某双层玻璃幕墙建筑自然通风的数值模拟研究

黄艳 刘东 杨建坤 张恩泽

摘要： 根据双层玻璃幕墙建筑的特殊热环境，提出过渡季节采用自然通风的方式，确定了建筑围护结构的开口方式和开口大小，使各楼层的空气温度都在热舒适范围内；应用CFD数值模拟方法对各楼层房间的三维温度场，速度场进行了模拟，研究结果表明，利用自然通风能够有效地改善室内热环境，较好地满足人体热舒适的要求。

关键词： 自然通风 数值模拟 中庭

1.引言

空调的应用为人们创造了舒适的室内环境，但也带来了一些问题；首先，空调建筑的密闭性较好，当新风量不足时，室内空气品质（IAQ）恶化会导致病态建筑综合症（SBA）；其次，大量的空调器加剧了城市热岛效应，造成室外空气热环境恶化；再次，空调器的普及使建筑能耗有较大的增长趋势。

因此随着可持续发展战略的提出，同时发展生态建筑也是大势所趋，自然通风这项古老的技术重新得到了重视。合理利用自然通风能取代或部分取代传统制冷空调系统，不仅能不消耗不可再生能源实现有效被动式制冷，改善室内热环境；而且能提供新鲜、清洁的自然空气，改善室内空气品质，有利于人的身体健康，满足人们心理上亲近自然，回归自然的需求。采用双层玻璃幕墙可以进行有效的自然通风。

双层玻璃幕墙又称动态幕墙，两层玻璃之间的距离为20mm～500mm，利用“烟囱、热流道”效应，气流在两层玻璃幕墙中间由下向上循环，带走外面一层玻璃幕墙太阳辐射的能量，达到隔热、保温、节能、环保的功效。按照不同的通风原理双层玻璃幕墙可分为：整体式、廊道式、通道式和箱体式。双层玻璃幕墙具有多项功能：减少风及恶劣气候的影响、提高隔音能力、充分利用太阳能、使用自然通风使空调使用率降至最低。本文主要研究其自然通风的功能及效果。

2.研究对象及技术路线

2.1 研究对象

本文中研究对象为采用双层玻璃幕墙带中庭的办公建筑，共6层，外形结构见图1，幕墙结构见图2：

　
　　　　　　　　　　　　图1 建筑外形图 　　　　　　　图2 廊道式双层幕墙局部放大图

该幕墙为廊道式双层幕墙，每层设置通风道，层间水平有分隔，无垂直换气通道，自然通风的路径为：

这类建筑室内环境易受太阳辐射影响，同时其空间高度高，上下温差大，这对预测带来很大困难，随着计算机及流体力学的发展，三维CFD模拟技术得到广泛应用，它即可以满足大型建筑多空间多开口的自然通风设计要求，又能精确预测各设计室内的空气速度场和温度分布，因此本文在满足顶层室内热环境的基础上设计了屋顶排风天窗面积，并在此基础上利用CFD对该建筑的局部房间室内热环境进行了数值模拟。

2.2 技术路线

自然通风一般采用风压或者热压，中庭建筑的“烟囱效应”就是利用建筑内部的热压作用，由于室外风速和风向是经常变化的，因而风压作用不是一个可靠的稳定因素，所以本文进行模拟计算时进行了简化，仅考虑热压下的自然通风。

热压通风，是利用建筑内部由于空气密度不同，热空气趋于上升，而冷空气趋向下降的特点。热压作用与进风口和出风口的高度差，以及室内外空气温度差存在着密切的关系：高度差愈大，温度差愈大，则热压通风的效果愈明显。因而大楼各楼层（共6层）的进风量随楼层高度的增加而减小，基于这种情况考虑，在满足6楼室内热环境的要求下，设计屋顶侧窗面积。基本技术路线见图3：

图3基本技术路线

3.房间的计算数学模型

3.1 物理模型

（a） 　　　　　　　　　　　　(b)　　　　　　　　　　　　 (c)
图4 计算物理模型

a: 一个通风口 b: 两个通风口 c: 整条通风口

如图房间长11.1m，宽8.4m，高2.9m；房间内发热量包括人员、灯光及设备， 图中3个长方体代表房间的人员及设备，顶部设9盏灯；图形左下角为三个双层玻璃幕墙进风口，均为1400mm×300mm, 房间右上侧为通风口，通风口面积见表1。

3.2 基本参数计算

3.2.1 计算室外气温为20℃时，6楼达到热舒适性要求的最低进口风速

（1）

式中： — 6楼的室内发热量，W;

— 空气比热，=1010J/kg.℃;

— 室外空气的密度，温度为20℃，kg/m³;

— 通风气流的温度差,℃;

— 6楼的进风口面积, m².

