自然通风技术研究方法及工具_魏景姝

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)07-0001-05

research method and tools of natural ventilation technoloty

WEI 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;tool

0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