自然通风的设计计算.ppt

单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版标题样式,*,通风工程,同济大学 机械工程学院,暖通空调及燃气研究所,2013,年,第七章,自然通风的设计计算,1,课程提纲,自然通风的背景知识,自然通风的基本原理,自然通风的,CFD,设计方法,自然通风的区域网络设计方法,2,第一节自然通风的背景知识,3,一、基本概念,自然通风定义,什么是自然通风,?,利用自然的手段,(,风压、热压等,),将室外空气不经过空调处理就引入室内以达到维持室内空气舒适性的方法,目的,带走热湿量（保持室内热舒适性）,带入新风,(,保持室内空气品质）,4,优点,无能耗,建筑能耗占总能耗,30,空气品质好,机械通风空调：“病态建筑”,缺点,难控制,有时风量不足,解决办法：自然通风和机械通风相结合，机械辅助自然通风,一、基本概念,自然通风的特点,5,一、基本概念,自然通风的舒适性,6,一、基本概念,中央空调建筑的用户对温度偏差比自然通风建筑敏感,中央空调建筑用户对温度恒定的要求更高，当温度发生偏差时就会不满,自然通风建筑表现出了更广温度范围内的适应力,7,一、基本概念,自然通风的基本形式,风压作用自然通风,热压作用自然通风,风压、热压联合作用自然通风,room,room,room,room,room,room,shaft,依靠屋顶风机进行的自然进风机械排风,8,一、基本概念,自然通风的基本形式,9,一、基本概念,自然通风的存在的问题,湿度控制,噪声控制,(,开窗时减少,10dB,相当于关窗时减少,30dB),空气质量,空调负荷,安全性,下雨,10,二、几种典型的自然通风形式,风压自然通风,新卡里多尼亚,Tjibaou,文化中心全景,新卡里多尼亚气候炎热，常年多风；文化中心,10,个棚屋组成，最高,28m,造型是经过多次,CFD,模拟分析和风洞实验后确定的,11,二、几种典型的自然通风形式,风压通风原理,棚屋背面指向主导风向,棚屋背面为正压区，下风处为负压区,压差产生空气流动,针对不同风速（从微风到飓风），调节百叶开合及方向，控制室内流动,12,二、几种典型的自然通风形式,热压自然通风,Costozza,别墅由,6,座别墅组成，建立在山坡上，通过热压拔风原理，利用地下洞穴作为天热冷源，获得很好的制冷效果,13,二、几种典型的自然通风形式,热压通风,在室内热压的作用下热空气上升，洞穴中,12,度的风通过的地板上的通气孔进入室内,14,二、几种典型的自然通风形式,热压和风压结合,通风,英国蒙特福德大学机械馆,机械馆一般为矩形平面，进深大，双面走廊，两侧为实验室和办公室，人工产热多，一般需要采用大规模空调系统,15,二、几种典型的自然通风形式,充分利用烟囱效应进行通风,诺丁汉国内税务中心,建筑呈院落式布局，周边风速较小，不能很好满足风压通风的需求，考虑加强热压通风,16,二、几种典型的自然通风形式,热压和风压结合通风,办公室、实验室,报告厅、大厅,位于分支部分的办公室、实验室进深小，采用风压通风,位于中央部分的报告厅、大厅采用“烟囱效应”进行热压通风,17,二、几种典型的自然通风形式,充分利用烟囱效应进行通风,采用顶帽可以升降的圆柱形玻璃通风塔，作为建筑的入口和楼梯间，最大吸收太阳能量，提高塔内温度，加强烟囱效应；冬季顶帽降下以封闭排气口，形成玻璃暖房，节省采暖能耗,18,二、几种典型的自然通风形式,超高层建筑的自然通风,法兰克福商业银行,60,层高的塔楼中庭,全球首座生态型高层塔楼,针对,60,层高的塔楼中庭的自然通风状况进行计算机模拟和风洞实验，防止内部风速过大，产生无法忍受的紊流,19,二、几种典型的自然通风形式,超高层建筑的自然通风,经过模拟分析，将每,12,层作为一个单元分隔，利用热压进行自然通风，各个单元通过透明玻璃相分隔，以避免风压和热压过强产生紊流,20,OSAKA,市 立 体 育 馆,机械辅助自然通风,21,OSAKA,市 立 