计算得到m/s

3.2.2 计算中和面的高度

根据 （2）

式中： － 进风窗口的流量系数（取0.35）;

－ 室内外空气的密度差,kg/m³;

－ 顶层进风口的中心高度,m;

— 中和面的高度,m.

计算得到 m

根据中和面高度计算各楼层进风速度，并根据回风口风速范围^[3]计算房间通风口面积,计算结果如表1所示：

表1 各楼层进风速度及房间通风口面积

注：1楼为开放式大堂

3.3 控制方程

模拟房间内的气流属于非稳态的三维不可压缩紊流流动，因此在计算中采用当前在计算房间气流时最常用的模型。模型所遵守的偏微分方程的向量表示如下：

连续性方程： （3）

动量方程：（4）

紊流能量传递方程：（5）

紊流能量耗散方程： （6）

能量方程： （7）

上式列表中，；i=1,2,3；j=1,2,3；为速度，为密度，为分子粘性系数，为紊动能，为紊动能耗散率。模型中的经验常数可按表2取。

表2 模型中的经验常数取值

4.模拟计算及结果

室外气象参数及室内负荷大小直接影响房间的室内热环境，由于大楼顶层的自然通风量最小，室内热环境最恶劣，因此以顶层房间为研究对象，研究内容如下：

（1）不同大小的室内通风口，房间的温度场和速度场分布

（2）不同室外温度，不同室内发热量，6楼的温度场分布

4.1 不同大小的室内通风口，房间的温度场及速度场分布

计算工况：室外温度为20℃，室内发热量为50W/m²；比较房间设置一个800mm×250mm通风口，两个800mm×250mm通风口，及一个8400mm×250mm通风口的室内温度场和速度场

(1) 一个通风口：z=1.5m处的温度场和速度场

　
图5a z=1.5m剖面温度场示意图 单位：K　　 图5b z=1.5m剖面速度场示意图 单位：m/s

(2)两个通风口：z=1.5m处的温度场和速度场

　
图6a z=1.5m剖面温度场示意图 单位：K 　图6b z=1.5m剖面速度场示意图 单位：m/s

(3) 整条通风口：z=1.5m处的温度场和速度场

　
图7a z=1.5m剖面温度场示意图 单位：K　 图7b z=1.5m剖面速度场示意图 单位：m/s

温度场分析：由于进风口偏左，房间左端温度较右端低; 房间沿气流流动方向温度逐渐增高；

比较图5a,6a,7a可以看出房间设置两个通风口室内热环境明显优于设置一个通风口，而设长条风口的优势并不明显。

速度场分析：比较图5b,6b,7b,可以看出设置一个通风口，工作区流场比较平缓，在近热源及出风口局部有漩涡；而设置两个通风口及整条通风口的房间，在近内部热源处气流扰动比较大，房间气流形成了两个大涡流区，涡流流线呈闭合状。气流速度除了热源和风口处较高以外，在人员工作区的大部分地区，风速基本保持在0.1m/s以内满足房间舒适区要求。

模拟计算得到不同出风口的室内温度分布范围见表3

表3 不同出风口形式下的室内温度分布

4.2 室外温度变化时,不同负荷下6楼的温度场分布

表4 计算工况

5.结论

通过以上的模拟工作，我们可以得出以下结论：

5.1 在相同的室内发热量及室外温度下，房间的通风口面积越大，自然通风效果越好，但是增加到一定值，改善效果便不明显，因此设计时要确定合理的通风口面积。

5.2 完全依靠自然通风的效果取决于室内发热量及室外温度，当室外温度超过一定值时要考虑机械制冷与自然通风相结合。

5.3 冬冷夏热地区，早晚温差较大，可考虑利用晚间自然通风排除围护结构的蓄热量。

5.4 本文中仅考虑空气的热压作用，未考虑风压作用，两者结合分析还有待进一步研究。

参考文献：

(1) 孙一坚.工业通风.中国建筑工业出版社，1994

(2) 范存养.大空间建筑空调设计及工程实录.中国建筑工业出版社

(3) 陆耀庆.实用供热空调设计手册.中国建筑工业出版社

(4) 彭小勇.暖通空调，2002，30(6)：27～29

(5) 宋晔皓.建筑学报，2000，30：12～14

(6) 卫丹，龙惟定，范存养.建筑热能通风空调，2002，3：35～39