第8讲 自然通风与机械通风系统的联合模拟分析
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建筑环境设计模拟分析软件 DeST
第 8 讲 自然通风与机械通风系统的联合模拟分析
清华大学 张野☆章宇峰 宋芳婷 燕达 江亿 摘要 建筑通风对建筑环境的影响是直接而迅速的，因此对建筑热环境的模拟必须解决建筑 通风的模拟问题。建筑的通风包括自然通风和机械通风，二者本质相同并且经常是同 时发生的，计算时应该一起考虑，而不是分离开来。详细介绍了建筑热环境模拟软件 DeST 中根据多区域网络模型和管道流体网络模型发展出来的建筑通风的统一的网络 模型，介绍其求解方法，并给出了建筑中常见的通风支路阻力模型， 实现了建筑热环 境和自然通风真正的耦合模拟。通过介绍几个利用通风模拟来分析解决设计中问题的 实例，指出了建筑通风模拟的应用范围和实际意义。 关键词 自然通风 机械通风 通风网络模型 静压
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虑：自然通风和渗透；空调的机械通风。这种习惯并不完全基于自然风和机械风的区别，实 际上，由于驱动力受到自然条件限制，自然通风往往采用机械辅助的形式，例如英国新议会 大厦、蒙特福德大学机械馆、新卡里多尼亚的 Tjbaou 文化中心、德国法兰克福商业银行， 建筑师利用风压和热压这样的自然动力驱动通风， 通过合理的建筑结构以及机械辅助设施优 [4] 化自然通风，从而达到舒适、生态、节能的效果 。另一方面，任何空调通风系统都是在整 个建筑既定的自然通风和渗透条件下运行的， 自然与机械系统混合通风才是实际建筑通风的 真实情况。 从气流流动的机理来看，自然通风和渗透、空调的机械通风的本质是一样的，压力差的 存在是空气流动的根本原因，只是在产生压力差的原因上，两者有所不同。自然通风和渗透 最主要的动力是风压和热压， 有时也借助机械设备产生的压头。 空调的机械通风则主要是靠 风机产生的压头来推动气流运动。 无论何种原因产生的气流， 在建筑内部都将与室内空气混 合，这些气流经过缝隙、开口、管道通达各处，相互影响同时也受到外界的影响。 综上所述，对建筑通风的模拟，应该采用自然通风、空调机械通风同时描述的统一的模 型。本文将介绍在 DeST 中全面考虑自然通风和渗透以及空调的机械通风的通风模拟方法， 并以实例说明其应用。
Abstract It is very important to understand the building ventilation conditions, because ventilation and infiltration affect building environment directly and instantly. V entilation in buildings includes natural ventilation and mechanical ventilation. They are essentially the same and often occur at the same time, so need to be considered together instead of separately. Explicates the uniform network model and the solving method in the building simulation tool - DeST, which is developed from the multizone airflow network model and the pipe network model. Provides mathematical models for commonly used building components and achieves coupled simulation of natural ventilation and mechanical ventilation. Gives some case studies to illustrate how to solve the problems in designing building ventilation systems by DeST and indicates the significance of using simulation tools for ventilation design. Keyword natural ventilation，mechanical ventilation，airflow network model，static pressure ★Ｔｓｉｎｇｈｕａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｂｅｉｊｉｎｇ， Ｃｈｉｎａ ☆张野，男，1979 年 １０ 月生，大学，在读硕士研究生 100084 北京清华大学建筑学院建筑技术科学系 (010）62789761 Ｅ－ｍａｉｌ： zhangye02@mails.tsinghua.edu.cn
