室外温度对热压自然通风的影响研究

徐小虎 XU Xiao-hu

（广东机电职业技术学院电气学院，广州 510550）

摘要：在忽略风压影响的情况下，对于有稳定内热源的建筑，室外温度对建筑物自然通风的影响是十分显著的。本文采用计算流体力学(CFD) 方法，对具有固定热源强度的典型民用建筑的自然通风进行数值模拟分析，得出不同室外温度下的密度场分布、压力场分布，并得出中和面高度及换气次数的变化规律。通过分析可知，对于双面通风形式，随着室外温度的升高会导致室内外密度差减小，阻碍室外空气与室内空气的交换，不利于房间的自然通风。

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关键词 ：室外温度；热压自然通风；中和面；计算流体力学；数值模拟

中图分类号：TU834.1 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）24-0163-03

作者简介：徐小虎（1988-），男，河南濮阳人，助教，研究生，研究方向为空调系统节能控制及系统优化。

0 引言

随着我国经济的飞速发展，能源消耗逐年增加，据统计目前我国建筑能耗占社会总能耗的30%左右，因此在我国对建筑节能、绿色建筑的要求日益严格。自然通风的合理利用不但能够可以节约能源，保持良好的室内空气品质，还可以在一定程度上解决夏季或过渡季节的热舒适性问题，取代或部分取代建筑空调的使用，缓解城市居住小区的热环境恶化，近年来越来越多的受到人们的重视[1-4]。在我国暖通空调设计规范中提到建筑物设计时应尽量利用自然通风，设置有效地自然通风设施[5]。

建筑自然通风是由热压与风压共同作用形成的，但由于受到城市的地形和布局、城市建筑高度与建筑间距比值等诸多因素的影响，风压作用被大大地削弱，从而无法满足自然通风要求，使得我们不得不关注建筑热压作用的重要性。由于风压变化的随机性，在我国暖通空调设计规范中，对自然通风的设计仅考虑热压作用。

在忽略风压影响的情况下，对于有稳定内热源的建筑，室外气象条件对建筑自然通风的影响是十分显著的[6]。本文采用计算流体力学（CFD）方法进行模拟，通过改变室外温度，对具有一般几何特征的民用建筑的自然通风进行数值模拟，分析热压作用下室内流场分布随室外温度的变化规律。

1 热压作用下的自然通风原理

由于室内外空气的温度差及密度差的存在，从而导致沿着建筑物墙体垂直方向上的压力梯度的出现。由于压差的作用，驱动室内外空气的流动，从而形成热压作用下的自然通风，如图1所示。

热压的大小与两开口的高度差和室内外空气的密度差有关。当室内温度高于室外温度时，沿建筑物墙体垂直方向，由下向上压力逐渐升高。当建筑物上下部均存在开口时，空气由下部的开口流入，从上部开口流出。反之，则气流方向相反。自然通风热压的大小取决于两个开口的高度差以及室内外空气的密度差。实际上，即便只有一个开口存在仍然有自然通风的存在，此时建筑开口可以看成由上下两个开口叠加放置[7]。

2 自然通风物理模型的建立

本文对热压作用下的自然通风进行数值模拟，采用穿堂式通风，两侧窗户全部开启，如图2所示。

2.1 物理模型

选择几何尺寸具有代表性的民用建筑建立物理模型，L×W×H=4m×3m×3m。窗尺寸为1.2m×1m（高×宽），室外压力为标准大气压1.013×105Pa。

2.2 计算域及边界条件

流场计算域的选择对流场数值模拟的合理性有很大影响，合理选择计算域不仅能保证流动充分发展还可以减轻计算机硬件负担，大大缩短计算时间[7]。

确定本文模拟的计算域为：来流入口到模型迎风面距离为4L，背风面到出口距离为8L，计算域长度为建筑模型长度的13倍，宽度为建筑模型的9倍，模型两侧分别为4W，高度为模型的两倍，即为2H所示。

入口条件采用速度入口Velocity-inlet边界条件，出口条件采用outflow边界条件。环境温度为300K，操作压力为1.013×105Pa。模拟采用三维非结构网格，如图3所示。

