劉顯成，朱國慶

(長江大學城市建設學院，湖北 荊州 434023)

1 引言

窗口屬于建筑的多開口結(jié)構(gòu)，在居民建筑中具有保溫功能、采光功能以及通風功能，在居民建筑外圍護結(jié)構(gòu)中，窗戶是外界與居民建筑之間進行能量交換時的脆弱環(huán)節(jié)[1]。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，建筑能耗中，由通風窗引起的能量損失約占總能量的百分之五十左右。尤其是在冬暖夏熱的地區(qū)，冬季時間較短，夏季時間長，全年太陽輻射強烈，氣溫偏高，通風窗成為居民建筑調(diào)節(jié)溫度的主要途徑，對其熱損失的仿真，可以有效降低建筑能耗，在建筑優(yōu)化設計中具有重要意義[2]。

文獻[3]以豫南山地民居典型院落的正屋為研究對象，結(jié)合PHOENICS軟件和ECOTECT軟件分析通風窗在室內(nèi)熱環(huán)境中產(chǎn)生的熱損失。文獻[4]根據(jù)外墻和外窗共同構(gòu)成的建筑外圍護結(jié)構(gòu)在不同窗墻面積比情況下，分析自然通風建筑室內(nèi)熱環(huán)境對二者保溫性能的敏感性不同。采用理論分析和數(shù)值計算相結(jié)合的方法，分析了外墻和外窗傳熱系數(shù)對夏季和冬季室內(nèi)熱環(huán)境的影響規(guī)律。并將數(shù)值計算方法與理論分析方法相結(jié)合，分析通風窗的熱損失。文獻[5]以管道為研究對象，提出一種橫流風中絕熱管道的熱損失模擬研究方法。對橫流風作用下水平管道(單管/多管結(jié)構(gòu))中的傳熱現(xiàn)象進行了綜合研究，以及通過實驗確定傳熱系數(shù)的試驗方法。在該研究中，對直徑為25mm和50mm的保溫鋼管的單管和多管配置上吹出的5m/s、10m/s和15m/s橫流風進行了檢查，以此為依據(jù)分析自然通風條件下管道的熱損失。以上傳統(tǒng)方法均沒有建立通風數(shù)理模型，無法獲取通風窗處自然通風的相關(guān)數(shù)值，導致計算與模擬結(jié)果與實際不符，方法的整體有效性仍需進一步優(yōu)化。

為解決上述方法中存在的問題，提出居民建筑室內(nèi)熱環(huán)境通風窗熱損失模擬方法。

2 通風數(shù)理模型

2.1 通風量計算

假設溫度在室內(nèi)分布均勻，根據(jù)靜力學考慮室內(nèi)壓力，結(jié)合伯努利方程[6]和連續(xù)性方程計算自然通風量。

假設自然風在通風窗處于穩(wěn)態(tài)流動狀態(tài)，修正風壓系數(shù)和流量系數(shù)，計算通風窗的孔口流量

(1)

式中，Qt代表通過通風窗的空氣總體積流量；ρ代表空氣密度；Cd代表流量系數(shù)；ΔPt代表壓差；Ao代表通風窗的開口面積。

2.2 熱壓作用下的自然通風通風量

用ΔPs表示熱壓作用下通風窗處的壓差，其計算公式如下

ΔPs=gH(ρo-ρi)

(2)

式中，H代表通風窗的開口高度差；ρo代表空氣在室外中的密度；ρi代表空氣在室內(nèi)中的密度。

單側(cè)通風量Qs在熱壓作用下的表達式如下

(3)

式中，ΔT描述居民建筑室外與室內(nèi)空氣溫度的差值；To代表熱力學溫度。

2.3 風壓作用下的自然通風通風量

溫差會影響熱壓通風，通常情況下溫度的測量較為簡單。湍流特征、風速特征和風向特征在自然通風情況下會對風壓產(chǎn)生影響，同時通風窗的開口尺寸和幾何特征等因素都會對風壓產(chǎn)生影響，因此計算風壓自然通風的難度較高。

如果居民建筑兩側(cè)都存在開口，在風壓通風情況下會生成貫流通風，即過堂風，可通過現(xiàn)有的公式計算流量和風壓。當居民建筑只存在一個開口時，計算過程較為復雜。

通風窗的開口、室外風向和室外風速等因素都會對風壓通風產(chǎn)生影響，在居民建筑單側(cè)開口情況下的通風窗自然通風量為Qw=0.025AeffU，其中Aeff代表通風窗的有效開口面積；U代表通風窗開口處的風速。

