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采用CFD技術(shù)對(duì)某實(shí)驗(yàn)樓室內(nèi)自然通風(fēng)進(jìn)行模擬分析研究

2021-12-31 02:39:08馮薇劉臣厚
中國(guó)設(shè)備工程 2021年24期
關(guān)鍵詞:實(shí)驗(yàn)樓樓面熱壓

馮薇,劉臣厚

(1.中國(guó)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司,北京 100044;2.北京格力中央空調(diào)工程有限公司,北京 100055)

1 前言

為了貫徹落實(shí)關(guān)于加強(qiáng)節(jié)能減排工作的戰(zhàn)略部署,建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì),推動(dòng)綠色建筑與建筑節(jié)能相關(guān)工作,指導(dǎo)本地區(qū)綠色建筑與建筑節(jié)能的設(shè)計(jì)、施工,打造綠色建筑與建筑節(jié)能模式,國(guó)家出臺(tái)了《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》,要求“新建國(guó)家機(jī)關(guān)辦公建筑、大型公共建筑(單體建筑面積2萬(wàn)平方米以上)學(xué)校、醫(yī)院、建筑面積15萬(wàn)平方米以上的住宅小區(qū)、土建和裝修一體化設(shè)計(jì)和施工的建筑應(yīng)當(dāng)按照綠色建筑標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行規(guī)劃、設(shè)計(jì)及建設(shè)”。

自然通風(fēng)作為一種有效的被動(dòng)式節(jié)能策略,不僅能利用可再生能源最大限度地降低不可再生能源的消耗,而且能改善室內(nèi)空氣品質(zhì),更大限度地為人們提供健康舒適的室內(nèi)環(huán)境,符合綠色建筑的發(fā)展趨勢(shì),已經(jīng)被越來(lái)越多的人所接受。

2 項(xiàng)目概況

2.1 建筑概況

本項(xiàng)目為北京某實(shí)驗(yàn)樓,項(xiàng)目地點(diǎn)位于北京懷柔區(qū)。建筑面積8500㎡,地上二層,建筑高度14.6m。主要建筑功能為實(shí)驗(yàn)室及附屬用房(圖1)。

圖1 實(shí)驗(yàn)樓效果圖

2.2 氣候狀況

工程所處地區(qū)按中國(guó)建筑氣候區(qū)劃為Ⅱ級(jí)區(qū)北緯39°57',屬寒冷地區(qū)。最冷月平均氣溫-4.6℃;最熱月平均氣溫25.8℃。相對(duì)濕度最冷月平均45%;最熱月平均78%。平均年總降水量627.6mm,最大積雪深度24cm,最大凍土深度85cm。年雷暴日數(shù)35.7,主導(dǎo)風(fēng)向夏季為南偏西,冬季主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)楸逼鳌?/p>

2.3 通風(fēng)概述

自然通風(fēng)是利用風(fēng)壓和熱壓(煙囪效應(yīng))兩種驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行的通風(fēng),是當(dāng)今綠色建筑所普遍應(yīng)用的一項(xiàng)重要技術(shù)措施。人們利用自然通風(fēng)主要是利用其兩大功能:一是通風(fēng)降溫(除濕),借以改變室內(nèi)熱環(huán)境(熱舒適)狀態(tài);二是通風(fēng)換氣,借以改善室內(nèi)空氣質(zhì)量狀態(tài)(如增新風(fēng)、排除各種有害氣體等)。

(1)風(fēng)壓產(chǎn)生的自然通風(fēng)。當(dāng)風(fēng)壓的作用遠(yuǎn)大于熱壓作用,如當(dāng)室外風(fēng)速很大時(shí),可只考慮風(fēng)壓作用。建筑迎風(fēng)面和背風(fēng)面的風(fēng)壓差促使空氣從處于迎風(fēng)面的風(fēng)口進(jìn)入室內(nèi)而從背風(fēng)面的風(fēng)口排出,從而形成風(fēng)力驅(qū)動(dòng)的自然通風(fēng)。建筑物周圍的風(fēng)壓分布與建筑的幾何形狀和室外風(fēng)向有關(guān)。風(fēng)向一定時(shí),建筑物外圍結(jié)構(gòu)上某一點(diǎn)的風(fēng)壓值可用式(1)表示:

式中,fP為風(fēng)壓值,aP,k為空氣動(dòng)力系數(shù),與建筑形狀和風(fēng)向相對(duì)應(yīng),通常由風(fēng)洞模型實(shí)驗(yàn)確定;wρ為室外空氣密度,kg/m3;vw為未受擾動(dòng)來(lái)流速度,m/s。

由于風(fēng)速在近地層隨高度有較大的變化,平均風(fēng)速隨高度變化的規(guī)律可用指數(shù)函數(shù)來(lái)描述,其表達(dá)式如式(2)所示。

式中,vw為高度H處的風(fēng)速,m/s;H為任一點(diǎn)的高度,m;v10為標(biāo)準(zhǔn)高度(常取 10m)處的平均風(fēng)速,m/s;α為地面粗糙系數(shù),其值根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB 50009—2012,地面粗糙度可分為A、B、C、D四類:A類指近海海面和海島、海岸、湖岸及沙漠地區(qū),指數(shù)為0.12;B類指田野、鄉(xiāng)村、叢林、丘陵以及房屋比較稀疏的鄉(xiāng)鎮(zhèn),指數(shù)為0.16;C 類指有密集建筑群的城市市區(qū),指數(shù)為0.22;D類指有密集建筑群且房屋較高的城市市區(qū),指數(shù)為0.30。

(2)熱壓產(chǎn)生的自然通風(fēng)。當(dāng)風(fēng)壓作用比熱壓作用弱,例如,當(dāng)室外風(fēng)速很小而室內(nèi)外溫差很大時(shí),可只考慮熱壓作用。當(dāng)室內(nèi)外空氣存在密度差時(shí),密度小的空氣向上運(yùn)動(dòng),密度大的空氣向下運(yùn)動(dòng)而形成的自然通風(fēng),稱熱壓作用的自然通風(fēng)。在建筑內(nèi),由人體、燈光、設(shè)備、太陽(yáng)輻射等產(chǎn)生大量的熱,當(dāng)室外空氣溫度低于室內(nèi)溫度時(shí),可以利用熱壓的抽吸作用或煙囪效應(yīng)將室外空氣引入室內(nèi)。熱壓是由室內(nèi)外密度差引起的。熱空氣上升從建筑上部風(fēng)口排出,室外新鮮的冷空氣從建筑底部被吸人,熱壓作用與進(jìn)排風(fēng)口高度差的關(guān)系可以用式(3)表示。

式中,heatPΔ 為熱壓作用,Pa;0ρ為室外空氣密度,kg/m3;H為進(jìn)排風(fēng)口高度差,m;β為空氣膨脹系數(shù);Ti,T0分別為室內(nèi)外溫度平均值,K。

(3)綜合作用下的自然通風(fēng)。利用風(fēng)壓和熱壓來(lái)進(jìn)行自然通風(fēng)往往是互為補(bǔ)充,密不可分的。目前,為了更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)風(fēng)壓和熱壓什么時(shí)候加強(qiáng)什么時(shí)候削弱,熱壓和風(fēng)壓綜合作用下的自然通風(fēng)機(jī)理還在探索中。通常可用公式(4)來(lái)計(jì)算綜合作用時(shí)的通風(fēng)量。

式中,Q為綜合作用時(shí)的通風(fēng)量,m3/s;Qw為風(fēng)壓?jiǎn)为?dú)作用下通風(fēng)量,m3/s;Qh為熱壓?jiǎn)为?dú)作用下通風(fēng)量,m3/s。

根據(jù)項(xiàng)目室外風(fēng)環(huán)境模擬結(jié)果可知,本實(shí)驗(yàn)樓各季節(jié)的建筑前后壓差都較有利于室內(nèi)利用自然通風(fēng),故本項(xiàng)目主要考慮風(fēng)壓通風(fēng),通過(guò)設(shè)置外窗開(kāi)啟扇實(shí)現(xiàn)被動(dòng)式通風(fēng)節(jié)能。

3 技術(shù)路線

本模擬研究主要對(duì)該實(shí)驗(yàn)樓室內(nèi)主要功能房間的室內(nèi)空氣的流速進(jìn)行模擬分析,驗(yàn)證其室內(nèi)自然通風(fēng)效果是否滿足《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》DB11/T825-2015第8.2.10條對(duì)自然通風(fēng)設(shè)計(jì)提出了明確的相關(guān)要求,模擬分析時(shí)根據(jù)本項(xiàng)目室外風(fēng)環(huán)境模擬計(jì)算結(jié)果設(shè)定邊界條件。

