CN106649942A - 利用建筑结构系数来修正建筑自然通风量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用建筑结构系数来修正热压作用下建筑自然通风量的计算方法，该方法的步骤是：首先通过既有建筑理论计算自然通风量与实测自然通风量的对比求解得到该建筑特有的结构系数ζ，再结合建筑风量守恒公式，利用该建筑结构系数ζ修正最终求得自然通风量，使得修正后的理论自然通风量大大接近实际值，便于热压作用下建筑自然通风量的准确预测，从而提高室外自然冷源由自然通风引入的利用效率，有效降低建筑空调能耗。

Description

利用建筑结构系数来修正建筑自然通风量的方法

技术领域

本发明涉及一种用建筑结构系数来修正热压作用下的建筑自然通风量的方法，具体涉及一种建筑结构系数的求解方法以及建筑自然通风量的修正方法。

背景技术

随着建筑节能运行的不断发展，室外自然冷源在建筑中的应用日益得到重视。利用自然通风使室外低温空气取代空调来处理室内空气，以达到节能的目的。在分析自然通风承担室内负荷能力时，需要确定自然通风量，为了更准确地分析自然通风承担室内负荷的能力或者更好地对建筑进行空调设计，需要更加精确的建筑自然通风量。而自然通风风量波动大，实测耗时长，为此人们常常选择热压作用下的自然通风风量的理论计算方法。现有研究中，上海工程技术大学的陈帅全面地分析了串并联混合情况下的热压自然通风量的计算方法；浙江理工大学的姜坪利用热压公式，求解出了单层建筑热压作用下的自然通风量；而重庆大学的付祥钊等人将互相连通的建筑空间理想化为一个网络模型，再利用热压公式方便地求解出各个空间的空气流量。但是，理论风量计算方法忽略了室内建筑内部结构和设备的阻力影响，使得理论计算风量要大于实际值。而本发明创新性地引入可以体现建筑内部结构、布置对自然通风造成的阻力损失程度的建筑结构系数ζ，对理论计算自然通风量进行修正，使得修正后的理论自然通风量大大接近实际值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用建筑结构系数来修正建筑自然通风量的方法，该方法采用更加精确地求解自然通风风量的计算方法，以便于更好地分析自然通风承担室内负荷能力或者更好地对建筑进行空调设计。

本发明的技术方案是：一种利用建筑结构系数来修正建筑自然通风量的方法，用于保证热压作用下的建筑自然通风量的计算结果更接近真实值，首先通过既有建筑理论计算自然通风量与实测自然通风量的对比求解得到该建筑特有的结构系数ζ，再利用该建筑结构系数ζ，结合建筑风量守恒公式，最终求得自然通风量的修正值，具体步骤为：

(1)确定结构系数ζ：

首先，利用室、内外空气密度ρ_n、ρ_w计算出热压差值ΔP：

ΔP＝gh(ρ_w-ρ_n)

其中g为重力加速度；h为进风口和出风口的高度差；

其次，利用热压差值ΔP计算出理论自然通风量L₁：

其中μ为窗孔的流量系数，F为窗孔的面积；

然后：根据实测自然通风量L₂求得引起实际自然通风的实际压差值ΔP′：

最后：确定实际压差值ΔP′的构成，引入并计算出建筑结构系数：

其中v₁、v₂分别为确定既有建筑结构系数时自然通风进口和出口的实测风速；

(2)利用结构系数ζ修正自然通风量：

利用建筑结构系数ξ计算同一建筑任意工况下，测得室内外空气密度ρ_n′、ρ_w′，其中对应该工况下实际引起自然能通风的压差内修正自然通风量L：

式中v₁′、v₂′为实际进、出口风速，其中，v₁′、v₂′可根据质量守恒公式G₁+G₀＝G₂，空气渗透风量公式，以及该工况下实际引起自然能通风的压差ΔP″确定方程：

