第七章自然通风的设计计算

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7
一、基本概念
▪自然通风的基本形式
风压作用自然通风
热压作用自然通风
风压、热压联合作用自然通风
room
room
room room
shaft
room room
8
依靠屋顶风机进行的自然进风机械排风
一、基本概念
▪自然通风的基本形式
9
一、基本概念
▪ 自然通风的存在的问题
▪ 湿度控制 ▪ 噪声控制 (开窗时减少10dB相当于关窗时减少30dB) ▪ 空气质量 ▪ 空调负荷 ▪ 安全性 ▪ 下雨
Px——指仅有热压作用时的余压值
2)由于风压的不稳定性,实际工程设计时,仅考 虑热压作用 3)防止风压的负作用、利用风压作为安全因素
43
4.风压热压同时作用时的孔口内外压差
• 风压和热压共同作用,有时互相加强,有时相互抵消 • 两者相互作用下的通风机理还待研究,目前将两者的相互
作用简单考虑为线性叠加 • 一般来说建筑进深小的部位多利用风压直接通风,进深大
▪超高层建筑的自然通风
经过模拟分析,将每12 层作为一个单元分隔, 利用热压进行自然通风 ,各个单元通过透明玻 璃相分隔,以避免风压 和热压过强产生紊流
20
▪机械辅助自然通风 OSAKA 市 立 体 育 馆
21
OSAKA 市 立 体 育 馆
22
OSAKA 市 立 体 育 馆 自然通风的通道
23
57
一、CFD基本介绍
▪ 如何验证模拟结果?
▪采用公认的经过验证的计算模型和程序 ▪用经典的实验和实测的数据验证模型 ▪对不同类型的流动均进行验证
模型
58
流线
一、CFD基本介绍
▪ CFD应用广泛
汽车
动力机械
航空航天
船舶
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一、CFD基本介绍
▪ CFD在暖通空调中的应用
1、室内气流组织评价
大厅模型
;冬季顶帽降下以封闭排气口,形成玻璃暖房,节省采暖能

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二、几种典型的自然通风形式
▪超高层建筑的自然通风
法兰克福商业银行
60层高的塔楼中庭
全球首座生态 型高层塔楼
针对60层高的 塔楼中庭的自 然通风状况进 行计算机模拟 和风洞实验, 防止内部风速 过大,产生无 法忍受的紊流
19
二、几种典型的自然通风形式
34
第二节 自然通风的基本原理
35
一、自然通风的理论机理
▪ 分类
按照机理可分为:扩散、热压和风压 同时存在,相互作用
热热压压作作用用
风风压压作作用用
36
1.热压
建筑不同高度(高差h) 上有窗孔a、b
设:tn>tw,则:ρw>ρn
由水静力学公式得:
Pb Pa w gh Pb Pa n gh
tw、tn是已知的,但tp未知
求解方法: 1)温度梯度法,α取值见P193,表7-1
t p tn h 2
2)有效热量系数法
(7 21)
α-温度梯度,℃/m h-排风天窗距地面高度
有效热量系数 m 的定义:室内总余热量中直接进入工作 区的热量比例
m Qm Q
有效热量 Qm m Q
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设计计算步骤
tp (1-m)Q
从全室的热平衡分析:
G

