劉美歐

（西安美術(shù)學(xué)院，西安710000）

1 引言

目前，可持續(xù)發(fā)展理念日益深入人心，建筑節(jié)能技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，而自然通風(fēng)技術(shù)在節(jié)能和舒適的雙重要求下具有較高的研究?jī)r(jià)值。建筑設(shè)計(jì)中，一般從建筑朝向、外型、內(nèi)部空間布局等因素影響自然通風(fēng)的效果，同時(shí)，要避免冬季冷風(fēng)向建筑室內(nèi)的滲透。通過(guò)氣流組織、建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方法在不消耗能源或減少消耗不可再生能源的前提下，改善室內(nèi)空氣品質(zhì)，調(diào)節(jié)室內(nèi)熱環(huán)境舒適度，利用室外自然空氣流動(dòng)創(chuàng)造更為舒適的居住體驗(yàn)[1]。

2 自然通風(fēng)研究模擬模型

建筑自然通風(fēng)是通過(guò)建筑開(kāi)口處的室內(nèi)外存在的空氣壓力差，即風(fēng)壓和熱壓實(shí)現(xiàn)。本文通過(guò)建立自然通風(fēng)模擬模型，對(duì)開(kāi)風(fēng)口高度小于房間高度的單區(qū)建筑（考慮開(kāi)有2個(gè)小風(fēng)口）進(jìn)行研究，運(yùn)用流體力學(xué)對(duì)多種自然通風(fēng)狀態(tài)進(jìn)行理論研究和分析，并設(shè)定研究前置條件，以單一點(diǎn)熱源進(jìn)行考慮，2個(gè)建筑風(fēng)口在風(fēng)壓與熱壓共同作用下產(chǎn)生空氣流動(dòng)，在無(wú)量綱風(fēng)壓與熱壓作用條件相同的情況下，具有穩(wěn)態(tài)解且唯一；在無(wú)量綱風(fēng)壓與熱壓的共同作用條件相反的情況下，具有2個(gè)穩(wěn)態(tài)解。

由于風(fēng)壓與熱壓共同對(duì)自然通風(fēng)產(chǎn)生影響，當(dāng)雙重壓力不足時(shí)，需要補(bǔ)充機(jī)械通風(fēng)，此時(shí)，壓力場(chǎng)隨之發(fā)生變化，產(chǎn)生了多種氣流流動(dòng)模式。不同的建筑類型具有不同特點(diǎn)的風(fēng)洞開(kāi)口，某些窗墻較大的公共建筑，其開(kāi)洞的大風(fēng)口通過(guò)氣流通常為冷空氣，由風(fēng)口的下部流進(jìn)室內(nèi)，熱空氣則由風(fēng)口的上部流到室外，形成雙向流動(dòng)，因此，設(shè)計(jì)難度較大，研究方法更為復(fù)雜。通過(guò)多種研究工具和設(shè)計(jì)方法深入研究風(fēng)壓與熱壓雙重作用下的自然通風(fēng)的多解問(wèn)題，并拓展研究?jī)蓞^(qū)建筑的自然通風(fēng)情況。

3 自然通風(fēng)研究方法

3.1 風(fēng)洞模型試驗(yàn)

以相似性理論為依據(jù)，通過(guò)建立建筑物表面及周邊環(huán)境的壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)計(jì)算風(fēng)壓系數(shù)，通過(guò)對(duì)模型試驗(yàn)的測(cè)試數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)建筑的自然通風(fēng)特性，歸納自然界與工程模型的共性與個(gè)性，得出建筑的自然通風(fēng)屬性。

3.2 示蹤氣體測(cè)量

示蹤氣體測(cè)量包括2種常用方法：（1）濃度定值法，簡(jiǎn)單理解為在示蹤氣體濃度恒定條件下，測(cè)算在驅(qū)動(dòng)方式發(fā)生改變時(shí)氣體注入量的變化，對(duì)相應(yīng)通風(fēng)問(wèn)題進(jìn)行處理，解決如空氣滲透和自然通風(fēng)組織等問(wèn)題；（2）衰減法，即在示蹤氣體注入量恒定時(shí)，擴(kuò)散在測(cè)試房間而產(chǎn)生濃度的衰減程度，從而對(duì)自然通風(fēng)量進(jìn)行預(yù)測(cè)。

3.3 熱浮力實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

熱浮力實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ桶ㄒ韵?種技術(shù)方法：（1）鹽水實(shí)驗(yàn)?zāi)M法，基于相似原理和模擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)預(yù)測(cè)空氣運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，利用空氣的運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù)建立縮尺模型，用鹽水在清水中的運(yùn)動(dòng)及擴(kuò)散模擬熱羽流動(dòng)，用建立的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ湍M預(yù)測(cè)自然通風(fēng)室內(nèi)熱分層的溫度分布和通風(fēng)量的變化狀態(tài)；（2）氣泡模擬技術(shù)通電裝置由陰極產(chǎn)生的氣泡模擬熱源分布狀態(tài)，在忽略熱特性的前提條件下模擬點(diǎn)源、線源和垂直熱源的分布狀態(tài)進(jìn)行分析；（3）水模型系統(tǒng)，將水流作為介質(zhì)，由加熱裝置產(chǎn)生的熱浮力驅(qū)動(dòng)水流動(dòng)介質(zhì)模擬自然通風(fēng)狀態(tài)；（4）氣體模型系統(tǒng)將氣體流動(dòng)作為介質(zhì)，熱浮力由加熱裝置產(chǎn)生，驅(qū)動(dòng)氣體流動(dòng)介質(zhì)模擬自然通風(fēng)。