3600S₁v₁′+αlΔP″^1/1.5＝3600S₂v₂′

其中α为门窗的气密性系数，l为可渗入空气的门、窗缝隙长度；

根据建筑结构系数的空气流量计算式3600S₂v₂＝L，联立方程组求解v₁′、v₂′

求解出v₁′、v₂′，再根据L＝3600S₂v₂′，求出该建筑在某种工况下的修正自然通风量L。

在真实的建筑中，建筑室内外密度差形成的热压一部分形成实际的自然通风量，另一部分则消耗在建筑内部结构和设备的局部阻力构件上，此处的结构系数ζ表述建筑物内部结构、布置对自然通风造成的阻力损失程度，其不随通风工况而变化，只与内部结构有关；对于特定建筑其结构系数ζ值为常数；用于修正由热压算得的建筑自然通风量，使得计算自然通风量与实际值接近。

对于形状简单的孔口的出流，流速高，流动处于阻力平方区，流速v与其两侧压差Δp的1/2次幂成正比；对于渗流空气流速缓慢，流道断面狭小，空气流动处于层流区，此时流速v与压差Δp的1次幂成正比；而对于一般门窗缝隙的空气渗透介于孔口与渗流之间，取出流速v与压差Δp的1/1.5次幂成正比。

本发明的有益效果是：本发明通过既有建筑理论计算自然通风量与实测自然通风量的对比求解得到该建筑特有的结构系数ζ，再结合建筑风量守恒公式，利用该建筑结构系数ζ修正最终求得自然通风量，使得修正后的理论自然通风量大大接近实际值，便于热压作用下建筑自然通风量的准确预测，从而提高室外自然冷源由自然通风引入的利用效率，有效降低建筑空调能耗。

附图说明

图1为本发明的利用建筑结构系数来修正建筑热压作用下自然通风量方法的流程图；

图2为实训中心内部建筑立面图；

图3为实训中心进出风简图；

图4为建筑结构系数分布图；

图5为现场实测通风量、理论计算通风量及修正通风量对比图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细说明。

如图1所示，本发明的利用建筑结构系数来修正热压作用下的建筑自然通风量，包括如下步骤：

首先，确定结构系数ζ的具体步骤包括：

步骤1：利用室内外空气密度ρ_n、ρ_w计算出热压差值ΔP：

ΔP＝gh(ρ_w-ρ_n)

其中g为重力加速度；h为进风口和出风口的高度差；

步骤2：利用热压差值ΔP计算出理论自然通风量L₁：

其中μ为窗孔的流量系数，F为窗孔的面积；

步骤3：根据实测自然通风量L₂求得引起实际自然通风的实际压差值ΔP′：

步骤4：确定实际压差值ΔP′的构成，引入并计算出建筑结构系数：

其中v₁、v₂分别为确定既有建筑结构系数时自然通风进口和出口的实测风速；

其次，利用结构系数ζ修正自然通风量的具体步骤为：

步骤1：利用建筑结构系数ξ计算同一建筑任意工况下(测得室内外空气密度ρ_n′、ρ_w′，但此时实际进出口风速v₁′、v₂′未知，其中对应该工况下实际引起自然能通风的压差的修正自然通风量L：

式中v₁′、v₂′未知，无法求出修正自然通风量L；

步骤2：根据质量守恒公式G₁+G₀＝G₂，空气渗透风量公式，以及该工况下实际引起自然能通风的压差ΔP″确定方程：

3600S₁v₁′+αlΔP″^1/1.5＝3600S₂v₂′

其中α为门窗的气密性系数，l为可渗入空气的门、窗缝隙长度；

步骤3：根据建筑结构系数的空气流量计算式3600S₂v₂＝L，联立方程组求解v₁′、v₂′：

步骤4：求解出v₁′、v₂′再根据L＝3600S₂v₂′，求出该建筑在某种工况下的修正自然通风量L。

在真实的建筑中，因建筑室内外密度差形成的热压一部分形成了实际的自然通风量，另一部分则消耗在建筑内部结构和设备等局部阻力构件上，此处的结构系数ζ表述了建筑物内部结构、布置对自然通风造成的阻力损失程度，其不随通风工况而变化，只与内部结构有关，对于某一特定建筑其值为常数；其可用于修正由热压算得的建筑自然通风量，使得计算自然通风量与实际值大大接近。