体 育 馆,22,OSAKA,市 立 体 育 馆,自 然 通 风 的 通 道,23,空调、机械通风与自然通风的运行情况,自 然 通 风,机 械 通 风,空 调,OSAKA,市 立 体 育 馆,24,座椅送风,OSAKA,市 立 体 育 馆,25,三、建筑通风的应用,合理的建筑布局,梳式布局通风,冷巷,26,三、建筑通风的应用,合理的建筑布局,密集布局通风,27,三、建筑通风的应用,天井通风,28,三、建筑通风的应用,建筑细部构件通风,檐下风口,通风屋脊,29,三、建筑通风的应用,竹楼,竹楼架空利于通风,30,三、建筑通风的应用,明治大学自由大楼的自然通风方式,自然通风的局部构件,自然通风窗的结构,31,品川,Inter City,外窗的自然通风装置,32,高层建筑自然通风布局实例,松下电器情报中心大厦,33,日本钢铁北九州支部大楼,34,第二节自然通风的基本原理,35,一、自然通风的理论机理,分类,按照机理可分为：扩散、热压和风压,同时存在，相互作用,热压作用,风压作用,热压作用,风压作用,36,1.,热压,建筑不同高度（高差,h,）上有窗孔,a,、,b,设：,t,n,t,w,则：,w,n,由水静力学公式得：,b,窗内外的作用压差（规定以,室内向室外流动为正,）,即热压,热压的定义：由室内外空气温差在不同高度通风口间造成的空气流动作用压头,37,2.,余压,注意：,热压和余压的区别,热压,两窗孔之间的压差，,P,b,-P,a,在仅有热压作用时，窗孔内外的压差即等于该水平面的余压,P,xa,=P,a,，,P,xb,=P,b,定义：用,P,x,表示,室内某一点的压力与室外,同标高未受干扰,的空气压力的,差,值,38,由热压推导过程得出的,可知仅有热压作用时，窗孔内外的压差（即余压）是随高度,h,成线性增加的,室内向室外流动为正,由于,a,窗进风，所以,P,xa,0,在某一高度上，有,P,xh,=0,中和面,定义：余压为零的水平面,中和面以上的窗孔排风，距中和面越远，余压绝对值越大（,+,）,中和面以下的窗孔进风，距中和面越远，余压值绝对越大（,-,）,39,3.,风压,定义,：,风受到建筑干扰后产生的静压变化,计算式：,K,空气动力系数，实验确定,仅有风压作用时，,K,值大的窗孔进风,40,风洞模型实验,41,42,4.,风压热压同时作用时的孔口内外压差,1,）窗孔内外的压差,Px,指仅有热压作用时的余压值,2,）由于风压的不稳定性，实际工程设计时，仅考虑热压作用,3,）防止风压的负作用、利用风压作为安全因素,建筑表面正压力与余压正方向相反,43,4.,风压热压同时作用时的孔口内外压差,风压和热压共同作用，有时互相加强，有时相互抵消,两者相互作用下的通风机理还待研究，目前将两者的相互作用简单考虑为线性叠加,一般来说建筑进深小的部位多利用风压直接通风，进深大的部位利用热压通风,44,二、自然通风计算,主要针对消除余热的应用情况,计算分类：,设计计算：由所需通风量确定窗孔面积与位置,校核计算：由已有窗孔校核实际通风量,简化条件：,1,）过程稳定,2,）室内空气温度为平均温度,3,）室内压力分布符合水静力学法则,4,）其他因素忽略,45,1.,车间排风温度计算,t,w,、,t,n,是已知的，但,t,p,未知,求解方法：,1,）温度梯度法，,取值见,P193,，表,7-1,2,）有效热量系数法,有效热量系数,m,的定义：室内总余热量中直接进入工作区的热量比例,有效热量,-,温度梯度，,/m,h-,排风天窗距地面高度,设计计算步骤,46,Q,mQ,（,1-m,）,Q,t,w,t,n,t,p,从全室的热平衡分析：,从工作区热平衡分析：,两式联立，有：,通过实验数据确定,m,值,设计计算步骤,47,2.,确定窗孔位置,可以先假设中和面位置,h,2,h,1,定性分析：,简化计算，若：,则有：,离中和面越远，余压越大，同样的通风量要求的窗孔面积越小,中和面位置要适当,）确定窗孔面积,设计计算步骤,48,例,2010,某厂房利用热压进行自然通风，进风口面积,F,j,=30m,2,，排风口面积,F,p,=20m,2,，近排风口中心的高度差,H=13m,，设近排风口的流量系数相同，且近似认为,w,=,p,，则厂房内部空间中余压值为,0,的界面与进风口中心的距离,h,j,为下列哪一项？