自然通风技术研究方法及工具魏景姝,赵加宁,高军(哈尔滨工业大学,哈尔滨150001)摘要:目前自然通风主要有三种研究方法:简单的理论分析法、实验法和数值模拟法。
本文概括介绍了后两种方法的研究现状,并对它们进行了分析比较,提出各种方法的适用场合。
在数值模拟法中还介绍了几种可用于分析自然通风系统的通风特性和热特性的常用工具软件,对各自工作原理和应用特点进行了比较,并对使用方法和应用场合提出了建议。
关键词:自然通风;研究方法;工具中图分类号:TU834.1文献标识码:B文章编号:1009-3230(2006)07-0001-05research method and tools of natural ventilation technolotyWEI Jing-shu,ZHAO Jia-ning,GAO Yun(Harbin Institute of Technology,Harbin,150001)Abstract:There are three main research methods in natural ventilation:simple theory analyse method, e xperimental method and numerical simulation method.the research state of la ter two me thods are intro-duced in this paper,and comparisons are also made,and application range are also proposed.Some active tool software which can be used in analyse of characteristics of natural ventilation with numerical simulation method are parisons of their operating principle and application charac teristics are made, and suggestions are also proposed in application of it.Key words:natural ventilation;research way;tool0引言自然通风,作为一种古老的技术,不消耗任何机械能,是一种经济实用的通风方式,它既能满足室内舒适条件,改善室内空气品质,又能实现有效被动式制冷,达到节约能源目的。
近年来,随着能源紧张、环境恶化问题的日益凸现,全球科学家,特别是欧洲科学家越来越重视对自然通风技术的研究。
而且,现代人类对自然通风的利用已经不满足于以前开窗、开门通风,而是致力于研究如何收稿日期:2006-06-17修订稿日期:2006-06-29基金项目:本项目由北京市/供热、供燃气、通风及空调工程0重点实验室资助。
作者简介:魏景姝(1981~),女,在读硕士研究生,哈尔滨工业大学二校区海河路2207信箱。
充分利用室内外条件来组织和诱导自然通风,使其达到最佳通风效果。
对自然通风技术的研究方法进行了回顾和分析,并对其进行了比较,希望能对我国自然通风的深入研究有一定的参考。
1自然通风研究方法1.1实验法1.1.1模型实验法模型实验法的原理是相似性原理,它是在按比例缩小的模型上模拟建筑表面及建筑周围的压力场和速度场,以及确定风压系数,预测自然通风性能。
它不需依赖经验理论,是最为可靠的方法,但也是最昂贵、周期最长的方法。
搭建实验模型耗资很大,一般地单个实验通常耗资3000-20000美元,而对于不同的条件,可能还需要多个实验,耗资更多,周期也长达数月以上。
因此模型实验一般只用于要求预测结果很准确的情况。
文献[3]中利用风洞模型实验测定了贯流通风的全面通风速度和建筑通风口出的压力分布。
文献[4]中利用风洞模型估计了连续垂直挡风玻璃沿风向上对风速衰减的影响。
这样的测量结果对了解实际房间流动情况有很好的指导意义。
但是除了以上提到的耗费高、周期长等问题外,由于实验技术和测量仪器的限制,模型实验还不能对所有参数进行测量,如一些湍流的脉动参数;基于同样的理由,模型也难以对各种条件进行实测。
文献[5]还指出模型实验难以对参数影响的敏感性进行分析。
1.1.2示踪气体测量法示踪气体测量法可以预测建筑通风量和气流分布,分为定浓度法和衰减法两种。
所谓定浓度法,就是在测试期间,保持所有测试房间的示踪气体浓度不变,而改变示踪气体注射量,它可用来处理驱动力发生改变的通风问题,如渗透问题和自然通风。
而衰减法是指想测试房间注入一定量的示踪气体,随着示踪气体在测试房间的扩散,示踪气体的浓度成衰减趋势。
用作示踪的气体一般为无色无味的惰性气体,这样得到的测量结果比较精确,而且测试方法比较简单,标气源广,便于推广使用。
在自然通风中可以用该方法预测自然通风量、换气次数、分析气体分布等情况。
如文献[6]中用示踪气体浓度衰减法对莫会议室的自然通风作了实测研究,分析了影响换气次数的各种因素、示踪气体浓度衰减法的有效性及其正确应用,揭示出不同的房间布置及不同的门窗开启情况对换气次数有很大影响。
1.1.3热浮力实验模型技术用热浮力实验模型技术模拟热压驱动的自然通风的物理过程比较直观。