对于形状比较简单的孔口出流，流速较高，流动一般处于阻力平方区，流速v与其两侧压差Δp的1/2次幂成正比；而考虑通常渗流空气流速缓慢，流道断面狭小，空气流动处于层流区，此时出流速v与压差Δp的1次幂成正比；而对于一般门窗缝隙的空气渗透介于孔口与渗流之间，取出流速v与压差Δp的1/1.5次幂成正比。

具体实施例：上海理工大学实训中心自然通风风量修正计算

上海理工大学实训中心是由工厂厂房改建而来，同时用于工程实训，从结构上和工程上都具有鲜明的工厂特征。该厂房有双跨屋顶的结构，单跨17.7m，坡屋顶，梁上安装有行车架。大空间空调区域为北侧的数控机床区域。工程训练中心空调区建筑总面积为500m2，东西方向跨度为27.7m，南北方向跨度为17.7m。该建筑为双坡屋顶结构，一个坡屋顶最高高度为12m，另一坡屋顶为凸起天窗，天窗宽度为5m，最高高度为14.4m。建筑立面图如图2所示，数控车床中间为横梁，梁下净高为6m。右边凸起部分为天窗结构，进出风简图如图3所示。

利用当天的实测室内外空气密度ρ_n、ρ_w和进出口风速v₁、v₂，根据求得不同时刻的结构系数ζ。如图4所示，结构系数ζ在7kg/m3附近波动，并且上下波动在±1.5之间，对计算结果取其平均值，得到ζ＝7.10kg/m3。为了得到更加精确的建筑结构系数ζ值应当随机选取几天工况下的ζ，并对其取平均值确定一个最终的建筑结构系数ζ。在求得该建筑特有的结构系数ζ之后可以利用该结构系数ζ和测得的任意天数下的ρ_n′、ρ_w′，根据

利用MATLAB求得v₁′、v₂′，最终求得修正自然通风量L，现场实测通风量、理论计算通风量、修正通风风量结果如图5所示。结果表明理论计算通风量与实际风量比较误差可达38.9％，而修正后的通风风量将误差控制在10％左右。可见结构系数的引入修正可以大大提高理论风量的计算精度。

Claims (3)

1.一种利用建筑结构系数来修正建筑自然通风量的方法，用于保证热压作用下的建筑自然通风量的计算结果更接近真实值，其特征在于：首先通过既有建筑理论计算自然通风量与实测自然通风量的对比求解得到该建筑特有的结构系数ζ，再利用该建筑结构系数ζ，结合建筑风量守恒公式，最终求得自然通风量的修正值，具体步骤为：

(1)确定结构系数ζ：

首先，利用室、内外空气密度ρ_n、ρ_w计算出热压差值ΔP：

ΔP＝gh(ρ_w-ρ_n)

其中g为重力加速度；h为进风口和出风口的高度差；

其次，利用热压差值ΔP计算出理论自然通风量L₁：

$L_1=\mathrm{\μ}F\sqrt{\frac{2\mathrm{\Δ}P}{{\mathrm{\ρ}}_w}}$

其中μ为窗孔的流量系数，F为窗孔的面积；

然后：根据实测自然通风量L₂求得引起实际自然通风的实际压差值ΔP′：

$L_2=\mathrm{\μ}F\sqrt{\frac{2{\mathrm{\ΔP}}^{\′}}{{\mathrm{\ρ}}_w}}$

${\mathrm{\ΔP}}^{\′}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_w}{2}{\left(\frac{L_2}{\mathrm{\μ}F}\right)}^2$