Q
C tp tw
tw
Q
tn
mQ
从工作区热平衡分析:
G

mQ
Ctn tw

两式联立,有:
tp

tw

tn
tw m
通过实验数据确定 m 值
47
设计计算步骤
2. 确定窗孔位置 可以先假设中和面位置
h2


h1
Ga a Fa 2 Pa w a Fa 2h1g w np w Gb b Fb 2Pb p b Fb 2h2 g w np p
间造成的空气流动作用压头
37
2.余压
定义:用 Px 表示 室内某一点的压力与室外
同标高未受干扰的空气压力 的差值
注意:热压和余压的区别 热压——两窗孔之间的压差, ΔPb- ΔPa
在仅有热压作用时,窗孔内外的压差即等于该水 平面的余压 Pxa=ΔPa, Pxb=ΔPb
38
PPPPg h 由热压推导过程得出的
二、几种典型的自然通风形式
▪热压和风压结合通风
办公室、实验室
位于分支部分的办公室、 实验室进深小,采用风压 通风
报告厅、大厅
位于中央部分的报告厅、
大厅采用“烟囱效应”进
行热压通风
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二、几种典型的自然通风形式
▪充分利用烟囱效应进行通风
采用顶帽可以升降的圆柱形玻璃通风塔,作为建筑的入口和
楼梯间,最大吸收太阳能量,提高塔内温度,加强烟囱效应
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例2010
• 某厂房利用热压进行自然通风,厂房高度 H=12m,排风天窗中心距地面高度h=10m ,天窗的局部阻力系数ξ=4。已知,厂房内 散热均匀,散热量为100w/m3,厂房工作区 的温度tn=25℃,当天窗的空气平均流速为 v=1.1m/s时,天窗窗口压力损失为多少?
• ρp=1.2*293/(293+tp)
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二、几种典型的自然通风形式
▪风压自然通风
新卡里多尼亚Tjibaou文化中心全景
wk.baidu.com
新卡里多尼亚气候炎热,常年多风;文化中心10个棚屋组成,最高28m,
造型是经过多次CFD模拟分析和风洞实验后确定的
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二、几种典型的自然通风形式
▪风压通风原理
▪棚屋背面指向主导风向 ▪棚屋背面为正压区,下风 处为负压区 ▪压差产生空气流动 ▪针对不同风速(从微风到 飓风),调节百叶开合及方 向,控制室内流动
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一、CFD基本介绍
▪ CFD: Computational Fluid Dynamics
实物
模型
简化
指导
模拟结果 解数理模 型方程
离散
划分网格
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一、CFD基本介绍
▪ CFD的发展
▪ 1933年首次出现--英国人Thom首次数值求解了二维粘性 流体偏微分方程,计算流体力学诞生(CFD: Computational Fluid Dynamics)诞生
b b b a w n
可知仅有热压作用时,窗孔内外的压差(即余压) 是随高度 h 成线性增加的
室内向室外流动为正 由于 a 窗进风,所以 Pxa < 0 由于 b 窗排风,所以 Pxb > 0 在某一高度上,有 Pxh = 0
中和面定义:余压为零的水平面
中和面以上的窗孔排风,距中和面越远,余压绝对值越大(+) 中和面以下的窗孔进风,距中和面越远,余压值绝对越大(-)
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例2007
•某车间侧窗进风温度tw=31℃,车间工作区 温度tn=35℃,散热有效系数m=0.4,侧窗进 风口面积Fj=50m2,天窗排风口面积Fp=36m2 ,天窗和侧窗流量系数μp=μj=0.6,高度h为 10m,该车间自然通风量为多少? •ρ=1.2*293/(293+t)
51
第三节 自然通风的CFD设计方法
计算区域实景
62
一、CFD基本介绍
▪ CFD在暖通空调中的应用
3、室外微气候分析
30.4 30.4 30.6 30.4
通风工程
第七章
自然通风的设计计算
同济大学 机械工程学院 暖通空调及燃气研究所
2013年 1
课程提纲
• 自然通风的背景知识 • 自然通风的基本原理 • 自然通风的CFD设计方法 • 自然通风的区域网络设计方法
2
第一节 自然通风的背景知识
3
一、基本概念
▪自然通风定义
▪什么是自然通风? 利用自然的手段(风压、热压等)将室外空气不经过
室内送风速度场和温度场
60
一、CFD基本介绍
▪ CFD在暖通空调中的应用
2、室内IAQ(indoor air quality)评价
清浄
汚染
Room average : 1.7
Max. 12.73
汚染
清浄
10-7 61
一、CFD基本介绍
▪ CFD在暖通空调中的应用
3、室外微气候分析
计算区域平面图
自然通风
机械通风
空调
OSAKA 市 立 体 育 馆 空调、机械通风与自然通风的运行情况24
OSAKA 市 立 体 育 馆 座椅送风
25
三、建筑通风的应用
▪合理的建筑布局
梳式布局通风
冷巷
26
三、建筑通风的应用
▪合理的建筑布局
密集布局通风
27
三、建筑通风的应用
▪天井通风
28
三、建筑通风的应用
的部位利用热压通风
44
二、自然通风计算
主要针对消除余热的应用情况
• 计算分类:
设计计算:由所需通风量确定窗孔面积与位置
校核计算:由已有窗孔校核实际通风量
• 简化条件:
1)过程稳定 2)室内空气温度为平均温度
tnp

