自然通风效果数值模拟分析
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摘要：自然通风是一种具有很大潜力的通风方式，是人类历史上长期赖以调节室内环境的原始手段。本文中用于实验的教学楼位于具有良好的外部风环境，内热源少，而且发热量小，故自然通风基本靠风压作为动力。本文采用计算流体力学（CFD）方法进行模拟分析室内自然通风效果。分析软件采用Airpak。针对教学楼窗口设置在不同的高度和门窗开启情况下模拟工况，并分别分析了工况的速度矢量场和速度场。最终得出结论和建议，并通过速度矢量场和速度场进行了自然通风效果分析。
关键词：自然通风效果数值分析
在具有良好的外部风环境的地区，风压可作为实现自然通风的主要手段。风洞试验表明：当风吹向建筑时，因受到建筑的阻挡，会在建筑的迎风面产生正压力。同时，气流绕过建筑的各个侧面及背面，会在相应位置产生负压力。
风压通风就是利用建筑的迎风面和背风面之间的压力差实现空气的流通。此地室外特别是夏季常年有不小于2~3m/s的平均风速,可应用压差通风。利用门窗进行自然通风，门窗朝向夏季主导风向,通过开门窗引风入室，消除教学楼内的余热余湿。
建筑平面窗洞的相对位置影响自然通风质量，其窗洞相对位置采用穿堂型和错位型，这两种型式具有通风覆盖面广、通风直接、流畅、室内涡流较小、阻力较小等通风特点。针对窗口设置在不同的高度和门窗开启情况进行不同工况的数值模拟，从而寻找自然通风效果好的门窗设置情况。
1.自然通风效果的评价指标
《绿色建筑评价标准》GB/T 50378-2006第5.5.7条规定：“建筑设计和构造设计有促进自然通风的措施”。自然通风的效果主要考虑各个功能区域的温度、通风量、空气流速以及在此基础上进行的舒适性分析和空气品质分析：包括PMV和空气年龄等参数。
根据当地气象部门提供的气象数据表明：所在地区的最高7月平均温度为21.2度。温度适宜，故不考虑温度对自然通风效果的影响。本文重点分析了速度和通风量两个评价指标。
1.1 速度
在非空调环境中，由于温度较高人们会使用提高风速来补偿温度升高造成的热感觉的上升，比较常见的是利用自然通风、风扇等手段。在RP-884数据库表明，在非空调环境下，空气的流速在0-1.4m/s之间。
1.2通风量
通风量是评价自然通风效果的重要指标，其大小直接关系到自然通风的除湿降温能力。在《绿色建筑评价技术细则》中规定，主要功能房间换气次数不低于2次/h。
2. 数值模拟
2.1模拟软件
本项目采用计算流体力学（CFD）方法进行模拟分析室内自然通风的效果，为设计提供理论参考依据。从而减少设计成本，降低设计风险，缩短设计周期。
分析软件采用Airpak，是ANSYS公司FLUENT系列软件中，面向建筑通风专业系统分析软件。Airpak是目前国际上比较流行的商用CFD 软件。Airpak采用FLUENT的求解器，它可以准确地模拟通风系统的空气流动、空气品质、传热、污染和舒适度等问题，并依照ISO 7730标准提供舒适度、PMV、PPD等衡量室内空气质量（IAQ）的技术指标。
2.2湍流模型
CFD方法是针对流体流动的质量守恒、动量守恒和能量守恒建立数学控制方程。
尽管室内自然通风流速较低，但在复杂的边界条件下，室内气流呈现为湍流状态。本项研究中采用k-ε 湍流模型，该模型已经得到了大量工程应用的验证，可靠性高。
2.3几何模型
教学楼的建筑构造类似，建筑外形为非规则形状，在建立模型的过程中需要进行简化，合理的简化能够保证计算结果的精确性。具体的简化如下：
1)建筑房间的简化，由于教学楼为东西对称形，故可取一侧作为最终的模拟对象。
2)建筑外型的简化，教学楼的外形为非规则外形，忽略对自然通风影响极小的室外楼梯，室外连廊。
2.4边界条件
模拟边界条件主要涉及门窗的边界条件。本文模拟的室外风速为过度季节平均风速，风向为过渡季节主导风向。室外温度的变化对风速影响不大，因此在设计窗口边界条件时，根据室外风环境模拟的结果给定各窗口处的压力差为2~3Pa。
2.5模拟工况
首先模拟原有设计方案的自然通风情况，然后根据情况优化原有设计方案，再次模拟计算，验证优化方案的通风效果。外门型式为单扇门，长×宽为1.2m×2.1m；外窗型式为平推窗，长×宽均为1.2m×1.2 m；天窗型式为中悬窗，长×宽为1.2m×0.8m。
3.模拟结果及分析
3.1原方案工况一
相对各层地面标高0.9米处的速度矢量场和速度场。看到速度矢量分布情况，通风直接，室内涡流较小。但可以清晰的看到教室内局部区域速度偏小，仅为0~0.2m/s，如一层中部区域、二层中部区域、二层右上侧区域。
3.2优化方案工况二
工况一的模拟结果发现，原有设计不利于自然通风。室外空气经门窗由一侧进入室内后，直接从另一侧窗洞流出，在没有开设窗口的位置，室内空气流速偏低，有些区域甚至基本处于无风状态，不能完全满足自然通风要求。基于上述原因，需要对原有设计方案进行优化，以达到满足自然通风的要求。具体优化方案在南侧增设一个窗口，用以促进教室中部区域内的空气流动，改善自然通风效果。
4. 结论
通过对教学楼02室内自然通风的模拟计算结果，得出以下结论和建议：
1）教学楼在建筑设计中利用开启门窗来实现自然通风，在建筑设计和构筑设计上含有促进自然通风的措施。
2）通过目前的模拟发现原有方案设计中，局部存在不利于自然通风的问题。
3）根据模拟结果，建议增设窗口来完善自然通风。如在南侧增设一同样高度和面积的窗口，其能够促进自然通风。
4）经过优化后的设计方案，通风量满足评价指标要求，并且气流组织较好，满足自然通风要求。
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