最后：确定实际压差值ΔP′的构成，引入并计算出建筑结构系数：

${\mathrm{\ΔP}}^{\′}=\mathrm{\Δ}P-\frac{\mathrm{\ζ}}{2}{\left(\frac{v_1+v_2}{2}\right)}^2$

$\mathrm{\ζ}=\frac{8(\mathrm{\Δ}P-{\mathrm{\ΔP}}^{\′})}{{(v_1+v_2)}^2}$

其中v₁、v₂分别为确定既有建筑结构系数时自然通风进口和出口的实测风速；

(2)利用结构系数ζ修正自然通风量：

利用建筑结构系数ξ计算同一建筑任意工况下，测得室内外空气密度ρ_n′、ρ_w′，其中对应该工况下实际引起自然能通风的压差的修正自然通风量L：

$L=\mathrm{\μ}F\sqrt{\frac{2gh({{\mathrm{\ρ}}_w}^{\′}-{{\mathrm{\ρ}}_n}^{\′})-\frac{\mathrm{\ζ}}{2}{\left(\frac{{v_1}^{\′}+{v_2}^{\′}}{2}\right)}^2}{{{\mathrm{\ρ}}_w}^{\′}}}$

式中v₁′、v₂′为实际进、出口风速，其中，v₁′，v₂′可根据质量守恒公式G₁+G₀＝G₂，空气渗透风量公式，以及该工况下实际引起自然能通风的压差ΔP″确定方程：

3600S₁v₁′+αlΔP″^1/1.5＝3600S₂v₂′

其中α为门窗的气密性系数，l为可渗入空气的门、窗缝隙长度；

根据建筑结构系数的空气流量计算式3600S₂v₂＝L，联立方程组求解v₁′，v₂′

$\left\{\begin{array}{c}3600S_1{v_1}^{\′}+\mathrm{\α}l{\left(\frac{2gh({{\mathrm{\ρ}}_w}^{\′}-{{\mathrm{\ρ}}_n}^{\′})-\frac{\mathrm{\ζ}}{2}{\left(\frac{{v_1}^{\′}+{v_2}^{\′}}{2}\right)}^2}{{{\mathrm{\ρ}}_w}^{\′}}\right)}^{\frac{1}{1.5}}=3600S_2{v}_2\\ 3600S_2{v_2}^{\′}=\mathrm{\μ}F\sqrt{\frac{2gh({{\mathrm{\ρ}}_w}^{\′}-{{\mathrm{\ρ}}_n}^{\′})-\frac{\mathrm{\ζ}}{2}{\left(\frac{{v_1}^{\′}+{v_2}^{\′}}{2}\right)}^2}{{{\mathrm{\ρ}}_w}^{\′}}}\end{array}\right.$

求解出v₁′、v₂′，再根据L＝3600S₂v₂′，求出该建筑在某种工况下的修正自然通风量L。

2.根据权利要求1所述的利用建筑结构系数来修正建筑自然通风量的方法，其特征在于：在真实的建筑中，建筑室内外密度差形成的热压一部分形成实际的自然通风量，另一部分则消耗在建筑内部结构和设备的局部阻力构件上，此处的结构系数ζ表述建筑物内部结构、布置对自然通风造成的阻力损失程度，其不随通风工况而变化，只与内部结构有关；对于特定建筑其结构系数ζ值为常数；用于修正由热压算得的建筑自然通风量，使得计算自然通风量与实际值接近。

3.根据权利要求1所示的利用建筑结构系数来修正建筑自然通风量的方法，其特征在于：对于形状简单的孔口的出流，流速高，流动处于阻力平方区，流速v与其两侧压差Δp的1/2次幂成正比；对于渗流空气流速缓慢，流道断面狭小，空气流动处于层流区，此时流速v与压差Δp的1次幂成正比；而对于一般门窗缝隙的空气渗透介于孔口与渗流之间，取出流速v与压差Δp的1/1.5次幂成正比。