,49,例,2010,某厂房利用热压进行自然通风，厂房高度,H=12m,，排风天窗中心距地面高度,h=10m,，天窗的局部阻力系数,=4,。已知，厂房内散热均匀，散热量为,100w/m,3,，厂房工作区的温度,t,n,=25,，当天窗的空气平均流速为,v=1.1m/s,时，天窗窗口压力损失为多少？,p,=1.2,*,293/(293+tp),50,例,2007,某车间侧窗进风温度,t,w,=31,，车间工作区温度,t,n,=35,，散热有效系数,m=0.4,，侧窗进风口面积,F,j,=50m,2,，天窗排风口面积,F,p,=36m,2,，天窗和侧窗流量系数,p,=,j,=0.6,，高度,h,为,10m,，该车间自然通风量为多少？,=1.2,*,293/(293+t),51,第三节自然通风的,CFD,设计方法,52,一、,CFD,基本介绍,建筑通风中的,CFD,建筑周边的空气流动及温度分布,建筑表面的风压系数,建筑内部空间的空气流动及温度分布,53,54,一、,CFD,基本介绍,为何采用,CFD,模拟,模型实验：,可靠，直观,周期长，价格昂贵,CFD,模拟：,周期短，成本低，资料完备,技术性强，不确定,55,一、,CFD,基本介绍,CFD:,Computational Fluid Dynamics,实物,模型,模拟结果,划分网格,简化,离散,解数理模型方程,指导,56,一、,CFD,基本介绍,CFD,的发展,1933,年首次出现英国人,Thom,首次数值求解了二维粘性流体偏微分方程，计算流体力学诞生（,CFD,：,Computational Fluid Dynamics),诞生,1974,年首次应用于建筑环境领域丹麦，,P.V.Nilsen,1986,年,Waters,利用,CFD,方法对许多建筑物如前庭、机场候机厅等的速度分布和温度梯度进行模拟计算，这是大规模实际工程应用的首次介绍,此后，,CFD,技术在建筑空调通风领域得到广泛应用,流体动力学，数值计算，计算机图形学技术的综合,57,一、,CFD,基本介绍,如何验证模拟结果,?,采用公认的经过验证的计算模型和程序,用经典的实验和实测的数据验证模型,对不同类型的流动均进行验证,流线,模型,58,一、,CFD,基本介绍,CFD,应用广泛,汽车,航空航天,船舶,动力机械,59,一、,CFD,基本介绍,CFD,在暖通空调中的应用,1,、,室内气流组织评价,室内送风速度场和温度场,大厅模型,60,一、,CFD,基本介绍,CFD,在暖通空调中的应用,2,、,室内,IAQ(indoor air quality),评价,61,一、,CFD,基本介绍,CFD,在暖通空调中的应用,3,、,室外微气候分析,计算区域平面图,计算区域实景,62,31,31.2,31.4,29.8,30.2,30.4,30,31,31,30.8,30.2,30.4,30.6,30.4,30.4,31.2,30.8,30.8,一、,CFD,基本介绍,CFD,在暖通空调中的应用,3,、,室外微气候分析,模拟结果速度场,模拟结果温度场,63,一、,CFD,基本介绍,CFD,在暖通空调中的应用,4,、,建筑设备设计和性能分析,温度场,冷却塔模型,速度场,64,一、,CFD,基本介绍,商用,CFD,软件,FLUENT,PHOENICS,CFX,STAR-CD,65,一、,CFD,基本介绍,优点,不用已知阻力系数，可直接描述结构,能处理各种复杂的情况，如隔断、开口、内热源等,能考虑建筑小区中各建筑间的相互影响,66,一、,CFD,基本介绍,局限：,将研究对象网格化，,计算工作量大，对太复杂的结构或数量较多的建筑，目前的计算机还难于处理,67,二、计算实例,1,、室内模拟,-,体育馆内气流组织模拟,室内网球场：,座椅下送风，外墙回风，顶部排风,空调设计参数：,室外计算参数,Tw,32 