3.1 分析方法

建筑室內(nèi)通風(fēng)的預(yù)測(cè)方法目前主要有區(qū)域模型、模型實(shí)驗(yàn)以及計(jì)算流體力學(xué)方法。

區(qū)域模型是將房間劃分為一些有限的宏觀區(qū)域,認(rèn)為區(qū)域內(nèi)的相關(guān)參數(shù)如溫度、濃度相等,通過(guò)建立各區(qū)域的質(zhì)量和能量守恒方程得到房間的溫度分布以及流動(dòng)情況,實(shí)際上模擬得到的還只是一種相對(duì)“精確”的集總結(jié)果,且在機(jī)械通風(fēng)中的應(yīng)用還存在較多問(wèn)題。

模型實(shí)驗(yàn)屬于實(shí)驗(yàn)方法,需要較長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)周期和昂貴的實(shí)驗(yàn)費(fèi)用,搭建實(shí)驗(yàn)?zāi)P秃馁Y很大,且對(duì)于不同的條件,可能還需要多個(gè)實(shí)驗(yàn),耗資更多,周期也長(zhǎng)達(dá)數(shù)月以上,難以在工程設(shè)計(jì)中廣泛采用。而且,為了滿足所有模型實(shí)驗(yàn)要求的相似準(zhǔn)則,其要求的實(shí)驗(yàn)條件可能也難以實(shí)現(xiàn)。

CFD模擬是從微觀角度,針對(duì)某一區(qū)域或房間,利用質(zhì)量、能量及動(dòng)量守恒等基本方程對(duì)流場(chǎng)模型進(jìn)行求解,分析其空氣流動(dòng)狀況。采用CFD對(duì)自然通風(fēng)模擬,主要用于自然通風(fēng)風(fēng)場(chǎng)布局優(yōu)化和室內(nèi)流場(chǎng)分析,以及對(duì)象中庭這類高大空間的流場(chǎng)模擬,通過(guò)CFD提供的直觀詳細(xì)的信息,便于設(shè)計(jì)者對(duì)特定的房間或區(qū)域進(jìn)行通風(fēng)策略調(diào)整,使之更有效地實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng)。

本研究采用CFD技術(shù)對(duì)該實(shí)驗(yàn)樓室內(nèi)主要功能房間的自然通風(fēng)效果進(jìn)行模擬。研究中綜合考慮流場(chǎng)、風(fēng)速以及空氣齡對(duì)項(xiàng)目室內(nèi)自然通風(fēng)狀況進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。

3.2 湍流模型

模擬中采用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型求解實(shí)驗(yàn)樓室內(nèi)自然通風(fēng)狀況,涉及的控制方程主要包括連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程,可以寫(xiě)成如下通用形式(5):

該式中的φ可以是速度、湍流動(dòng)能、湍流耗散率以及溫度等。針對(duì)不同的方程,其具體表現(xiàn)形式如表1。

表1 計(jì)算流體力學(xué)的控制方程

表1中的常數(shù)如下:

盡管室內(nèi)自然通風(fēng)流速較低,但在復(fù)雜的邊界條件下,室內(nèi)氣流呈現(xiàn)為湍流狀態(tài)。本報(bào)告采用k-ε湍流模型,該模型已經(jīng)得到了大量工程應(yīng)用的驗(yàn)證,可靠性高。

自然對(duì)流中,浮升力起主導(dǎo)作用,所以動(dòng)量方程中密度的變化采用Boussinesq假設(shè)處理,即輸入一個(gè)空氣的膨脹系數(shù),近似認(rèn)為密度的變化與溫度的變化成線性關(guān)系,滿足式(6):

其中,為β膨脹系數(shù)。

3.3 幾何模型

幾何計(jì)算模型圖如圖2所示。

圖2 幾何計(jì)算模型圖

本研究根據(jù)建筑設(shè)計(jì)圖紙以及其他相關(guān)資料建立該實(shí)驗(yàn)樓室內(nèi)自然通風(fēng)模擬模型,模型中通風(fēng)開(kāi)口尺寸按照可開(kāi)啟部分有效面積設(shè)置。

