建筑節能的自然通風技術研究現狀探析

劉美歐

（西安美術學院，西安710000）

1 引言

目前，可持續發展理念日益深入人心，建筑節能技術得到了廣泛的應用，而自然通風技術在節能和舒適的雙重要求下具有較高的研究價值。建筑設計中，一般從建筑朝向、外型、內部空間布局等因素影響自然通風的效果，同時，要避免冬季冷風向建筑室內的滲透。通過氣流組織、建筑圍護結構設計等方法在不消耗能源或減少消耗不可再生能源的前提下，改善室內空氣品質，調節室內熱環境舒適度，利用室外自然空氣流動創造更為舒適的居住體驗[1]。

2 自然通風研究模擬模型

建筑自然通風是通過建筑開口處的室內外存在的空氣壓力差，即風壓和熱壓實現。本文通過建立自然通風模擬模型，對開風口高度小于房間高度的單區建筑（考慮開有2個小風口）進行研究，運用流體力學對多種自然通風狀態進行理論研究和分析，并設定研究前置條件，以單一點熱源進行考慮，2個建筑風口在風壓與熱壓共同作用下產生空氣流動，在無量綱風壓與熱壓作用條件相同的情況下，具有穩態解且唯一；在無量綱風壓與熱壓的共同作用條件相反的情況下，具有2個穩態解。

由于風壓與熱壓共同對自然通風產生影響，當雙重壓力不足時，需要補充機械通風，此時，壓力場隨之發生變化，產生了多種氣流流動模式。不同的建筑類型具有不同特點的風洞開口，某些窗墻較大的公共建筑，其開洞的大風口通過氣流通常為冷空氣，由風口的下部流進室內，熱空氣則由風口的上部流到室外，形成雙向流動，因此，設計難度較大，研究方法更為復雜。通過多種研究工具和設計方法深入研究風壓與熱壓雙重作用下的自然通風的多解問題，并拓展研究兩區建筑的自然通風情況。

3 自然通風研究方法

3.1 風洞模型試驗

以相似性理論為依據，通過建立建筑物表面及周邊環境的壓力場和速度場計算風壓系數，通過對模型試驗的測試數據預測建筑的自然通風特性，歸納自然界與工程模型的共性與個性，得出建筑的自然通風屬性。

3.2 示蹤氣體測量

示蹤氣體測量包括2種常用方法：（1）濃度定值法，簡單理解為在示蹤氣體濃度恒定條件下，測算在驅動方式發生改變時氣體注入量的變化，對相應通風問題進行處理，解決如空氣滲透和自然通風組織等問題；（2）衰減法，即在示蹤氣體注入量恒定時，擴散在測試房間而產生濃度的衰減程度，從而對自然通風量進行預測。

3.3 熱浮力實驗模型

熱浮力實驗模型包括以下4種技術方法：（1）鹽水實驗模擬法，基于相似原理和模擬實驗技術預測空氣運動狀態，利用空氣的運動黏性系數建立縮尺模型，用鹽水在清水中的運動及擴散模擬熱羽流動，用建立的實驗模型模擬預測自然通風室內熱分層的溫度分布和通風量的變化狀態；（2）氣泡模擬技術通電裝置由陰極產生的氣泡模擬熱源分布狀態，在忽略熱特性的前提條件下模擬點源、線源和垂直熱源的分布狀態進行分析；（3）水模型系統，將水流作為介質，由加熱裝置產生的熱浮力驅動水流動介質模擬自然通風狀態；（4）氣體模型系統將氣體流動作為介質，熱浮力由加熱裝置產生，驅動氣體流動介質模擬自然通風。

3.4 微觀數值模擬法

微觀數值模擬法是將空間分割成足夠小的控制體，把掌控空氣流動的連續微分方程組用有限差分或有限元進行離散，并將得到的非連續的代數方程組代入具體的邊界條件計算解出離散得到的代數方程組，并認為離散值對整個房間內空氣的分布狀況可以進行描述，也可認為是流場情況較為清楚的描述。

3.5 區域模型法

區域模型方法是將測試房間分割成若干限定好的宏觀區域，并認定各個宏觀區域具有相同的溫度、濃度等參數指標，利用區域間由于熱質交換產生的流動和壓差的關系，并建立能量和質量守恒方程，利用SPARK，COMIS和CONTAM等嵌套在氣流分析和多區建筑能源的軟件，模擬室內溫度分布情況和自然通風量。

4 自然通風設計研究工具

模擬熱性能分析和自然通風系統的主要軟件包括:COMIS，CONTAMW，Lesocool，NatVent，ESP-r，Fluent，Flovent，MIX，NewQUICK，CHEMIX，BREEZE，TRNSYS，BLAST，Energy Plus等。在研究過程中，要選擇適合的軟件進行模擬測試，將流體流動和能量分析等模擬軟件應用到自然通風的設計過程，盡量彌補各軟件在熱傳遞和自然通風的相互影響下的局限性，不斷深入設計更適用于自然通風的研究軟件。

4.1 順序耦合(sequential coupling)

設定一定的室內溫度，并代入流動模型方程，算出準確的通風量，將此通風流量應用到熱模型方程，從而得到溫度值，得到結果即為最終結果，此方法得到計算結果誤差很大。

4.2 pi ng-pong耦合

設定恰當的時間步長，設定首個時間步長的室內溫度，代入流動模型方程測算準確的通風量，將通風流量用于熱模型方程中，從而得到溫度值，繼續用于流動模型方程，將第二個時間步長的通風量計算出來，依法遞推計算，此法計算迅速，得到計算結果誤差較大。

4.3 oni ons耦合

通過對各個時間步長內的熱模型方程和流動模型方程反復多次迭代計算，得到最終結果為止，再進入下一個時間步長，再次迭代計算，以此類推，此法計算較慢，得到計算結果誤差相對較小[2]。

4.4 直接耦合

合并流動模型方程和熱模型方程組成熱傳遞過程控制方程組，計算求解2個方程，求得的計算結果相對精確。

5 結語

現代建筑通風系統設計應基于“建筑密閉性好、通風策略正確”的原則，為建筑物內的使用者提供良好的空氣品質和舒適的內部環境，并且盡可能高效地利用能源。運用數據模擬和現場測試，將測試結果進行比對的方法，期望得出室內熱舒適性和氣流組織分布特性分析的研究成果。應用數值模擬法和實驗法對自然通風技術進行研究，在自然通風系統中使用Lesocool，CONTAMW，COMIS，NatVent等流體流動仿真模擬軟件和 BLAST，EnergyPlus，TRNSYS，FloTHERM 等熱仿真模型軟件，將溫度與通風量相互影響，并與不同模擬軟件的耦合關系相關聯進行研究。由于研究方法基本是運用多種模型簡單模擬取得的實驗成果和理論論證，故而研究方法還有其局限性，通過工程實際取得測試數據與理想實驗數據相比對將具有一定的拓展價值。