Twb,28.1 Iw,95.8KJ,Kg,室内计算参数,Tn,26 n,60%,In,59KJ,Kg,送风参数,Ts,20 s,82.5%Is,52KJ,Kg,回风口,送风口,68,二、计算实例,1,、体育馆内气流组织模拟,利用贴体坐标系建立体育馆的三维模型,回风口,排风口,座椅下送风口,69,二、计算实例,1,、体育馆内气流组织模拟,网格划分,70,二、计算实例,1,、体育馆内气流组织模拟,模拟结果,71,二、计算实例,2,、,建筑外表面风压模拟分析,体育馆外风环境,体育馆外形,72,二、计算实例,2,、,建筑外表面风压模拟分析,体育馆外风环境,体育馆,CAD,模型和梯度风,从,CAD,引入的模型,梯度风,73,二、计算实例,2,、,建筑外表面风压模拟分析体育馆外风环境,模拟结果（,PHONICS,）,速度矢量图,梯度风,74,二、计算实例,3,、建筑外表面风压模拟分析,体育馆外风环境,模拟结果（,PHONICS,）,压力等高图,75,二、计算实例,4,、小区单体自然通风分析,（华南理工大学建筑系）,考虑建筑单体各种典型户型的夜间自然通风状况。,由于住户在进入房间后通常情况都是将大门完全关闭，难于形成热压引起的自然通风，所以只分析风压作用下的稳态自然通风,小区模型图,76,二、计算实例,4,、小区单体自然通风分析,（华南理工大学建筑系）,换气次数的计算方法：,n=,开口平均风速,x,开口面积,/,（此户型建筑面积,x,净高）,对于各种户型的住宅单户来说，通风换气效率指的是在一定的建筑结构条件下，通过自然通风作用，从建筑室内带走热量、提高空气品质的能力，其与以下因素有关：,通风换气次数；,通风换气路径；,通风换气空气滞留时间，这个因素可以用平均空气年龄来评价。,总之，通风换气效率不能仅仅依靠通风换气次数的大小来判断其优劣，而是应该综合考虑。,77,二、计算实例,4,、小区单体自然通风分析,（华南理工大学建筑系）,首先考虑住宅小区内建筑物的布局、高度、架空情况、主导风向、小区周边建筑环境等因素的影响，模拟计算小区中的风环境,78,二、计算实例,4,、小区单体自然通风分析,（华南理工大学建筑系）,以单体建筑外部主导平均风速为边界条件，计算单体室内风场,79,二、计算实例,4,、小区单体自然通风分析,（华南理工大学建筑系）,由模拟结果可知，户型,06,由于处于背风面的旋涡区，靠负压从卫生间和厨房进风，当卫生间和厨房使用时，若关闭其门或窗，其他房间的就成为单向面通风，其通风效果很差,80,二、计算实例,5,、住宅小区通风状况模拟,奥运村,81,二、计算实例,5,、住宅小区通风状况模拟,奥运村,压力分布,82,二、计算实例,5,、住宅小区通风状况模拟,奥运村,夏季,1.5m,高处压力分布,（判断是否满足：,75%,以上区域前后压差不小于,1.5 Pa),83,二、计算实例,5,、住宅小区通风状况模拟,奥运村,冬季,1.5m,高处压力分布,（冬季保证建筑物前后压差不大于,5Pa,）,84,二、计算实例,5,、住宅小区通风状况模拟,奥运村,冬季,1.5m,高处速度分布（,风速小于,5m/s,）,85,二、计算实例,6,、建筑周边污染物的扩散问题分析,街区形状对污染物扩散的影响,86,二、计算实例,6,、建筑周边污染物的扩散问题分析,A,A,A,A,MAX,：,0.134,MAX,：,0.173,0.02,0.04,0.06,0.06,0.06,0.02,5m,高度下空间平均,：0.035,5m,高度下空间,平均：0.008,水平面浓度分布,水平面浓度分布,竖直面浓度分布,竖直面浓度分布,87,第四节,自然通风的区域网络设计方法,88,一、网络计算方法的原理,原理：假设空气混合均匀，各支路中的空气流动是单向的，应用伯努力方程计算各个时刻各支路中的空气流量,.,p+gz+(1/