3 室外温度对建筑自然通风的影响

由于自然通风房间没有室内设计温度，因此CFD模拟中选取室外温度作为墙体和屋面的外壁面热边界条件，室外温度选取过渡季节与夏季典型室外温度，分别为18℃，27℃，36℃条件下，得到室外温度变化对自然通风的影响。

在不同室外温度条件下，房间的自然通风势必会受到室外空气温度的影响，本文模拟选取过渡季及夏季典型室外温度，研究在不同室外温度条件下房间的自然通风过程。假定室内热源均匀分布于地面，热源强度为50W/m2固定不变，房间通风形式分为双面通风。

在忽略室外风速的情况下，房间迎风面、背风面窗户全面开启，室内热源为50W/m2固定不变，模拟在双面通风条件下室外温度变化对室内自然通风的影响。表1为不同室外温度工况的参数设定。

3.1 速度场分布

由图4不同室外温度工况的室内速度场分布可以看出：①房间的速度场的分布规律并没有因室外温度的变化而发生改变。②随着室外温度的升高，室内空气流速有所减小，表明室外温度的升高阻碍了室内空气的流动。③窗口处的高速区的速度值随着室外温度的升高而有所减小，可以看出室外温度的升高使得室外空气流入室内的阻力有所增加。

3.2 密度场分布

由图5不同室外温度工况的室内密度场分布可以看出：①房间内空气密度存在明显的分层现象，随着竖直高度的增加，空气密度逐渐增大。②室外气流流入室内，随着室外温度的升高，室内空气密度有所增大，从而使得室内外空气密度差减小，阻碍室内外空气的交换。

3.3 压力场分布

由图6可以看出，不管室外温度如何变化，各计算工况的压力场具有相同的压力变化规律：①房间压力存在明显的分层现象，室内压力小于室外压力，房间上部压力大于底部的压力值。②室内压力随着室外温度的升高有所增大，使得室内外压差减小，从而我们可以得出室外温度的升高不利于地面空气升腾，是不利于室内的自然通风的。

3.4 中和面分布

由表2中和面高度随室外温度的变化我们可以看出：①室外温度的升高，会使房间的中和面有所上升，说明在不同的典型季节室外温度下，房间中和面的高度是不同的，夏季的中和面高度大于过渡季节的中和面高度。②中和面高度有所上升，说明双侧开口增加了房间气流的扰动，有利于房间上下部分的气流混合，使得室外气流温度的变化影响到了中和面的高度。

3.5 换气次数

由表3不同室外温度工况下的换气次数可以看出，室外温度的增加，使得房间的换气次数减小，并且随着室外温度的升高，温度变化对房间换气次数的影响有所减弱。

从而可以得出在双面通风条件下，室外温度的升高同样阻碍了房间污浊气体与室外新鲜气体的交换，不利于房间的自然通风。

4 结论

综上所述，可以得出以下结论：①在双面通风的条件下，室外温度的升高，会使房间的中和面有所上升，说明在不同的典型季节室外温度下，房间中和面的高度是不同的，且双侧开口增加了房间气流的扰动，有利于房间上下部分的气流混合。②在双面通风条件下，室外温度的升高阻碍了室内外空气交换，不利于房间的自然通风。③对于过渡季节，由于室外温度较低，可以充分利用自然通风来实现房间降温，同时补充室内新鲜空气。④在夏季，白天室外温度较高时，应采用空调来满足室内温度需求；当夜间室外温度降低时，可以考虑利用自然通风降低房间围护结构和家具的蓄热量，以减少第二天空调的启动负荷。

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参考文献：

[1]朱唯，狄育慧，王万江，等．室内环境与自然通风[J]．建筑科学与工程学报，2006，23（I）：90-94．

[2]刘静，俞炳丰，高振生．低温送风系统的研究进展[J].建筑科学与工程学报，2005，22（3）：70-74．

[3]王惠想，张伟捷.建筑空调能耗与城市热岛效应[J].河北建筑科技学院学报（自然科学版），2004，21（1）：23-27．

[4]于洪林.建筑节能——浅析热压作用下的自然通风[J].城市建设理论研究（电子版），2012（18）.

[5]GB 50019-2003，采暖通风与空气调节设计规范[S].

[6]庄江婷．高大厂房建筑自然通风模式的优化研究[D]．上海：同济大学，2008．

[7]孙一坚．工业通风（第三版）[M]．北京：中国建筑工业出版社，1994．