Building environment design simulation software DeST(8): combined simulation of naturaland mechanical ventilation By Zhang Ye ★, Zhang Yufeng, Song Fangting, Ya Da and Jiang Yi
收稿日期： 2004-12-31 修回日期： 2005-01-05
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1 概述
1.1 通风对室内热环境的影响 在影响建筑热环境的众多因素当中， 室内外通风和空调送风对室内环境的影响是直接和 瞬时的， 因为它们带来的气流与室内空气混合， 它们的热湿状况会立刻影响室内空气的状态。 不论室内外通风，还是空调送风，本质都是与室内的空气交换，下面将外界环境与建筑的空 气交换和建筑内部发生的空气交换统称为建筑通风。显然，建筑通风包括自然通风和渗透， 也包括空调系统机械通风。 在很多情况下， 室外的空气温度湿度并非处于室内温度湿度舒适范围内， 自然通风和渗 透会成为建筑的冷热负荷，而增加空调系统的能耗。有文献表明[1~2]，由自然通风和渗透造 成的能耗占建筑空调总能耗的 30％左右。因此，通过动态模拟来预测和分析建筑能耗时， 必须考虑建筑自然通风和渗透的动态模拟计算问题。 另外， 自然通风的合理利用是可以降低建筑能耗的， 而且有利于降低室内污染物及二氧 化碳浓度， 满足人们接触自然的心理需要， 因此自然通风与机械辅助自然通风形式 （所谓 “二 元通风” ）越来越多地被建筑师考虑并采纳。然而，由于自然通风问题的复杂性，目前人们 对自然通风的认识更多地是定性分析。 建筑设计人员无法像选择机械系统那样按照确定的风 量和扬程来配置自然通风设备， 因而也无法确定自然通风对建筑内环境的影响力。 在设计不 当的情况下，自然通风不但不利于保持适宜的建筑内部热环境，反而会引发很多问题，比如 冬季的渗透过量、夏季的通风不足等等。如何有效地处理好自然通风问题，成为建筑设计的 重要问题。 自然通风与室内外空气压力分布状况密切相关， 而室内的压力分布又由室内的热 状况及机械通风、排风状况所决定，因此，严格地讲，自然通风的计算要与热模拟和机械通 风计算相耦合，这样在建筑热环境模拟软件 DeST 中加入合适的通风计算模型，通过通风模 型（airflow model）与热模拟模型（thermal model）的耦合计算，不仅可以进一步完善动态 模拟中的能耗分析部分，同时也可以实现综合考虑风压和热压作用的自然通风计算。 空调的机械通风系统是空调系统实现对室内温度湿度控制的重要环节， 其任务是满足各 个房间逐时的设计风量要求，在此过程中，风机也会消耗大量的能源。有文献说明，空调风 系统的风机能耗占整个空调系统能耗的很大比例，个别建筑这个比例超过 50％[3]。因此，空 调机械通风系统设计不仅关系到空调系统能否实现控制环境参数， 也关系到空调系统运行的 能耗。 这样在评价空调风系统设计时有两个指标： 是否能够实现设计要求的各个房间的送风 量；风系统全年运行能耗的高低。 目前空调风系统设计主要是针对典型工况进行的单工况点设计， 按照典型工况下的房间 风量需求，计算通风管网的各段风管尺寸、压力损失，确定最不利支路，然后按照最不利支 路的全压损失选择风机。但按照这种方法设计的风系统，运行中有时存在着风量分配不均， 甚至送风口吸风等现象，使得风系统无法实现设计要求，从而不能控制室内的温度湿度，导 致有些房间过冷，而有些房间过热。 究其原因， 单工况设计方法有以下局限性： 没有考虑房间内压力以及自然通风和渗透对 房间能够实现的送风量的影响； 没有考虑三通部件的特性对送风支管送风量的影响， 无法计 算设计方案下各个风口实现的风量；对变风量系统没有考虑系统工况变化时的情况。 另一方面， 单工况设计方法由于无法获得风系统全年运行状况， 不能对不同风系统方案 的能耗进行比较，无法对不同方案的经济性进行分析。 为了进一步认识空调风系统的实际运行效果， 就要在热分析的基础上进一步对建筑自然 通风和机械通风进行联合模拟分析。 1.2 建筑通风的描述模型 在建筑通风的研究领域和工程设计中，人们往往习惯把建筑通风分为两种情况单独考
2Hale Waihona Puke Baidu文献综述 2.1 自然通风的模拟现状