不考慮湍流產(chǎn)生的氣流流動，只對陣風產(chǎn)生的影響進行考慮，在陣風狀態(tài)下計算通風窗的通風量Qw

(4)

當自然通風量處于穩(wěn)定狀態(tài)時可通過上述模型進行計算，當自然通風量處于多變狀態(tài)下，可通過頻域方法和時域方法進行計算。

時域方法和頻域方法兩者之間可以轉(zhuǎn)換，差別較小，但缺少瞬時風壓數(shù)據(jù)是上述方法的弊端。

計算模型從計算方式的不同可以分為以下兩種：

1)第一種是采用伯努利方程修正穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下的風壓系數(shù)和通風流量系數(shù)，利用修正后的系數(shù)獲得壓差ΔPw在風壓作用下的表達式

(5)

式中，vo代表空氣在室外中的流動速度；Cpo代表通風窗出風口處對應的風壓系數(shù)；Cpi代表通風窗進風口處對應的風壓系數(shù)。

高度會影響風壓系數(shù)，窗墻比在現(xiàn)代居民建筑中通常較大[7，8]，通風窗通常情況下都采用大開口，此時如果還使用平均值計算方法對風壓系數(shù)進行計算，無法對居民建筑表面的實際風壓分布進行反映，會產(chǎn)生較大的誤差。

2)第二種是在自然風脈動特性的基礎上構(gòu)建計算模型，自然通風在風壓作用下通常會分為脈動氣流流動和平均氣流流動兩種，當居民建筑存在多個通風窗，且通風窗處的風壓存在差異時，平均氣流流動占據(jù)主導地位；當居民建筑只存在一個主要通風窗，或風壓在多個通風窗處都相同時，脈動氣流流動起主要作用。

2.4 風壓、熱壓共同作用下的自然通風通風量

根據(jù)上述分析，獲得內(nèi)外兩側(cè)通風窗開口處的全壓差ΔPt，其計算公式如下

(6)

結(jié)合上述公式，獲得下式

(7)

式中，ΔCpio代表進風口處的風壓系數(shù)與4出風口處的風壓系數(shù)的差值。對上式進行分析可知，通風窗的開口面積不對全壓差ΔPt產(chǎn)生影響。

在式(7)的基礎上，推導出下式

(8)

自然通風一般可以分為風壓作用下產(chǎn)生的自然風、熱壓作用下產(chǎn)生的自然風以及兩者共同作用下產(chǎn)生的自然風。在實際工程中可通過慣性力數(shù)量級和浮生力數(shù)量級判斷自然通風的類型。根據(jù)Ar數(shù)的大小，即強制對流和自然對流的大小，判斷自然風的驅(qū)動力，Ar數(shù)可通過下式計算得到

(9)

式中，l代表定性尺寸。

2.5 自然通風計算模型

1)物理模型

用qv表示居民建筑室內(nèi)的熱源強度；D×H表示居民建筑的尺寸；zNP表示地面與中和面之間的距離；zo表示地面與通窗口底部之間的距離；Ho代表通風口的高度。

空氣在開口斷面z處的密度為ρ(z)=ρ0+b0z，其中b0代表在垂直方向中空氣密度在開口斷面中的變化系數(shù)。

用Δρt(z)=ρt0+btz表示空氣紊流脈動產(chǎn)生的影響，其中，bt代表垂直方向中空氣紊流脈動作用對應的變化系數(shù)；ρt0代表壓差。

2)數(shù)學模型

在質(zhì)量守恒的基礎上獲得下式

(10)

式中，z1、z2均代表地面與斷面之間存在的距離；u1、u2均代表斷面對應的法向風速函數(shù)；v3、v4均代表斷面對應的法向速度。

在能量守恒原則的基礎上獲得下式

(11)

式中，t1、t2、t3、t4均代表溫度函數(shù)。

根據(jù)上述計算結(jié)果，獲得單位寬度通風窗的通風量Q

(12)

3 通風窗熱損失計算與模擬

3.1 通風窗熱損失計算

通風窗熱損失與室外溫度、室內(nèi)溫度和綜合傳熱系數(shù)相關(guān)，居民建筑在不打開通風窗的情況下保持溫度時，建筑基本耗熱量Qb即為圍護結(jié)構(gòu)的散熱量，一般包括兩個部分，分別是冷風滲透散熱和圍護結(jié)構(gòu)傳熱。開窗熱損失Qw通常情況下受通風換氣次數(shù)的影響，通風換氣次數(shù)越高熱損失越高，相反，通風換氣次數(shù)越少，熱損失越低。當室內(nèi)所需溫度小于居民建筑室內(nèi)的實際溫度時，就會產(chǎn)生偏高熱損失Qt。通風窗熱損失Q即為上述三種損失的總和，其計算公式如下