目前主要有四种技术:带有加热装置的气体模型系统;带有加热装置的水模型系统;盐水模型系统;气泡技术系统。
气体模型系统以空气或其它气体作为流动介质,有固定的加热系统产生热浮力。
水模型系统以水作为流动介质,也有固定的加热装置产生热浮力。
在这两种系统中,如果相关的相似条件都可以满足,它们可以精确模拟建筑通风,但是加热装置很难操作。
盐水模型系统利用盐水的浓度差产生类似于热羽流的流动,现在已被广泛用于模拟建筑通风,但需要较大的蓄水池和不断补充盐水。
气泡技术系统是一种简单、经济、小巧的系统,由电路的阴极产生气泡以模拟热羽运动,可以模拟点源、线源及垂直热源的情况。
其缺点是不能模拟建筑热特性对自然通风的影响。
对风压与热压共同驱动的自然通风的实验模拟较复杂,可以通过改进这四种模拟方法或综合这四种模拟法使之能模拟二例共同驱动的自然通风。
文献[9]中应用气泡模型模拟了点源和线源置换式自然通风的通风和分层现象,模拟结果中分界面位置与实验所得数据和理论估计值充分吻合。
1.2数值模拟法1.2.1多区域空气流动网络模型法多区域空气流动网络模型法从宏观角度研究,把整个建筑物作为一个系统,而其中每一个房间为一个网络节点,假设每个房间的气流都充分混合,认为房间内的气流速度、温度、浓度等都分布均匀,各区通过通风路径如窗户、门、缝隙等与其它区域相连,形成网络,利用质量、能量守恒等方程对整个建筑物的空气流动、压力分布和污染物的传播情况进行研究。
如果内部开口相当大,建筑可视为一个单区,即单区域模型法。
多区域网络模型法所需输入的数据应包括:气象数据(风速、风向、建筑周围压力场以及室外温度)、开口数据(内外开口、缝隙的尺寸和位置)等。
各区利用物质守恒定律得到一系列非线性方程,解方程的数值方法可采用迭代法,如牛顿Ne wton-Raphson 方法或松弛法加速其收敛。
近年来,许多多区域网络模型程序得以发展,但由于多区域空气流动网络模型法不考虑房间内部的空气流动形态对自然通风效果的影响,所以无法给出房间内部的空气详细流动情况分析。
但对于设计初期,设计者用多区域空气流动网络模型法宏观预测建筑物自然通风量,调整通风策略是有效且实用的。
美国、英国等国家对网络模型法的研究和开发起步较早,且已发展到较为成熟的阶段,国外广泛应用的有五个网络模型B¹AIDA单区模型;ºLBL单区模型;»AI OLOS多区模型;¼C OMIS多区模型;½CONTAM多区模型。
其中由美国NIST(National Institute of Standards and Technology)下属的建筑和火灾研究实验室开发的CONTAM21结合了工具LoopDA(Loop Designand Analysis),LoopDA和CONTAM一样为设计者提供了友好的图形界面,能使设计者把建筑结构通过示意性图形表示出来,然后在建筑示意图形中定义空气流通途径。
LoopDA可用来指导设计者对自然通风开口尺寸设计和不同条件下的特性分析。
然而多区域网络模型法本身有两个难点问题B首先是计算自然通风量时对风压系数和流量系数等计算参数的选择;其次是由于多区域网络模型法认为各个区具有恒定的空气参数,而像中庭这类高大空间温度分层影响很大,恒定空气参数的假设会导致计算结果误差较大。
1.2.2区域模型法许多文献中介绍的区域模型方法与多区域网络模型方法相同,实际上多区域网络模型法由于认为房间内的气流速度、温度、浓度等都分布均匀而过分简化了系统,产生很大误差,尤其是在处理热压驱动的自然通风等室内温度产生明显分层的情况时误差很大,但是区域模型法在一定程度上弥补了这个不足。
区域模型法的基本思想是B将房间划分为一些有限的宏观区域,认为区域的相关参数如温度、浓度等相等,而区域间存在热质交换,通过建立质量和能量守恒方程并分析考虑了区域间压差和流动的关系来研究房间内的温度分布及流动情况。
它与网络模型法的主要区别在于射流、热羽流、热分层等理论的不同运用。
该方法比网络模型法复杂和精确,但比C FD法简单。
它可嵌套在多区建筑能源和气流分析软件中,如SPARK, COMIS和C ONTAM中预测气流及温度分步。
1.2.3CFD(Computational Fluid Dynamics)法CFD模型用于模拟计算室内气流速度、温度和污染物浓度分布。
近年来,该方法在室内气流研究领域被广泛接受。
该模型将房间划分为大量网格,每个网格分别列出质量、动量、能量、紊流度和污染物浓度平衡方程。
把控制空气流动的连续微分方程组通过有限差分或有限元方法离散为非连续的代数方程组,并结合实际的边界条件在计算机上求解离散所得的代数方程组,可以得到各网格的压力、气流速度、温度和污染物浓度。
只要划分的控制体足够小,就可认为离散区域的离散值代表整个房间内空气分布情况。
研究结果表明,在一定条件下,对于实验房间采用不同的通风系统,C FD模型预测结果与实验结果吻合良好,而且通过CFD可以实现一些实验中达不到的条件,如Nyuk Hien Wong,Sani Heryanto将风洞试验与CFD模拟相结合分析自然通风在新加坡居住建筑中的应用,由于风洞试验不能提供气流在单位区间内的详细变化情况,因此借助CFD技术,改变不同的边界条件如缝隙位置、大下,门窗开启情况等,通过32次模拟分析比较得到了满意的结果。