tn
tp 2
3)室内压力分布符合水静力学法则
4)其他因素忽略
45
设计计算步骤
1.车间排风温度计算
12
二、几种典型的自然通风形式
▪热压自然通风
Costozza别墅由6 座别墅组成,建 立在山坡上,通 过热压拔风原理 ,利用地下洞穴 作为天热冷源, 获得很好的制冷 效果
13
二、几种典型的自然通风形式
▪热压通风
在室内热压的作用下热空气上升,洞穴中12度的风通过 的地板上的通气孔进入室内
14
二、几种典型的自然通风形式
5
一、基本概念
▪自然通风的舒适性
Hot
Warm Sl. warm Neutral
PMV Observed mean thermal sensation
Sl. cool
26
27
28
29
30
31
32
Operative temperature (oC)
6
一、基本概念
•中央空调建筑的用户对温度偏差比自然通风建筑敏感 •中央空调建筑用户对温度恒定的要求更高,当温度发生 偏差时就会不满 •自然通风建筑表现出了更广温度范围内的适应力
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3.风压
定义: 风受到建筑干扰后产生 的静压变化
计算式:
Pf
K w vw2
2
K——空气动力系数,实验确定 仅有风压作用时,K值大的窗孔进风
40
风洞模型实验
41
42
4.风压热压同时作用时的孔口内外压差 1)窗孔内外的压差
P Px Pf 建筑表面正压力与余压正方向相反
52
一、CFD基本介绍
▪ 建筑通风中的CFD
▪建筑周边的空气流动及温度分布 ▪建筑表面的风压系数 ▪建筑内部空间的空气流动及温度分布
53 Wind (S-W)
54
一、CFD基本介绍
▪ 为何采用CFD模拟
CFD模拟: ▪ 周期短,成本低, 资料完备
▪ 技术性强,不确定
模型实验: ▪ 可靠,直观 ▪ 周期长,价格昂贵
定性分析:Ga Gb G 简化计算,若: a b
w P 则有:

Fa Fb
2

h2 h1
Fa h2
Fb
h1
3)确定窗孔面积
• 离中和面越远,余压越大,同样 的通风量要求的窗孔面积越小 • 中和面位置要适当
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例2010
• 某厂房利用热压进行自然通风,进风口面 积Fj=30m2,排风口面积Fp=20m2,近排风 口中心的高度差H=13m,设近排风口的流 量系数相同,且近似认为ρw=ρp,则厂房内 部空间中余压值为0的界面与进风口中心的 距离hj为下列哪一项?
b窗内外的作用压差(规定以室内向室外流动为正)
Pb Pb Pb Pa Pa ghw n Pa gh w n (7 5)
P Pb Pa ghw n (7 6) ——即热压
热压的定义:由室内外空气温差在不同高度通风口
▪ 1974 年首次应用于建筑环境领域-丹麦,P.V. Nilsen ▪ 1986年,Waters利用CFD方法对许多建筑物如前庭、机场候
机厅等的速度分布和温度梯度进行模拟计算,这是大规模 实际工程应用的首次介绍 ▪ 此后,CFD技术在建筑空调通风领域得到广泛应用 ▪ 流体动力学,数值计算,计算机图形学技术的综合
空调处理就引入室内以达到维持室内空气舒适性的方法
▪目的 带走热湿量(保持室内热舒适性) 带入新风 (保持室内空气品质)
4
一、基本概念
▪ 自然通风的特点
▪ 优点 无能耗
建筑能耗占总能耗30%
空气品质好
机械通风空调:“病态建筑 ”
▪ 缺点 难控制
有时风量不足
解决办法:自然通风和机械 通风相结合,机械辅助自然通风
▪热压和风压结合通风
英国蒙特福德大学机械馆
机械馆一般为矩形平面,进深大,双面走廊,两侧为 实验室和办公室,人工产热多,一般需要采用大规模 空调系统
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二、几种典型的自然通风形式
▪充分利用烟囱效应进行通风
诺丁汉国内税务中心
建筑呈院落式布局,周边风速较小,不能很好满足风
压通风的需求,考虑加强热压通风
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▪建筑细部构件通风
檐下风口
通风屋脊
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三、建筑通风的应用
▪竹楼
竹楼架空利于通风
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三、建筑通风的应用
▪自然通风的局部构件
明治大学自由大楼的 自然通风方式
自然通风窗的结构 31
品川Inter City外窗的自然通风装置
32
松下电器情报中心大厦
高层建筑自然通风布局实3例3
日本钢铁北九州支部大楼
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