=KF(ta-to)+ΔKF(ta+Δta-to)+KFΔta

(13)

3.2 通風窗熱損失模擬

居民建筑室內(nèi)熱環(huán)境通風窗熱損失模擬方法通過AIRPAK3.1軟件對居民建筑室內(nèi)熱環(huán)境通風窗熱損失進行模擬。

AIRPAK3.1軟件可以模擬多種物理現(xiàn)象，包括空氣流動和物理傳熱等，與其它軟件的設計成本、設計風險和設計周期相比，AIRPAK3.1軟件具有極大的優(yōu)勢，被廣泛應用在電站通風、住宅通風、運輸通風等領(lǐng)域中。

采用AIRPAK3.1軟件對居民建筑室內(nèi)熱環(huán)境通風窗熱損失進行模擬，獲得通風窗處的速度場與溫度場。

圖1 速度場

圖2 溫度場

4 實驗與分析

為了驗證居民建筑室內(nèi)熱環(huán)境通風窗熱損失模擬方法的整體有效性，需要測試居民建筑室內(nèi)熱環(huán)境通風窗熱損失模擬方法的應用效果。構(gòu)建居民建筑室內(nèi)模型，模型參數(shù)及邊界條件如表1所示。

表1 居民建筑室內(nèi)模型參數(shù)及邊界條件

分別采用居民建筑室內(nèi)熱環(huán)境通風窗熱損失模擬方法、文獻[3]方法和文獻[4]方法對典型高度平面的溫度進行模擬，并將模擬結(jié)果與實際結(jié)果進行對比，測試結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同高度平面的溫度變化

對圖3進行分析可知，采用所提方法對1.2m、1.8m和0.2m高度通風窗的溫度進行模擬時，獲得的溫度模擬曲線與溫度實際變化曲線基本相符，采用文獻[3]方法模擬不同高度通風窗的溫度時，在不同時間內(nèi)獲得的溫度模擬值均低于溫度實際值，采用文獻[4]方法模擬不同高度通風窗的溫度時，在不同時間內(nèi)獲得的溫度模擬值均高于溫度實際值，經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)，所提方法可準確的模擬不同高度通風窗處的溫度，因為所提方法構(gòu)建了通風數(shù)理模型，在數(shù)理模型的基礎上模擬居民建筑室內(nèi)熱環(huán)境通風窗的溫度，提高了模擬結(jié)果的精準度。

在相同測試環(huán)境下，采用所提方法、文獻[3]方法和文獻[4]方法對居民建筑開窗通風和不開窗通風兩種情況下的通風窗熱損失進行計算，并將計算結(jié)果與實際結(jié)果進行對比，計算結(jié)果與實際結(jié)果的差值越小，表明方法的精準度越高，上述方法的測試結(jié)果如圖4所示。

圖4 通風窗熱損失計算結(jié)果

分析圖4可知，隨著時間推移，開窗通風和不開窗通風條件下的通風窗熱損失不斷增加，采用所提方法在以上兩種情況下計算通風窗熱損失時，獲得的計算結(jié)果與實際通風窗熱損失相符，采用文獻[3]方法和文獻[4]方法在以上兩種情況下對通風窗的熱損失計算時，獲得的計算結(jié)果與實際通風窗熱損失相差較大。經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)，所提方法可精準對居民建筑室內(nèi)熱環(huán)境通風窗熱損失進行計算，因為該方法構(gòu)建了通風數(shù)理模型，對不同情況下的自然通風進行分析，根據(jù)分析結(jié)果對通風窗熱損失進行計算，提高了計算結(jié)果的精準度。

5 結(jié)束語

在建筑業(yè)發(fā)展過程中，節(jié)能始終是一個發(fā)展目標。在不消耗能源的情況下，自然通風可以降低建筑能耗，帶走建筑室內(nèi)的潮濕氣體，降低建筑室內(nèi)的溫度，可以提高建筑室內(nèi)的環(huán)境舒適度。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，地理條件、氣象等因素都會對自然通風的穩(wěn)定性和可靠性產(chǎn)生影響，導致通風窗處產(chǎn)生熱損失，因此為了降低建筑能耗，需要對通風窗熱損失進行計算和模擬。目前方法無法實現(xiàn)居民建筑通風窗熱損失的計算和模擬，提出居民建筑室內(nèi)熱環(huán)境通風窗熱損失模擬方法，解決了傳統(tǒng)方法中存在的問題，為建筑業(yè)的發(fā)展提供了保障。