自然通风的设计策略及模拟分析

时形成穿越式通风， 如图 $。穿越式通风由于气流从房 间一侧到另一侧“扫”过， 其径深比单侧通风时要大， 一般最大有效径深大约为层高的 4 倍 /10。此时驱动力 主要是风压，但只要在进风口和出风口间有明显的高 差， 热压也有较明显的作用。表 ! 是 536789:;’, 对欧 洲某一建筑关于穿越式通风和没有烟囱效应的单侧 通风情况通风率的比较，可以看出穿越式通风房间每 小时的换气次数最高可以达到 #!4 次，而没有烟囱效 应的单侧通风房间每小时换气次数只相当于穿越式 通风房间的五分之一 /40。但当穿越式通风气流通过房 间时， 气流在居住者活动区流过带走热， 因此要取得有 效穿越式通风在径深上有一定的限制。
摘
要： 介绍了自然通风的设计策略， 阐述了采用网络法、 计算流体力学（>?@ ）及区域模型法（ABC*DEFBGHD）对
自然通风的模拟分析， 说明了 >?@ 中直接数值模拟（@I! ） 、 雷诺平均纳维尔 = 斯托克斯方程（JKL!） 、 大涡模 这三种形式的特点， 最后提出了自然通风的设计策略选择和模拟分析中应注意的几个问题。 拟（MN! ） 关键词： 自然通风 设计策略 网络法 计算流体力学 区域模型
第 ;9 卷第 s 期 ;77j 年 67 月 文章编号： （ ;33: ） 673/839:: 3<=3/3=<
建 筑 热 能 通 风 空 调
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自然通风的设计策略及模拟分析
龚波
（西南交通大学机械工程学院）
就需要一个智能控制策略使混合通风系统来最小化 能耗和获得最优质的室内空气品质及热舒适。混合通 风系统的设计除了对建筑设计， 建筑外部条件及内部 条件等因素的考虑外， 还需要借助先进的设计工具来 分析和模拟建筑内气流模式和能量分配， 通常动力建 筑热模型（ ./0+,12%3415)106"7*8(,+5"#’)859 ）和 计 算 都被应用到 流体力学（:’,;4<+<1’0+5"&541)"./0+,129 ） 混合通风设计中。
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!"""" 引言
随着 !"#! 侵袭后人们对健康通风的渴求和可持 续化绿色建筑的提出， 自然通风的优越性越来越受到 高度重视。但建筑所处地区的地域性气候条件， 建筑 布局等因素， 为自然通风的应用提出了挑战。因此在 分析了建筑所处地域性气候条件后， 针对建筑模式的 特点， 选择合理的自然通风设计策略， 并借助先进的 计算机技术对其进行数值模拟分析， 从宏观和微观上 反映出自然通风的效果， 这对实现建筑自然通风具有 重大意义。
收稿日期： ;33j898k 作者简介： 龚波 O6lmn8] ， 男， 在读硕士研究生； 西南交通大学 97;o 信箱 Ok67796] ； 7;p8pkjkj7;m ； g8.*SDqEEPBC^Br6k9bPB.
