广州某图书馆夏季自然通风环境和热环境的模拟与评价.pdf

第2卷 第4期热带建筑2004年12月TROPI C ARCH ITECTURE15收稿日期:2004年11月.作者简介:潘瑜芬(1977-),女,硕士研究生.广州某图书馆夏季自然通风环境和热环境的模拟与评价潘瑜芬 张 玉 赵立华 孟庆林 肖毅强(华南理工大学建筑学院 建筑节能研究中心,广东,广州,510641)摘 要:建筑方案对建筑室内风场和温度场的分布影响很大。本文的广州某图书馆建筑围护结构不同开窗面积方案为例,借助PHOEN I CS软件,模拟分析不同方案建筑室内风场的分布。通过不同方案的比较,在夏季适当的增加建筑物围护结构的开窗面积,可以改善室内风场的分布,利用有效的自然通风提高室内空气品质和人体的舒适感觉。关键词:计算流体动力学CFD;自然通风;风环境;热环境The si mllation and evaluatui n of veloaty and temperatur field i n a libraryPAN YufenZHANG YuZHAO LihuaMENG QinglinXI AO Yijang(Research Center of Engrgy Efficiency in Buildings,South China Univ.of Tech.,Guangzhou 510641,China)Abstract:The three2di mensional airflow is numerically calculated with the soft of PHOEN ICS in a library with different openingscheme.This paper describes the velocity field and temperature field in the library.In order to i mprove nature ventilation,increas2ing the area of opening should be considered.Key words:CFD;nature ventilation;velocity field;temperature field 建筑物室内气流分布和温度分布是体现舒适和卫生的空气环境的主要指标之一。对于不同的建筑设计方案,会造成不同的气流分布而产生不同的舒适效果。因此,如果在设计阶段能够正确而详细的进行预测和评价室内气流分布,可实现建筑方案的优化设计。利用CFD(Computational Fluid Dynamics)技术可以对建筑室内空气流动形成的速度场和温度场进行模拟和预测,这对于保证良好的建筑设计方案、提高室内空气品质等都要重要的指导意义。本文借助数值计算软件PHOEN ICS,以广州某图书馆不同开窗面积方案为例,模拟分析不同方案建筑室内风场和温度场的分布。1 建筑概述图书馆位于广州,建筑朝向为正南北向。建筑平面图与立面图如图1、图2所示,总面积约15000m2。图书馆14层是主要阅览区,每个阅览室采用空调送风。图书馆主体建筑围护结构采用普通玻璃,主体建筑外设置LOW-E玻璃围护结构(以下称玻璃外罩),在玻璃外罩边设置环形水池。图1 建筑平面图图2 建筑立面图 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.16热带建筑(2004)第2卷2 数学模拟2.1 模拟方案说明模拟方案:图书馆拟采取LOW-E玻璃围护结构,为对比外玻璃罩开窗面积不同时图书馆内的通风效果,方案分以下两种情况:表1 图书馆不同开窗面积方案方案建筑开窗位置及宽度A玻璃外罩开窗设置:1)在标高为0m处,开窗宽度2m,通长2)南北向通道位置处,窗高1.5m,宽2m,开窗角度大于45B玻璃外罩开窗设置:1)在方案A的基础上,在玻璃外罩东西两面各开两列窗,窗高1.5m,宽2m,开窗角度大于452.2 模型分析与简化图书馆14层是主要阅览区,每个阅览室采用空调,模拟时不考虑空调房间的空气流动,只考虑空调房间室外通道自然通风情况。建立长66m,宽66m,高22.4m玻璃外罩模型,主体建筑空调房间均用实体填充,留出室外通道进行模拟计算。两种方案的模型建立如图3,图4所示,主体建筑的模型(无玻璃外罩)如图5所示。根据坐标轴方向,X向对应建筑西-东向,Y向对应建筑北-南向,Z向对应建筑高度方向。图3 方案A模型图4 方案B模型图5 主体建筑模型3 研究方法3.1 基本方程使用计算流体力学软件PHOEN I CS对图书馆内的气流流动进行模拟计算。模拟计算时采用k-湍流模型,并考虑重力的影响。湍流流动连续方程、动量方程、能量方程,以及湍流脉动动能和脉动动能耗散率方程都可以写成下列通用方程的形式1。