目前在自然通风与渗透计算问题上，应用最广泛的是多区域网络模型方法。 多区域网络模型是将建筑内部各个空间（或者一空间内各个区域）视为不同节点，在同 一区域（节点）内部，假设空气充分混合，其空气参数一致；同时将门、窗等开口视为通风 支路单元， 从而由支路和节点组成流体网络。 计算中， 每一时间步长内各节点温度保持不变， 空气流动满足定常流伯努利方程，各节点内空气满足质量守恒定律。 多区域网络模拟从宏观角度进行研究， 把整个建筑物作为一个系统， 把各房间作为控制 体，用实验得出的经验公式反映房间之间支路的阻力特征，利用质量守恒、能量守恒等方程 对整个建筑物的空气流动、压力分布进行研究。 多区域网络模型经过近 20 年的发展，在国外正得到日益广泛的应用[5]。不同国家的学 者已开发了多种此类软件，比较著名的有 a)COMIS[6~7]、b)CONTAM 系列[8]、c)BREEZE[9]、 d)NatVent[10]、e)PASSPORT Plus [11]、f)AIOLOS[12]等等。所有这些软件都需要使用者预先输 入气象参数、建筑表面风压系数、建筑内各开口位置及阻力函数。其中 a),b),c)为单纯的通 风计算软件，可以通过图形界面输入复杂的建筑通风网络，给定每个节点的空气温度，计算 出各房间与外界或房间之间的通风量。 计算中各节点空气温度保持不变。 这三种软件不能直 接用于计算室温变化或室温未知情况下建筑内的通风或渗透情况， 也不能计算由通风造成的 建筑能耗。d)是专用于分析自然通风问题的软件，具有热模拟计算的功能。在给定气象条件 后，它可以计算出房间温度、自然通风量以及自然通风的降温效果。但它只能用于特定结构 2 个房间的工况，不具有通用性。e) 和 f)都包括通风计算模型和热模拟模型，但两个模型之 间无法实现耦合迭代计算。 Kendrick 对通风模型与热模拟模型的耦合问题进行了总结。已有的模型均采用最基本的 “sequential coupling”形式，用先假设的节点温度作为参数，计算通风量，再将通风计算结 果引入热模拟模型，热模拟模型的计算结果对通风模型没有反馈作用[13]。 Hensen 提出了两种通风模型和热模拟模型的耦合方式： “ping-pang” 和 “onion” 方式[14]。 在第一种方式中， 通风模型用前一时刻热模拟模型得到的结果作为参数， 将计算出的通风量 输出给热模拟模型， 热模拟模型再将计算出的温度输出给下一时刻的通风模型。 在第二种方 式中，通风模型将计算结果输入热模拟模型，后者再将计算结果反馈回前者，如此循环，直 到前后两次计算结果之差满足精度要求，再进入下一时刻的计算。三种耦合如图 1 所示[15]。
第 8 讲 自然通风与机械通风系统的联合模拟分析
清华大学 张野☆章宇峰 宋芳婷 燕达 江亿 摘要 建筑通风对建筑环境的影响是直接而迅速的，因此对建筑热环境的模拟必须解决建筑 通风的模拟问题。建筑的通风包括自然通风和机械通风，二者本质相同并且经常是同 时发生的，计算时应该一起考虑，而不是分离开来。详细介绍了建筑热环境模拟软件 DeST 中根据多区域网络模型和管道流体网络模型发展出来的建筑通风的统一的网络 模型，介绍其求解方法，并给出了建筑中常见的通风支路阻力模型， 实现了建筑热环 境和自然通风真正的耦合模拟。通过介绍几个利用通风模拟来分析解决设计中问题的 实例，指出了建筑通风模拟的应用范围和实际意义。 关键词 自然通风 机械通风 通风网络模型 静压
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虑：自然通风和渗透；空调的机械通风。这种习惯并不完全基于自然风和机械风的区别，实 际上，由于驱动力受到自然条件限制，自然通风往往采用机械辅助的形式，例如英国新议会 大厦、蒙特福德大学机械馆、新卡里多尼亚的 Tjbaou 文化中心、德国法兰克福商业银行， 建筑师利用风压和热压这样的自然动力驱动通风， 通过合理的建筑结构以及机械辅助设施优 [4] 化自然通风，从而达到舒适、生态、节能的效果 。另一方面，任何空调通风系统都是在整 个建筑既定的自然通风和渗透条件下运行的， 自然与机械系统混合通风才是实际建筑通风的 真实情况。 从气流流动的机理来看，自然通风和渗透、空调的机械通风的本质是一样的，压力差的 存在是空气流动的根本原因，只是在产生压力差的原因上，两者有所不同。自然通风和渗透 最主要的动力是风压和热压， 有时也借助机械设备产生的压头。 空调的机械通风则主要是靠 风机产生的压头来推动气流运动。 无论何种原因产生的气流， 在建筑内部都将与室内空气混 合，这些气流经过缝隙、开口、管道通达各处，相互影响同时也受到外界的影响。 综上所述，对建筑通风的模拟，应该采用自然通风、空调机械通风同时描述的统一的模 型。本文将介绍在 DeST 中全面考虑自然通风和渗透以及空调的机械通风的通风模拟方法， 并以实例说明其应用。