第 #$ 卷第 4 期
龚波： 自然通风的设计策略及模拟分析
・ $!6 ・
!"# 热压产生的自然通风
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%"%$$ 穿越式通风
当空气从房间一侧开口进入， 从另一侧开口流出
图 $666 穿越式通风
・ CD% ・
建 筑 热 能 通 风 空 调
DHH- 年
表 !"" #$%&’()*+, 对欧洲某住房通风率比较
通风策略形式 穿越式通风 没有烟囱效应 的单侧通风 房间规格 参考风速 （,B9 ） 通风量 （,CB9 ） 通风率 （次 B* ）
房 间 体 积 !--% ,D； 窗 窗墙面积 D-%,D； 面积 E%,D；开启面 积 -%,D
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D!A -C
注： 房间规格根据英国标准协会的 3F%AGDA%:)%!D$- 条款确定。
!"#$$ 烟囱效应
烟囱效应的实质是热压产生的通风。烟囱效应的 基 本 要 求 是 烟 囱 内 的 空 气 被 加 热 ，温 度 高 于 外 界 温 度， 烟囱的主要功能仅是为了通风， 尺寸可以仅为了 迎合压降的需要。烟囱可以作为采光井， 太阳吸收器 等。烟囱可以是一个单独的烟囱， 也可以是围绕建筑 的几个小烟囱。如果建筑朝向繁华的街道， 则可以把 入风口放置在远离噪声和污染源的地方， 而把烟囱放 置在靠近街道侧。太阳烟囱是吸收太阳得热来增强热 压， 如图 - 。通常使太阳烟囱外表面（结合玻璃成分） 位于建筑向阳面， 这样易于得到太阳辐射产生自然对 流， 使空气从建筑内流入烟囱底部， 而由烟囱顶部排 出， 外界空气进入建筑中替换滞留的空气。为了使风 压来加强烟囱效应， 烟囱的出口应位于负压区， 这样 可以避免产生倒灌气流。
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$ %1$ 23
&" 自然通风的产生机理
#$#%""风压产生的自然通风
建筑物周围的风压分布与建筑的几何形状和室
式中： $ % 为高度 & 处的风速， & 为任一点的高度， .-0；
.； .50； $ %3 为标准高度（常取 %34.）处的平均风速， "
为地面粗糙系数， 其值可参阅文献 $(&。
#"5$$$网络法
网络法是从宏观角度对自然通风进行分析， 主要 用于自然通风建筑设计初期的风量预测。网络法把整 个 建 筑 物 作 为 一 个 系 统 ，其 中 每 个 房 间 作 为 一 个 区 （或网络节点） ，认为各个区内空气具有恒定的温度、 压力和污染物浓度。门、 窗等气流路径视为阻力单元， 各个区通过各种气流路径相连， 网络法模型示意如图
热压是由室内外密度差引起的。热空气上升从建 筑上部风口排出， 室外新鲜的冷空气从建筑底部被吸 入， 热压作用与进排风口高度差的关系可以用式（ $ ） 表示。
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式中： !!"#$% 为 热 压 作 用 ， &’； !
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为室外空气密度，
)*+, ； ,； ’ 为进排风口高度差， " 为空气膨胀系数； ()， (- 分别为内外温度平均值， .。
图 !666 单侧单开口
!"#$$ 综合作用下的自然通风
利用风压和热压来进行自然通风往往是互为补 充， 密不可分的。但到目前为止， 为了更准确地预测风 压和热压什么时候加强什么时候削弱， 热压和风压综 合作用下的自然通风机理还在探索之中 /$0。通常可用 式（1 ） 来计算综合作用时的通风量。
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*+ ! * ,-*
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（1 ）
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式中： * 为综合作用时的通风量， *. 为 风 压 单 独 , +2； 作用下通风量， *" 为 热 压 单 独 作 用 下 通 风 量 ， ,$+2；
.
,$+2 。
图 #666 单侧双开口
%$$$$ 自然通风的设计策略
充分利用自然通风除了对风环境进行分析， 制定 有利于自然通风的建筑布局模式外， 还要考虑如何根 据建筑模式的特点， 选取合理的设计策略来加强自然 通风。常见的自然通风设计策略有多种。
#$$$$ 自然通风的模拟分析
选择合理的自然通风设计策略， 并借助先进的计 算机技术对其进行数值模拟分析， 从宏观和微观上反 映自然通风的效果， 为通风设计策略的合理性和可靠 图 -%%% 太阳烟囱 性提供了保证。国内外主要采用网络法、 :&. 和区域 模型对自然通风进行模拟分析。
!"%$$ 混合通风（&’()*+$,-./)01/)2. ）
%"!$$ 单侧通风
单侧通风的开口在房间的同一侧， 另一侧是关闭 的门， 它是自然通风中最简单的一种形式。
#3!3! 单侧单开口
对于单侧单开口房间，如图 ! 所示。风压是主要 驱动力， 特别对于开口很小的情形。单侧单开口的最 大有效通风径深大约为层高的 # 倍 /10。
#3!3# 单侧双开口
不同高度的两个开口在房间同侧立面上， 则形成 此时热压作用协助了风压使风量 单侧双开口， 如图 #。 和径深都有所增加。热压随着单侧开口的垂直距离和 内外温差的增加而增加。单侧双开口的最大有效通风 径深大约为层高的 #34 倍 /10。
建筑物外围结构上某一点 外风向有关 $%&。风向一定时， 的风压值可用式（%） 表示：
( !"’# $ % ! ( %
（%）
式中： 与建筑形状 !" 为风压值， )*； # 为空气动力系数， 和风向相对应， 通常由风洞模型实验确定； !
