自然通风技术研究方法及工具

0
引言
自然通风, 作为一种古老的技术, 不消耗任何
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。
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
1
自然通风研究方法
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
1. 1 实验法
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,Leabharlann Baidu可能还需要多个实验,
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 Newton- 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 模型 ; AIDA 单区模型 ; LBL 单区 AIOLOS 多区模型 ; COMIS 多区模型 ;
CONTAM 多 区模 型。其 中由 美国 NIST ( National Institute of Standards and T echnology) 下属的建筑和
2006 年第 7 期 ( 总第 103 期) 火灾研究实 验室开发的 CONTAM21 结合 了工具 LoopDA ( Loop Designand Analysis ) , LoopDA 和 CONTAM 一样为设计者提供了友好的图形界面, 能使设计者把建筑结 构通过示意性 图形表示出 来, 然后在建筑示意图形中 定义空气流通途径。 LoopDA 可用来指导设计者对自然通风开口尺寸 设计和不同条件下的特性分析。然而多区域网络 模型法本身有两个难点问题 首先是计算自然通 风量时对风压系数和 流量系数等计 算参数的选 择; 其次是由于多区域网络模型法认为各个区具 有恒定的空气参数 , 而像中庭这类高大空间温度 分层影响很大, 恒定空气参数的假设会导致计算 结果误差较大。 1. 2. 2 区域模型法 许多文献中介绍的区域模型方法与多区域网 络模型方法相同, 实际上多区域网络模型法由于 认为房间内的气流速度、 温度、 浓度等都分布均匀 而过分简化了系统, 产生很大误差 , 尤其是在处理 热压驱动的自然通风等室内温度产生明显分层的 情况时误差很大 , 但是区域模型法在一定程度上 弥补了这个不足。区域模型法的基本思想是 将房 间划分为一些有限的宏观区域, 认为区域的相关参 数如温度、 浓度等相等, 而区域间存在热质交换, 通 过建立质量和能量守恒方程并分析考虑了区域间 压差和流动的关系来研究房间内的温度分布及流 动情况。它与网络模型法的主要区别在于射流、 热 羽流、 热分层等理论的不同运用。该方法比网络模 型法复杂和精确, 但比 CFD 法简单。它可嵌套在 多区 建 筑 能 源 和 气 流 分 析 软 件 中, 如 SPARK, COMIS和 CONTAM 中预测气流及温度分步。 1. 2. 3 CFD( Computational Fluid Dynamics) 法 CFD 模型用于模拟计算室内气流速度、 温度 和污染物浓度分布。近年来, 该方法在室内气流 研究领域被广泛接受。该模型将房间划分为大量 网格 , 每个网格分别列出质量、 动量、 能量、 紊流度 和污染物浓度平衡方程。把控制空气流动的连续 微分方程组通过有限差分或有限元方法离散为非 连续的代数方程组 , 并结合实际的边界条件在计 算机上求解离散所得的代数方程组, 可以得到各 网格的压力、 气流速度、 温度和污染物浓度。只要 划分的控制体足够小 , 就可认为离散区域的离散
基金项目 : 本项 目由 北京 市 供 热、 供 燃气、 通风 及 空调 工 程 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。
2
应用能源技术
2006 年第 7 期 ( 总第 103 期) 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。
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
2006 年第 7 期 ( 总第 103 期)
应用能源技术
1
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
应用能源技术
3
值代表 整个房间内空 气分布情况。研究结果表 明, 在一定条件下, 对于实验房间采用不同的通风 系统 , CFD 模型预测结果与实验结果吻合良好 , 而 且通过 CFD 可以实现一些实验中达不到的条件, 如 Nyuk Hien Wong, Sani Heryanto 将风洞 试验与 CFD 模拟相结合分析自然通风在新加坡居住建筑 中的应用, 由于风洞试验不能提供气流在单位区 间内的详细变化情况, 因此借助 CFD 技术, 改变 不同的边界条件如缝隙位置、 大下 , 门窗开启情况 等, 通过 32 次模拟分析比较得到了满意的结果。 这充分证明了 CFD 技术的方便可操作性。也有 研究人员试图将多区域模型和 CFD 模型耦合在 一起 , 但没有得到令人满意的结果。 1. 2. 4 设计与研究工具 在自然通风的研究和设计过程中 , 需借助于 现有的分析流体流动和能量的一些软件 , 并应开 发出适用于自然通风的软件。下面介绍几种可应 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。 1. 2. 4. 1 COMIS 就目前 而言, COMIS Model 被公 认为 较为出 色的模型 , 它是在国际能源组织 IEA 的资助下, 为 评估室内和小区能源耗损情况而建立的。该模型 最初在 1989 年由国际空气渗透与通风研究中心 组织 15 国 专家 以 Fortran 为源 代码合 作编 辑而 成, 随后在多区气流模型基础上有了更进一步的 发展, 目前已有 COMERL、 Sibat 以及 XCOMIS 等 多个版本。 COMIS 可通过室内二氧化碳浓度和能耗状况 来评估室内通风状况 , 它能处理复杂的多区气流 状况 , 并能对其污染传输状况进行 实验, 例如缝 隙、 管道、 风机、 打的垂直空间以及建筑物正面的 压力系数等多种 成分进行模拟。在 COMIS 模型 中, 建筑中任何一个区域及边界都用点来表示, 气 流的路径用直线来表示 , 根据网络平衡得出一系 列非线性的代数方程组 , 利用牛顿迭代法求解方 程组, 得到神风气流流量以及室内污染物的分布 情况。但是 , COMIS 是在 DOS 系统下基于 Fortran 语言开发的, 用户界面不友好 , 给模型的实际运用 带来困难 , 为此 , 在 COMIS 基础上又开发了 XCO MIS, 解决了用户界面不友好的问题。
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, experimental method and numerical simulat ion method. the research state of lat er two methods are intro duced in this paper, and comparisons are also made, and applicat ion range are also proposed. Some active tool software which can be used in analyse of characteristics of natural ventilation with numerical simulation method are introduced. comparisons of their operating principle and application characteristics are made, and suggestions are also proposed in application of it. Key words: natural ventilation; research way; tool