Abstract It is very important to understand the building ventilation conditions, because ventilation and infiltration affect building environment directly and instantly. V entilation in buildings includes natural ventilation and mechanical ventilation. They are essentially the same and often occur at the same time, so need to be considered together instead of separately. Explicates the uniform network model and the solving method in the building simulation tool - DeST, which is developed from the multizone airflow network model and the pipe network model. Provides mathematical models for commonly used building components and achieves coupled simulation of natural ventilation and mechanical ventilation. Gives some case studies to illustrate how to solve the problems in designing building ventilation systems by DeST and indicates the significance of using simulation tools for ventilation design. Keyword natural ventilation，mechanical ventilation，airflow network model，static pressure ★Ｔｓｉｎｇｈｕａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｂｅｉｊｉｎｇ， Ｃｈｉｎａ ☆张野，男，1979 年 １０ 月生，大学，在读硕士研究生 100084 北京清华大学建筑学院建筑技术科学系 (010）62789761 Ｅ－ｍａｉｌ： zhangye02@mails.tsinghua.edu.cn
Building environment design simulation software DeST(8): combined simulation of naturaland mechanical ventilation By Zhang Ye ★, Zhang Yufeng, Song Fangting, Ya Da and Jiang Yi
收稿日期： 2004-12-31 修回日期： 2005-01-05
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1 概述
1.1 通风对室内热环境的影响 在影响建筑热环境的众多因素当中， 室内外通风和空调送风对室内环境的影响是直接和 瞬时的， 因为它们带来的气流与室内空气混合， 它们的热湿状况会立刻影响室内空气的状态。 不论室内外通风，还是空调送风，本质都是与室内的空气交换，下面将外界环境与建筑的空 气交换和建筑内部发生的空气交换统称为建筑通风。显然，建筑通风包括自然通风和渗透， 也包括空调系统机械通风。 在很多情况下， 室外的空气温度湿度并非处于室内温度湿度舒适范围内， 自然通风和渗 透会成为建筑的冷热负荷，而增加空调系统的能耗。有文献表明[1~2]，由自然通风和渗透造 成的能耗占建筑空调总能耗的 30％左右。因此，通过动态模拟来预测和分析建筑能耗时， 必须考虑建筑自然通风和渗透的动态模拟计算问题。 另外， 自然通风的合理利用是可以降低建筑能耗的， 而且有利于降低室内污染物及二氧 化碳浓度， 满足人们接触自然的心理需要， 因此自然通风与机械辅助自然通风形式 （所谓 “二 元通风” ）越来越多地被建筑师考虑并采纳。然而，由于自然通风问题的复杂性，目前人们 对自然通风的认识更多地是定性分析。 建筑设计人员无法像选择机械系统那样按照确定的风 量和扬程来配置自然通风设备， 因而也无法确定自然通风对建筑内环境的影响力。 在设计不 当的情况下，自然通风不但不利于保持适宜的建筑内部热环境，反而会引发很多问题，比如 冬季的渗透过量、夏季的通风不足等等。如何有效地处理好自然通风问题，成为建筑设计的 重要问题。 