5()5t+div(V_)=div(grad)+S其中 代表通用变量,p,u,v,w(分别表示x,y,z三个方向的速度),h(焓或温度T),k,(湍流脉动动能和脉动动能耗散率)等,V_,S分别表示密度、速度矢量、广义扩散系数和源项。3.2 边界条件和源项的确定图书馆内流场以主体建筑墙壁外表面和外玻璃罩为边界条件,建筑主体外墙表面温度取空调房间温度值26,辐射率0.84;玻璃罩子的辐射热流值取值如下:东向86.7 w/m2,南向108 w/m2,西向86.7 w/m2、北向86.7 w/m2,辐射率0.03;屋面温度50,辐射率0.84;水面温度28,辐射率0.96。壁面对气流无渗透,但有摩擦作用,空调房间壁面对流体有热量传递。3.3 模拟参数说明广州地区夏季主导风向为东南向,主流风速1.7m/s,空气温度33。4 数值模拟结果分析通过计算得到夏季图书馆内各层通道气流流动分布情况。图6-图9显示了沿在夏季主导风向上,两种方案东南角落和西北角落局部速度矢量图。图6 方案A东南角落速度矢量图图6和图7显示了两种方案玻璃外罩东南角落的速度矢量图。从图6可以看出由于玻璃外罩的遮挡作用,空气在东南角落气流速度很小,而且出现漩涡;方案B在东南角落的流场有了很大的改善,从图中可以清楚的看到气流速度增大,出现漩涡的区域减小,但是在靠近玻璃外罩南面的地方漩涡仍然存在。1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.第4期潘瑜芬,等:广州某图书馆夏季自然通风环境和热环境的模拟与评价17如果在玻璃外罩的南面转角位置增加适当的开窗面积,可以改善气流涡旋现象的出现。图7 方案B东南角落速度矢量图图8和图9显示了玻璃外罩西北角落的速度矢量图。从图中可以看出,由于夏季主导风向为东南风,西北向受到主体建筑的遮挡处于背风区域,造成该角落的风速很小,即使在西面增加开窗面积,产生的效果有限,但是夏季西面开窗增加了进入主体建筑太阳辐射量,因此西面开窗无法改善流场的分布,反而增加了太阳辐射量。图8 方案A西北角落速度矢量图图9 方案B西北角落速度矢量图 图10和图11显示了通道竖直方向速度矢量图和竖直方向的温度场。图10清楚的显示了通道竖直方向的烟囱效应;图11显示温度场垂直方向的分布很均匀,由于玻璃外罩为LOW-E玻璃,很大程度上减少了太阳辐射量,因此图书馆温度受太阳辐射的影响很小,其温度基本上等于外界空气温度33,只在屋顶表面局部区域温度有稍微升高,为34 左右。因此由于温差造成的烟囱效应可以忽略不计,通道的烟囱效应主要是由于气流流动的压差引起。图10 通道竖直方向速度矢量图图11 竖直方向温度场标量图 表2给出图书馆主体建筑各层人员活动区域风速范围。表中风速显示:在各层人员活动区域,方案A风速与方案B的速度范围基本上相等。表2 各层人员活动区域风速范围层数方案A风速范围(m/s)主要风速范围(m/s)方案B风速范围(m/s)主要风速范围(m/s)一层0.180.900.270.730.170.840.320.77二层0.160.630.270.510.180.630.360.44三层0.100.520.220.400.160.440.340.44四层四层室外无人员活动区域 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.18热带建筑(2004)第2卷5 建筑自然通风设计结论(1)在广州夏季,增加玻璃罩开口面积,可以有效利用的自然通风,提高图书馆局部角落空气品质,改善流场分布。(2)增加玻璃罩开口面积对图书馆主体建筑通道的流场分布影响有限。(3)夏季玻璃外罩西面开窗对改善流体分布效果不显著,反而增加太阳辐射量,因此尽量避免西面开窗。(4)增加玻璃外罩的开窗面积对温度分布的影响很小,夏季开窗主要是考虑改善气流分布情况。(5)夏季温度场在竖直方向上分布很均匀,希望依靠温差引起的烟囱效应不可行,只能依靠压差形成烟囱效应。(6)本文只对玻璃外罩两种开窗情况进行了模拟分析,在实际工程中,既要考虑玻璃外罩开窗对图书馆室内风环境的影响,还要从经济、施工等方面进行综合考虑,最后选择最优方案,确定最佳的开窗面积,既满足人体舒适度要求,又满足经济方面的要求。参考文献:1 陶文铃.1998.数值传热学M.西安:西安大学出版社 12 徐义华,江叔通.建筑物风环境三维定场数值仿真J.南昌航空工业学院学报(自然科学版).18(2):52-5513 刘欧子,胡欲立,刘训谦,套室内气流的三维数值模拟J.空气动力学报.20(2):227-2321 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.