自然通风的设计计算PPT课件
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α-温度梯度，℃/m h-排风天窗距地面高度
2）有效热量系数法
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
Qm m Q
有效热量
Qm m Q
46
设计计算步骤
tp （1-m）Q Q 从全室的热平衡分析：
G
C t p tw
Q
tw
从工作区热平衡分析：
tn
mQ
mQ G C t n t w
设：tn>tw,则：ρw>ρn
由水静力学公式得： P b P a w gh P b P a n gh b窗内外的作用压差（规定以室内向室外流动为正）
b Pa Pa ghw n Pa gh w n P b P b P
55
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
离散
划分网格
型方程
56
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 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
38
由热压推导过程得出的 Pb Pb Pb Pa gh 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
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
Room average : 1.7
Max. 12.73
汚染
10-7 61
汚染
清浄
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
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（-）
39
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 vw 2
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
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
room room
room room shaft
room
room
8
风压、热压联合作用自然通风
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
计算区域实景
62
一、CFD基本介绍
CFD在暖通空调中的应用
P P b P a gh w n
(7 5)
(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 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
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
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
10
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 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 11
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
通风工程
自然通风的设计计算
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 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）
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
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
简化条件：
1）过程稳定 tn t p t 2）室内空气温度为平均温度 np 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 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 (7 21)
两式联立，有：
tn tw t p 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
h2
０ ０
可以先假设中和面位置
Ga a Fa 2 Pa w a Fa 2h1 g w np w
Gb b Fb 2Pb p b Fb 2h2 g w np p
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例 33
日本钢铁北九州支部大楼
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
热压作用 热压作用
风压作用 风压作用
36
1.热压
建筑不同高度（高差h） 上有窗孔a、b
16
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
报告厅、大厅
位于分支部分的办公室、 实验室进深小，采用风压 通风
位于中央部分的报告厅、 大厅采用“烟囱效应”进 行热压通风
17
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； 冬季顶帽降下以封闭排气口，形成玻璃暖房，节省采暖能耗
50
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
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
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
15
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
18
二、几种典型的自然通风形式
超高层建筑的自然通风
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
法兰克福商业银行 60层高的塔楼中庭
19
二、几种典型的自然通风形式
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
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
4
一、基本概念
自然通风的特点
缺点
难控制 优点 无能耗
建筑能耗占总能耗30％
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
空气品质好
机械通风空调：“病态建筑”
5
一、基本概念
自然通风的舒适性
Hot
Warm PMV
Sl. warm
Observed mean thermal sensation Neutral
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
流线
58
一、CFD基本介绍
CFD应用广泛
动力机械
汽车
船舶 航空航天
59
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
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 的部位利用热压通风
44
二、自然通风ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ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
49
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)
合理的建筑布局
冷巷
梳式布局通风
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
建筑细部构件通风
檐下风口
通风屋脊
29
三、建筑通风的应用
竹楼
竹楼架空利于通风
30
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
定性分析：Ga Gb G 简化计算，若： a b
w P 则有：
h1
Fa F b
h2 h 1
2
Fa Fb
h2 h1
• 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
48
３）确定窗孔面积
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？
Sl. cool
26
27
28 29 30 o Operative temperature ( C)
31
32
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
7
一、基本概念
2）有效热量系数法
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
Qm m Q
有效热量
Qm m Q
46
设计计算步骤
tp （1-m）Q Q 从全室的热平衡分析：
G
C t p tw
Q
tw
从工作区热平衡分析：
tn
mQ
mQ G C t n t w
设：tn>tw,则：ρw>ρn
由水静力学公式得： P b P a w gh P b P a n gh b窗内外的作用压差（规定以室内向室外流动为正）
b Pa Pa ghw n Pa gh w n P b P b P
55
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
离散
划分网格
型方程
56
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 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
38
由热压推导过程得出的 Pb Pb Pb Pa gh 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
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
Room average : 1.7
Max. 12.73
汚染
10-7 61
汚染
清浄
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
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（-）
39
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 vw 2
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
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
room room
room room shaft
room
room
8
风压、热压联合作用自然通风
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
计算区域实景
62
一、CFD基本介绍
CFD在暖通空调中的应用
P P b P a gh w n
(7 5)
(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 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
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
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
10
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 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 11
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
通风工程
自然通风的设计计算
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 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）
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
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
简化条件：
1）过程稳定 tn t p t 2）室内空气温度为平均温度 np 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 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 (7 21)
两式联立，有：
tn tw t p 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
h2
０ ０
可以先假设中和面位置
Ga a Fa 2 Pa w a Fa 2h1 g w np w
Gb b Fb 2Pb p b Fb 2h2 g w np p
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例 33
日本钢铁北九州支部大楼
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
热压作用 热压作用
风压作用 风压作用
36
1.热压
建筑不同高度（高差h） 上有窗孔a、b
16
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
报告厅、大厅
位于分支部分的办公室、 实验室进深小，采用风压 通风
位于中央部分的报告厅、 大厅采用“烟囱效应”进 行热压通风
17
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； 冬季顶帽降下以封闭排气口，形成玻璃暖房，节省采暖能耗
50
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
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
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
15
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
18
二、几种典型的自然通风形式
超高层建筑的自然通风
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
法兰克福商业银行 60层高的塔楼中庭
19
二、几种典型的自然通风形式
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
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
4
一、基本概念
自然通风的特点
缺点
难控制 优点 无能耗
建筑能耗占总能耗30％
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
空气品质好
机械通风空调：“病态建筑”
5
一、基本概念
自然通风的舒适性
Hot
Warm PMV
Sl. warm
Observed mean thermal sensation Neutral
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
流线
58
一、CFD基本介绍
CFD应用广泛
动力机械
汽车
船舶 航空航天
59
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
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 的部位利用热压通风
44
二、自然通风ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ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
49
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)
合理的建筑布局
冷巷
梳式布局通风
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
建筑细部构件通风
檐下风口
通风屋脊
29
三、建筑通风的应用
竹楼
竹楼架空利于通风
30
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
定性分析：Ga Gb G 简化计算，若： a b
w P 则有：
h1
Fa F b
h2 h 1
2
Fa Fb
h2 h1
• 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
48
３）确定窗孔面积
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？
Sl. cool
26
27
28 29 30 o Operative temperature ( C)
31
32
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
7
一、基本概念