自然通风与室内外空气压力分布状况密切相关， 而室内的压力分布又由室内的热 状况及机械通风、排风状况所决定，因此，严格地讲，自然通风的计算要与热模拟和机械通 风计算相耦合，这样在建筑热环境模拟软件 DeST 中加入合适的通风计算模型，通过通风模 型（airflow model）与热模拟模型（thermal model）的耦合计算，不仅可以进一步完善动态 模拟中的能耗分析部分，同时也可以实现综合考虑风压和热压作用的自然通风计算。 空调的机械通风系统是空调系统实现对室内温度湿度控制的重要环节， 其任务是满足各 个房间逐时的设计风量要求，在此过程中，风机也会消耗大量的能源。有文献说明，空调风 系统的风机能耗占整个空调系统能耗的很大比例，个别建筑这个比例超过 50％[3]。因此，空 调机械通风系统设计不仅关系到空调系统能否实现控制环境参数， 也关系到空调系统运行的 能耗。 这样在评价空调风系统设计时有两个指标： 是否能够实现设计要求的各个房间的送风 量；风系统全年运行能耗的高低。 目前空调风系统设计主要是针对典型工况进行的单工况点设计， 按照典型工况下的房间 风量需求，计算通风管网的各段风管尺寸、压力损失，确定最不利支路，然后按照最不利支 路的全压损失选择风机。但按照这种方法设计的风系统，运行中有时存在着风量分配不均， 甚至送风口吸风等现象，使得风系统无法实现设计要求，从而不能控制室内的温度湿度，导 致有些房间过冷，而有些房间过热。 究其原因， 单工况设计方法有以下局限性： 没有考虑房间内压力以及自然通风和渗透对 房间能够实现的送风量的影响； 没有考虑三通部件的特性对送风支管送风量的影响， 无法计 算设计方案下各个风口实现的风量；对变风量系统没有考虑系统工况变化时的情况。 另一方面， 单工况设计方法由于无法获得风系统全年运行状况， 不能对不同风系统方案 的能耗进行比较，无法对不同方案的经济性进行分析。 为了进一步认识空调风系统的实际运行效果， 就要在热分析的基础上进一步对建筑自然 通风和机械通风进行联合模拟分析。 1.2 建筑通风的描述模型 在建筑通风的研究领域和工程设计中，人们往往习惯把建筑通风分为两种情况单独考
2Hale Waihona Puke Baidu文献综述 2.1 自然通风的模拟现状
目前在自然通风与渗透计算问题上，应用最广泛的是多区域网络模型方法。 多区域网络模型是将建筑内部各个空间（或者一空间内各个区域）视为不同节点，在同 一区域（节点）内部，假设空气充分混合，其空气参数一致；同时将门、窗等开口视为通风 支路单元， 从而由支路和节点组成流体网络。 计算中， 每一时间步长内各节点温度保持不变， 空气流动满足定常流伯努利方程，各节点内空气满足质量守恒定律。 多区域网络模拟从宏观角度进行研究， 把整个建筑物作为一个系统， 把各房间作为控制 体，用实验得出的经验公式反映房间之间支路的阻力特征，利用质量守恒、能量守恒等方程 对整个建筑物的空气流动、压力分布进行研究。 多区域网络模型经过近 20 年的发展，在国外正得到日益广泛的应用[5]。不同国家的学 者已开发了多种此类软件，比较著名的有 a)COMIS[6~7]、b)CONTAM 系列[8]、c)BREEZE[9]、 d)NatVent[10]、e)PASSPORT Plus [11]、f)AIOLOS[12]等等。所有这些软件都需要使用者预先输 入气象参数、建筑表面风压系数、建筑内各开口位置及阻力函数。其中 a),b),c)为单纯的通 风计算软件，可以通过图形界面输入复杂的建筑通风网络，给定每个节点的空气温度，计算 出各房间与外界或房间之间的通风量。 计算中各节点空气温度保持不变。 这三种软件不能直 接用于计算室温变化或室温未知情况下建筑内的通风或渗透情况， 也不能计算由通风造成的 建筑能耗。d)是专用于分析自然通风问题的软件，具有热模拟计算的功能。在给定气象条件 后，它可以计算出房间温度、自然通风量以及自然通风的降温效果。但它只能用于特定结构 2 个房间的工况，不具有通用性。e) 和 f)都包括通风计算模型和热模拟模型，但两个模型之 间无法实现耦合迭代计算。 Kendrick 对通风模型与热模拟模型的耦合问题进行了总结。已有的模型均采用最基本的 “sequential coupling”形式，用先假设的节点温度作为参数，计算通风量，再将通风计算结 果引入热模拟模型，热模拟模型的计算结果对通风模型没有反馈作用[13]。 Hensen 提出了两种通风模型和热模拟模型的耦合方式： “ping-pang” 和 “onion” 方式[14]。 在第一种方式中， 通风模型用前一时刻热模拟模型得到的结果作为参数， 将计算出的通风量 输出给热模拟模型， 热模拟模型再将计算出的温度输出给下一时刻的通风模型。 在第二种方 式中，通风模型将计算结果输入热模拟模型，后者再将计算结果反馈回前者，如此循环，直 到前后两次计算结果之差满足精度要求，再进入下一时刻的计算。三种耦合如图 1 所示[15]。