2)*v,2,=C,特点：适合计算多房间多开口空气流场的计算,89,一、网络计算方法的原理,物理模型的简化,将建筑内的各个部分与室外大气之间简化成一个网络，这种网络与电网、水网类似，由节点和支路组成,具体处理如下：,一个房间可以当成一个内节点,门窗可以当成一条支路，,走廊可以当成一个节点或支路,房间与房间之间的开口可以当成支路,建筑外部开口处设为外节点,90,一、网络计算方法的原理,建筑结构平面图,外节点,内节点,网络图,91,二、网络计算方法,网络方法有关定律,基尔霍夫电流定律,对任何集中参数（与位置无关）网络，所有流入或流出任一节点的电流的代数和为零。,92,二、网络计算方法,网络方法有关定律,基尔霍夫电压定律,对任何集中参数网络中的任何回路，其电压降的代数和为零。,93,二、网络计算方法,通风网络数学模型,N,1,个节点，,B,条支路：,根据基尔霍夫定律,：,关系矩阵,A,的秩等于,N,基本回路矩阵,B,f,的秩等于,B,N,2B,个未知变量：,B,个,Gj,，,B,个,Pj,无法求解,！,94,二、网络计算方法,通风网络数学模型,补充流体力学方程,对于,B,个回路：,阻力损失：,SiGi,2,风压,：,Pw,热压：,Ps,95,二、网络计算方法,通风网络数学模型,方程组：,N,个方程；,B,N,个方程；,B,个方程；,2B,个未知变量，,2B,个方程，方程组封闭。,可以求解,！,96,二、网络计算方法,通风网络的计算,阻力损失,管道内的流动：,流速：,代入上述方程：,其中：,97,二、网络计算方法,通风网络的计算,风压：,98,二、网络计算方法,通风网络的计算,建筑物表面压力场：,99,二、网络计算方法,通风网络的计算,风压计算：,为简化风压的计算，提出风压系数的概念，用以描述建筑周围的风压分布,C,p,：风压系数,U,H,：,H,高度处的室外风速,m/s,100,二、网络计算方法,通风网络的计算,H,高度处的室外风速,U,H,：,可由地区气象站记录风速,U,met,计算得出：,：底层厚度,101,二、网络计算方法,通风网络的计算,风压系数计算方法,风洞实验,CFD,数值模拟,根据实验结果估算,表面,C,p,平均值,最具有通用性,最易于程序实现,102,二、网络计算方法,通风网络的计算,风压系数：,试验方法：,103,二、网络计算方法,通风网络的计算,风压系数：简单形状建筑表面,Cp,分布,ASHRAE Fundamentals Handbook:,Local Pressure Coefficients(,Cp,100),104,A,2:1:1 shape building model,B,4:4:1 shape building model,E,Building complex in actual,urban area(Niigata,新潟,),C,Building blocks,F,Building complex in actual urban area(Shinjuku),D,Building blocks,Benchmark Test Cases,105,二、网络计算方法,通风网络的计算,风压系数：,数值模拟方法：,106,计算实例,典型多层住宅风压模拟,计算思路,建筑图,建筑各个立面压力分布图,CFD,Phoenics,模拟计算,建筑自然通风量,网络法,CONTAM,软件计算,建筑能耗和基础室温,建筑热模拟,DeST,计算,107,计算实例,典型多层住宅风压模拟,板式住宅,梯形住宅,42m,12m,N,19m,19m,108,计算实例,典型多层住宅风压模拟,平均风速,1.9m/s,，风向：东南,109,计算实例,典型多层住宅风压模拟,平均风速,1.9m/s,，风向：东南,110,计算实例,典型多层住宅风压模拟,平均通风量计算,平均通风量：,板式住宅：,23.2,次,/h,梯形住宅：,15.8,次,/h,111,计算实例,典型多层住宅风压模拟,平均通风量计算,平均通风量：,凹形住宅：,13.4,次,/h,三角形住宅：,19.7,次,/h,112,计算实例,典型多层住宅风压模拟,平均通风量计算,113,二、网络计算方法,通风网络的计算,热压：,由室内外空气之间的密度差产生。