上海地区办公建筑中自然通风利用的数值研究

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1、第1章绪论第1章绪论1.1课题背景随着社会的飞速发展和人们对生活品质要求的不断提高，居住、办公和休闲环境的健康舒适已经成为必须首要满足的要求。然而，工业化、信息化社会进程的推进在认识和改造自然的过程中，也严重破坏了生态环境的平衡，随之带来了一系列环境问题，不断侵蚀着人们的生活环境，危害着人们的日常生活[1]。国外调查表明，人的余暇时间有72%以上是在建筑物内部渡过的，建筑物的内部环境是影响人们生理和心理健康的重要因素[2]。从20世纪70年代起，一方面，“能源危机”迫使许多国家加强了建筑物的气密性以降低建筑能耗；另一方面，建筑内部的家具、装饰材料散发大量有

2、毒、有害气体以及空调系统运行管理不善，使得以“室内空气品质恶劣”为主要特征的“病态建筑”问题日益严重[3]。2003年，SARS的爆发，引起了国内外研究人员对室内空气品质和建筑空调方式的广泛关注[4]。生态环境的破坏使得人们不得不消耗更多的能源以满足自身对生活品质的要求，从而进一步恶化生态环境，周而复始，形成一个恶性循环，因此，建筑的生态化技术研究对于构建人类生态文明，营造健康舒适的绿色家园，具有很大的潜力[5]。自然通风作为生态建筑技术中一个非常重要的组成部分，是一种经济实用的通风模式，在改善室内空气品质、满足室内舒适要求的同时，实现节能的目的[6]。自

3、然通风在不消耗不可再生能源的情况下改善室内的热湿环境，有利于降低能耗、减少污染，迎合了可持续发展的理念。同时，引入清新的空气有利于提高室内的空气品质，满足室内人员生理和心理的需求，减少长期处于空调房间而引发的“空调病”[7]。研究结果表明[8]，对于办公建筑，采用自然通风每年可节省的冷量为14～41Kwh/m2,节省费用为1.3～3.6美元/m2。国际能源署(IEA)2000年的总结报告中指出，欧洲国家的办公楼利用自然通风可以降低建筑能耗达50%以上[9]。考虑到自然通风本身的一些特点，在自然通风的应用研究方面尚存在一些问题。室外气象的动态参数随时间和季节

4、变化，受到气候区、周边地形地貌以及建筑分布等因素的影响，处于紊乱的状态，不易对其进行控制，同时，在夏季和过渡季节，由于室内外温差较低，热压的作用不明显，很难保-1-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文证稳定的自然通风量；与传统的机械式通风相比，风压和热压作用提供的静压一般情况下都不大，要保证必需的自然通风量存在一定的风险，自然通风的可靠性很难保证。正是由于自然通风问题的复杂性，使得有效利用自然通风的工作尚缺乏可供设计人员参照的法规、标准以及不同气候区的通风潜力数据等参考资料，影响了自然通风这一重要设计理念的推广和开展。1.1国内外的研究现状1.2.1国外的研究现

5、状国外研究人员在自然通风理论和应用方面已经开展了大量的研究工作，积累了丰富的经验，提出了许多有代表性的研究方法。一种是实验法，通过直接或间接测试方式确定影响自然通风的相关因素，预测自然通风潜能，包括风洞实验、示踪气体实验和热浮力实验等[10～14]。实验法可以真实、准确地反映物理现象的过程，非常直观，更具有说服力，但是，实验受到测试仪器精度、测试方法以及人为因素等的影响，测试数据的精确性很难保证，同时，实验本身的周期以及人力、物力的耗费也制约着实验工作的开展；另一种是数值模拟法，利用计算机程序求解离散所得的代数方程组或伯努利方程，来描述流场或预测区域的通风

6、量，包括CFD和多区模型等[15]。目前，应用比较广泛的数值模拟软件包括：Fluent、COMIS和TRNSYS等。CFD通过将研究对象划分为小的控制体，利用有限差分或有限元方法将气流的连续微分方程离散为非连续的代数方程组，并结合实际的边界条件进行求解。当划分的控制体足够小时，各个离散值就可以代表整个房间的气流分布情况，能够详细地描述流场，但是，求解的问题往往是非线性的，需要经过多次迭代，计算耗时问题突出。多区模型假设各房间的特征参数分布均匀，可以将房间看作一个节点，门、窗和缝隙作为与其它房间连接的路径，可以预测整个建筑的通风状况，适用于房间参数分布均匀的

7、多区建筑，但是，不能够提供房间的温度以及建筑内的气流分布[16]。由于软件本身的局限性以及自然通风与热流的相互作用，有必要将通风模拟软件与能耗模拟软件进行耦合，全面准确地预测自然通风的动态特性。考虑到通风口对于自然通风的重要性，国外研究人员对通风口形式也进行了一定的理论研究[17]。在工程实践中，不乏一些融合建筑设计和当地气-2-第1章绪论象条件，充分利用自然通风的典范，例如：澳大利亚的Tjibaou文化中心、英国国内税务中心和蒙特福德大学机械馆[18，19]。香港大学李玉国等以流体静力学的孔口理论为基础，对两风口和三风口单区建筑，两区建筑和大风口建筑进行

8、了系统的理论分析和研究，通过例证揭示了自然通风方案的多样性，提出了