设9盏灯；图形左下角为三个双层玻璃幕墙进风口，均为1400mm×300mm,房间右上侧为通风口，通风口面积见表1。3.2基本参数计算3.2.1计算室外气温为20℃时，6楼达到热舒适性要求的最低进口风速（1）式中：—6楼的室内发热量，W;—空气比热，=1010J/kg.℃;—室外空气的密度，温度为20℃，kg/m3;—通风气流的温度差,℃;—6楼的进风口面积,m2.计算得到m/s3.2.2计算中和面的高度根据（2）式中：－进风窗

7、口的流量系数（取0.35）;－室内外空气的密度差,kg/m3;－顶层进风口的中心高度,m;—中和面的高度,m.计算得到m根据中和面高度计算各楼层进风速度，并根据回风口风速范围[3]计算房间通风口面积,计算结果如表1所示：表1各楼层进风速度及房间通风口面积楼层2楼3楼4楼5楼6楼进风速度(m/s)0.7720.6830.5810.4570.299房间通风口面积(mm×mm)1000×400800×400800×400800×400800×250注：1楼为开放式大堂3.3控制方程模拟房间内的气

8、流属于非稳态的三维不可压缩紊流流动，因此在计算中采用当前在计算房间气流时最常用的模型。模型所遵守的偏微分方程的向量表示如下