,双开口问题：,h,114,二、网络计算方法,通风网络的计算,热压：多开口问题,P,inside,P,outside,ABSOLUTE PRESSURE,HIGHT,Pressure difference,115,二、网络计算方法,通风网络的计算,热压网络计算：,支路,i,的热压差：,：支路,i,的空气密度,：支路,i,的空气温度,：支路,I,两端节点的高度差,116,二、网络计算方法,通风网络的计算,某图书馆通风量的计算,117,三、网络计算方法的总结,局限,不能解决双向流动问题，如单侧通风。,Room,118,三、网络计算方法的总结,存在的问题,阻力问题的正确描述：,119,三、网络计算方法的总结,存在的问题,建筑表面的风压系数分布：,120,三、网络计算方法的总结,风速，风向,建筑周边环境,建筑外形,风压分布,温度分布,热浮升力,热压分布,机械通风系统,加压风机,风道,建筑内部阻力网络,建筑内部通风量,121,自然通风计算方法比较,用于自然通风和渗透计算的方法,简化代数算法,形式简单，速度快，计算结果不够准确，无法用于复杂问题,计算流体力学,（,CFD,）,方法,场模型，微观角度，计算准确，网格化，计算工作量大，速度慢，复杂问题超出现有计算能力,多区域网络模型算法,集总模型，宏观角度，计算速度较快，计算相对准确，适于长时间动态模拟,122,COMIS,CONTAM,BREEZE,国外已 有的多区域网络模型软件：,需要预先输入房间温度,不能直接用于自然通风分析,需要与热模型进行耦合模拟,123,通风计算程序的验证,(,一,),现场实测实验,人民医院一层急诊部,示踪气体恒定释放法,示踪气体释放率,3 m,3,/h,平面图,剖面图,示踪气体释放点与采集点位置,通风网络简化图,124,通风计算程序的验证,(,一,),现场实测实验结果,主导风向：东北,平均风速：,1.3 m/s,风玫瑰图,各测点温度测量值,125,通风计算程序的验证,(,一,),现场实测实验结果,（右上）示踪气体浓度测量结果,（左下）各测点通风量平均值,与通风程序计算结果,测试结果与计算结果相差不超过,20,126,通风计算程序的验证,(,二,),实验台模型实验,用电炉加热空气，模拟纯热压通风,（左下）热压通风网络简图,（右上）实验测试结果,（左上）房间实验台示意图,127,通风计算程序的验证,(,二,),计算结果与实验结果对比,计算方法,1,：,以出口、入口平均温度为室内温度,计算方法,2,：,以直接测量的温度为输入参数,计算房间通风量为,0.083 kg/s,与实验结果相差,8.8%,128,通风计算程序的验证,(,三,),CFD,数值实验验证,验证纯风压,通风,情况,129,通风计算程序的验证,(,三,),CFD,数值实验验证,CFD,模拟与网络模型计算结果,m,3,/s,多区域网络算法与,CFD,方法计算结果相对误差,对开口面积比率在,10,以内的情况，两种方法计算误差小于,10,130,通风与热模拟耦合计算程序的应用,(,一,),算例,1,：自然渗透对冬季供热负荷的影响分析,房间内扰最大值,单元式住宅建筑平面图,门窗渗透特性和热特性,131,低层组合,单元式住宅,北京地区,沈阳地区,上：,1,月累计能耗,中：逐层渗透能耗,下：逐层能耗,132,高层组合,单元式住宅,上：,1,月累计能耗,中：逐层渗透能耗,下：逐层能耗,北京地区,沈阳地区,133,通风与热模拟耦合计算程序的应用,(,二,),算例,2,：热压辅助夜间通风模拟分析,平面图,立面图,134,1,、不开窗,2,、全天开窗,3,、夜间开窗,135,第七章要点,自然通风的定义、特点,热压、风压、余压的概念、关系及计算方法,自然通风计算方法,作业：,P204 7.9.11.,136,