对自然通风作用下生态建筑热环境测试与数值模拟

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1、制冷空调RefrigerationAirConditioning专题研讨与电力机械&ElectricPowerMachinery自然通风作用下生态建筑热环境测试与数值模拟龙从勇,罗行,黄晨(上海理工大学,上海200093)摘要:以上海地区一实际生态建筑为例,进行一系列的实际测试,并以测试结果为边界条件,应用零方程模型进行了数值模拟。研究结果表明,利用数值模拟的方法能够很好地预测室内热环境,同时在过渡季节利用自然通风能有效地改善室内热环境,较好地满足舒适性要求。关键词:自然通风;生态建筑;数值模拟中图分类号:TU83文献标识码:A文章编号:1006-

2、8449(2007)06-0012-030引言随着可利用自然能源的日益紧张和科学技术的进本文以上海某一幢中庭式生态建筑为研究对象,2步,建筑开始朝着健康、节能、环保等方面发展,而自然其建筑总面积约为1900m,是一座南面两层半、北面通风的利用是其中一项重要的技术措施。自然通风不三层的斜屋面建筑。该建筑南面高11.4m,北面高消耗动力,从而减少能耗,降低污染,同时带来的新鲜14.7m,其中,建筑东半部和西半部各有一个中庭,本文空气对于人的生理和心理健康也更为有利。自然通风介绍的是以东半部为测试和模拟对象。东半部一层约2的产生是由于建筑开口(门窗等)处

3、存在着空气压力350m的大厅(东西向最大跨距为29.4m,南北向最大差,包括热压差和风压差,其大小不仅受室内外温差和跨距为19.2m)用于展示生态建筑新技术和新产品,其风力影响,还与建筑形式和布局有着密切关系[1]。余用作实验室及办公室。大厅中间有一个面积约为2对于在热压和风压作用下的自然通风,已有学者68m的梯形生态区,生态区以上为中庭部分,贯通整[2]个建筑。在实测时,开启北面顶端9扇排风窗,该排风作过专门的公式推导计算和理论分析。虽然利用这2窗每3扇连成一组,其开窗总面积为6.61m;同时开启种计算和分析比较简单直观,但是这种方法有它的局一层

4、展厅的北窗6扇作为进风窗,其开窗总面积为限性,不能详细说明建筑内空间环境场参数分布,以及26.5m。其建筑结构见图1。周围环境等因素对建筑通风的影响。随着CFD技术的发展,利用数值模拟方法就能够有效地预测这些影响1.2测试条件和测试仪器[3]因素,从而能减少人力和费用。更为重要的是,利用本次测定时间为2005-05-14、15、21、22共4天,数值模拟可以方便地对所涉及的参数进行更改,从而在测试过程中进行了多工况的全面测试,获得了较为为不同工况下的环境快速预测和分析提供可能。全面的测试数据。本文选取的测试工况为2005-05-14本文对上海地区一

5、生态建筑进行了自然通风作用日15:00~15:30。当时外部气象条件稳定,其外部环境下的室内热环境现场实测,并利用其实测结果,应用参数如表1。表12005-05-14室外环境参数Airpak软件进行了数值模拟,计算温度值和实测值吻室内环境测试过程项目参数值合得较好,研究结果同时还表明自然通风在过渡季节中,垂直温度采用带防辐室外平均风速,m/s3.6能有效地改善室内热环境,较好地满足舒适性要求。射屏蔽罩的T型热电偶平均风向,(°)150测定,实测数据通过日射量,W/m2291测试方法Anjelun采集仪集中采室外空气温度,℃15.6集。实测时,在水平

6、位置室外相对湿度,%71.1测试背景No.6/200712总第118期第28卷RefrigerationAirConditioning制冷空调专题研讨&ElectricPowerMachinery与电力机械测试数据通过Fluke采集仪集中采集。为使中心测点速度能够准确反映排风口平均风速,在测试前,首先对此测定方法进行检验。检验结果表明,经过修正的中心[4]点风速完全可以用来代替整个入口断面风速。经测3试,该生态建筑总排风量为4.41m/s。2室内热环境的数值模拟自然通风作用下的空气流动是由室外风压和进入室内的新鲜冷空气通过加热形成的热羽流共同作用下

7、产生的。因此,在数值模拟中选择合适的湍流模型来模拟这种自然对流和强迫对流同时存在的混合对流流动是保证模拟结果正确的关键。一些学者的分析和计算结果表明,在室内空气自然对流和强迫对流共存的混合对流状况下,采用MIT零方程模型能获得比k-ε湍[5~8]流模型更为快速准确的结果。鉴于此,计算中采用[9]了ChenQingyan等人提出的零方程湍流模型。[10]室内空气湍流流动的通用控制方程形式为:"(ρ$)+div(ρV!$-Γ&grad&)=S&(1)"t式中&—通用变量,代表流体的速度、温度(焓)等物理量;Γ&—与&对应的广义扩散系数;S&—与&对应的

8、广义源项;t—时间,s;3ρ—流体密度,kg/m;共布置有4组温度测点,分别为R1、R2、R3、R4。其中,V!—流体速度