3.4 微觀數(shù)值模擬法

微觀數(shù)值模擬法是將空間分割成足夠小的控制體，把掌控空氣流動(dòng)的連續(xù)微分方程組用有限差分或有限元進(jìn)行離散，并將得到的非連續(xù)的代數(shù)方程組代入具體的邊界條件計(jì)算解出離散得到的代數(shù)方程組，并認(rèn)為離散值對(duì)整個(gè)房間內(nèi)空氣的分布狀況可以進(jìn)行描述，也可認(rèn)為是流場(chǎng)情況較為清楚的描述。

3.5 區(qū)域模型法

區(qū)域模型方法是將測(cè)試房間分割成若干限定好的宏觀區(qū)域，并認(rèn)定各個(gè)宏觀區(qū)域具有相同的溫度、濃度等參數(shù)指標(biāo)，利用區(qū)域間由于熱質(zhì)交換產(chǎn)生的流動(dòng)和壓差的關(guān)系，并建立能量和質(zhì)量守恒方程，利用SPARK，COMIS和CONTAM等嵌套在氣流分析和多區(qū)建筑能源的軟件，模擬室內(nèi)溫度分布情況和自然通風(fēng)量。

4 自然通風(fēng)設(shè)計(jì)研究工具

模擬熱性能分析和自然通風(fēng)系統(tǒng)的主要軟件包括:COMIS，CONTAMW，Lesocool，NatVent，ESP-r，F(xiàn)luent，F(xiàn)lovent，MIX，NewQUICK，CHEMIX，BREEZE，TRNSYS，BLAST，Energy Plus等。在研究過(guò)程中，要選擇適合的軟件進(jìn)行模擬測(cè)試，將流體流動(dòng)和能量分析等模擬軟件應(yīng)用到自然通風(fēng)的設(shè)計(jì)過(guò)程，盡量彌補(bǔ)各軟件在熱傳遞和自然通風(fēng)的相互影響下的局限性，不斷深入設(shè)計(jì)更適用于自然通風(fēng)的研究軟件。

4.1 順序耦合(sequential coupling)

設(shè)定一定的室內(nèi)溫度，并代入流動(dòng)模型方程，算出準(zhǔn)確的通風(fēng)量，將此通風(fēng)流量應(yīng)用到熱模型方程，從而得到溫度值，得到結(jié)果即為最終結(jié)果，此方法得到計(jì)算結(jié)果誤差很大。

4.2 pi ng-pong耦合

設(shè)定恰當(dāng)?shù)臅r(shí)間步長(zhǎng)，設(shè)定首個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)的室內(nèi)溫度，代入流動(dòng)模型方程測(cè)算準(zhǔn)確的通風(fēng)量，將通風(fēng)流量用于熱模型方程中，從而得到溫度值，繼續(xù)用于流動(dòng)模型方程，將第二個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)的通風(fēng)量計(jì)算出來(lái)，依法遞推計(jì)算，此法計(jì)算迅速，得到計(jì)算結(jié)果誤差較大。

4.3 oni ons耦合

通過(guò)對(duì)各個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)的熱模型方程和流動(dòng)模型方程反復(fù)多次迭代計(jì)算，得到最終結(jié)果為止，再進(jìn)入下一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)，再次迭代計(jì)算，以此類推，此法計(jì)算較慢，得到計(jì)算結(jié)果誤差相對(duì)較小[2]。

4.4 直接耦合

合并流動(dòng)模型方程和熱模型方程組成熱傳遞過(guò)程控制方程組，計(jì)算求解2個(gè)方程，求得的計(jì)算結(jié)果相對(duì)精確。

5 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)代建筑通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)基于“建筑密閉性好、通風(fēng)策略正確”的原則，為建筑物內(nèi)的使用者提供良好的空氣品質(zhì)和舒適的內(nèi)部環(huán)境，并且盡可能高效地利用能源。運(yùn)用數(shù)據(jù)模擬和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，將測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比對(duì)的方法，期望得出室內(nèi)熱舒適性和氣流組織分布特性分析的研究成果。應(yīng)用數(shù)值模擬法和實(shí)驗(yàn)法對(duì)自然通風(fēng)技術(shù)進(jìn)行研究，在自然通風(fēng)系統(tǒng)中使用Lesocool，CONTAMW，COMIS，NatVent等流體流動(dòng)仿真模擬軟件和 BLAST，EnergyPlus，TRNSYS，F(xiàn)loTHERM 等熱仿真模型軟件，將溫度與通風(fēng)量相互影響，并與不同模擬軟件的耦合關(guān)系相關(guān)聯(lián)進(jìn)行研究。由于研究方法基本是運(yùn)用多種模型簡(jiǎn)單模擬取得的實(shí)驗(yàn)成果和理論論證，故而研究方法還有其局限性，通過(guò)工程實(shí)際取得測(cè)試數(shù)據(jù)與理想實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相比對(duì)將具有一定的拓展價(jià)值。