%
为室外
空气密度， $ % 为未受扰动来流速度， +,-./； .-0。 由于风速在近地层随高度有较大的变化， 平均风 速随高度变化的规律可用指数函数来描述， 其表达式 所示。 如式（ (）
A 表示。
网络法利用质量、 能量守恒等方程计算风压和热 压作用下的自然通风量。由于网络法不考虑房间内部
第 JO 卷第 W 期
龚波： 自然通风的设计策略及模拟分析
・ OO6 ・
气流阻力 网络节点
（H%.+ ） 、 大涡模拟（(I+） 。 对 !’.+ 是通过直接求解湍流的精确控制方程， 流场、 温度场及浓度场的所有尺度和空间尺度进行精 确描述。自然通风过程包含了许多复杂的流动、传热 与传质问题， 一般可以认为自然通风的流动过程是一 采用 ’.+ 对于这种复杂的湍流运动进 种湍流运动 !CJ#。 行直接数值计算， 这样就使得 ’.+ 解决的网格数目过 多， 计算时间太长， 而对于当前的计算机硬件配置是 难以实现的。
自然通风系统中有两个固有的不足使其在某些 场合不能提供充足的通风。 ! 缺乏气流控制； " 没有 温度控制。第一个问题造成了冬季能量损失和夏季过 热， 第二个问题则引起了冬季有风感和夏季室内温度 过高而不舒适。因此使自然通风系统同机械通风相结 合的混合通风系统受到了关注。混合通风系统的基本 思想是： 综合机械通风和自然通风的特性取得最好的 通风性能， 使之克服自然通风的一些不可控问题。这
"H%.+ 方程是对不可压缩流体的 .G+ 方程进行
图 W666 网络法模型示意图 的空气流动形态对自然通风效果的影响， 所以无法给 出房间内部的空气详细流动情况分析 。但对于设计
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平均得到的。H%.+ 能被进一步划分为紊流粘性模型 （/8<K859416 L27=3721@6 M3;957 ） 和 雷 诺 应 力 模 型 （H9@435;7G71<9776M3;957 ） 。最广泛应用的紊流粘性模 型是标准 !"& 模型。 -8<0N0M2 等 !CO#用 (I+ 和 ! G& 模 型对建筑绕流进行了模拟并同风洞实验进行比较， 比 较参数包括平均速度、 紊流动能、 平均表面压力分布 而 !"& 模型由 等， 结果表明 (I+ 同实验结果最一致， 于 各 向 同 性 涡 流（&731<3D2=P9;;@ ）假 设 使 其 与 实 验 结 果误差较大，因此 !"& 模型不能很好地预测建筑绕 流问题。 （大涡模拟） 模型。 #目前前沿的紊流模型是 (I+
!"3$$$ 同夜间通风相结合
自然通风由于气流不可控性而造成的夏季白天 过热， 可以通过夜间通风来解决 =>?。夜间通风同蓄热材 料相结合， 可以使蓄热材料白天吸收大量热量， 使得 室温不至于过高， 而夜间通风使蓄热材料得到充分降 温， 不至于使夜间温度居高不下， 而又保持了第二天 蓄热材料的蓄热能力。但如果遇到多天的阴冷天气， 采用夜间通风则可能出现次日的过冷现象， 所以对夜 间通风的准确预测与控制方法的优化还在进一步研 究中 =@?。 排烟系统相结合 !"4$$$ 同消防、 通风策略要同消防和排烟系统控制相联系。人员 撤离路线和通常的通风路径要作为整个通风策略的 一部分。例如， 对于中庭建筑， 人员撤离路线要朝向四 周烟气浓度减少的方向。