本次研究主要分析實(shí)驗(yàn)樓的典型層室內(nèi)氣流組織,主要分析辦公、實(shí)驗(yàn)室等主要功能空間,衛(wèi)生間、電梯等非主要功能空間不在本次分析范圍內(nèi)。

3.4 邊界條件

根據(jù)室外風(fēng)環(huán)境分析結(jié)果確定目標(biāo)建筑表面門窗風(fēng)壓,作為室內(nèi)通風(fēng)分析的邊界條件。

4 模擬分析

S1室內(nèi)自然通風(fēng)計(jì)算分析:

(1)流場(chǎng)。圖3~4距樓面1.2m(坐姿呼吸區(qū))高度處的流場(chǎng)分布情況。圖中可見(jiàn),建筑兩側(cè)風(fēng)口位置的分布利于“穿堂風(fēng)”的形成,部分位置氣流受內(nèi)墻阻擋產(chǎn)生渦流,大部分區(qū)域氣流分布均勻??傮w上說(shuō),各主要功能房間室內(nèi)氣流都較強(qiáng),通風(fēng)效果較好。

圖3 距一層樓面1.2m高度流場(chǎng)分布

(2)風(fēng)速。圖5~6為距樓面1.2m(坐姿呼吸區(qū))高度處的風(fēng)速分布情況。圖中可見(jiàn),局部風(fēng)速較大,其他部分區(qū)域的風(fēng)速相對(duì)較小??傮w上看,風(fēng)速較大區(qū)域,可以通過(guò)調(diào)節(jié)外窗的開(kāi)口大小減小風(fēng)速,避免不適感的產(chǎn)生,以達(dá)到 非空調(diào)情況下室內(nèi)舒適風(fēng)速的要求。

圖4 距二層樓面1.2m高度流場(chǎng)分布

圖5 距6層樓面1.2m高度風(fēng)速分布

圖6 距9層樓面1.2m高度風(fēng)速分布

表2 通風(fēng)量情況分析

圖8 距9層樓面1.2 m高度空氣齡分布

(3)空氣齡。圖7~8各層樓面1.2m(坐姿呼吸區(qū))高度處的空氣齡分布情況。圖中可見(jiàn),各層建筑平面區(qū)域空氣齡在500s以內(nèi)??傮w上看,各層區(qū)域均能保證室內(nèi)的空氣質(zhì)量,主要功能房間通風(fēng)效果相對(duì)較優(yōu)。

圖7 距6層樓面1.2m高度空氣齡分布

(4)通風(fēng)量。經(jīng)統(tǒng)計(jì),在門窗可開(kāi)啟部分均開(kāi)啟時(shí),各樓層室內(nèi)主要功能空間的整體通風(fēng)量情況見(jiàn)表3,各層均滿足在自然通風(fēng)條件下保證主要功能房間換氣次數(shù)不低于2 次/h的要求。

5 結(jié)語(yǔ)

本次研究通過(guò)對(duì)北京實(shí)驗(yàn)樓室內(nèi)主要功能空間在夏季主導(dǎo)風(fēng)向平均風(fēng)速條件下的自然通風(fēng)狀況進(jìn)行模擬分析,得出以下結(jié)論:

本實(shí)驗(yàn)樓兩側(cè)風(fēng)口位置的分布利于“穿堂風(fēng)”的形成,部分位置氣流受內(nèi)墻阻擋產(chǎn)生渦流,大部分區(qū)域氣流分布均勻。

在夏季主導(dǎo)風(fēng)向平均風(fēng)速邊界條件下,該實(shí)驗(yàn)樓樓的人體活動(dòng)區(qū)域部分位置風(fēng)速在1.4m/s以上,可通過(guò)控制外窗開(kāi)啟來(lái)調(diào)節(jié)室內(nèi)風(fēng)速以滿足非空調(diào)情況下室內(nèi)舒適風(fēng)速要求。

在夏季主導(dǎo)風(fēng)向平均風(fēng)速邊界條件下,實(shí)驗(yàn)樓室內(nèi)主要功能空間的換氣效率均在2次/h以上,面積達(dá)97%,滿足在自然通風(fēng)條件下保證主要功能房間的平均自然通風(fēng)換氣次數(shù)不小于2次/h的面積比例達(dá)到60%的要求。

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