CN112628905A - 一种节能舒适并适用于大型公共建筑的热压通风方法 - Google Patents

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CN112628905A CN202011477842.8A CN202011477842A CN112628905A CN 112628905 A CN112628905 A CN 112628905A CN 202011477842 A CN202011477842 A CN 202011477842A CN 112628905 A CN112628905 A CN 112628905A
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吴杰
周凯锋
王彦雯
张琪
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Abstract

本发明涉及建筑通风领域，公开了一种节能舒适并适用于大型公共建筑的热压通风方法。本发明的有益效果在于，利用大型公共建筑的特殊空间，设置太阳能烟囱，强化空间热压通风，用最小的能耗，达到最大化的热舒适。

Description

一种节能舒适并适用于大型公共建筑的热压通风方法
技术领域
本发明涉及建筑通风领域，尤其涉及一种节能舒适并适用于大型公共建筑的热压通风方法。
背景技术
我国城市化进程中，大型公共建筑成为非常普遍的建筑类型。但大型公共建筑空间往往具有空间尺度巨大、形态相对封闭、周边功能复合的特征，越来越倾向于依靠 高耗能的设备驱动与空调调节，使其在实际运行中面临高能耗与低舒适的挑战。为达 到设备环境下的高舒适度，不得不消耗大量的运行能源。大多数公共建筑能耗集中在 50-70Wh/(m2a),规模较大、功能组织复杂的公共建筑空间能耗集中在120-150Wh/(m2a) 的较高能耗水平。高能耗之外，大型公共建筑密闭空间带来的健康问题同样严峻。据 世界卫生组织(WHO)统计，目前世界上受病态建筑综合症(SBS,sick building syndrome)影响的有30％的新建和将近30％的整修建筑物，受其困扰的办公人员约 20％～30％。加强自然通风，从“气密性建筑”到“气候性建筑”，是一个建筑设计领 域的新挑战，大型公共建筑尤甚。
大型公共建筑在自然通风方面具有先天的劣势，单纯的风压通风在大型公共建筑空间中难以发挥有效性能。实验表明，进深超过40米会造成建筑通风路径拉长，风压 通风效果受限。而热压通风取决于室内外温度差与气流通道的高度或通风上下开口之 间的垂直距离，对解决大尺度空间中的通风问题尤为重要，可利用建筑中的中庭空间、 建筑过度空间，或建筑双层界面空间来实现。通过热压通风达成的空间气候调控技术 复杂度要高得多，一方面，热与风的综合作用机制和有效性需要更精准的技术调适； 另一方面，建筑空间形态、组织与构造，成为自然通风设计的关键，需要建筑本体设 计的根本性转变。
我们要有更多自然通风的办公和生活环境，而不要都依赖空调。建筑自然通风不仅是绿色建筑、健康建筑的基本要求，也是建筑疫情应急有效措施之一。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种适用于大型公共建筑并且节能绿色舒适的热压通风方法。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何利用大型公共建筑的特殊空间，设置太阳能烟囱，强化空间热压通风，用最小的能耗，达到最大化的 热舒适。
为实现上述目的，本发明提供了一种节能舒适并适用于大型公共建筑的热压通风方法，其特征在于，包括如下步骤：
(a)根据大型公共建筑的自身结构，利用现有建筑空间，设置拔风井；
(b)利用热压通风原理，强化自然通风；
(c)根据图纸建立物理模型，按月份进行模拟计算，若每个月份内气象参数跨度较大，则再进行划分；
(d)进行网格划分，将烟囱与主体部分切开，烟囱采用六面体网格、主体采用四 面体网格，采用整体控制和局部加密的策略对窗户和建筑整体进行网格划分，最终得 到的网格需满足网格质量要求的两个指标；
(e)建立数学模型，基于平均湍流能量模型，采用有限体积法对控制方程组进行离散求解，利用求解器计算；单值性条件包括几何条件、物理条件和边界条件；
(f)通过计算得到每层自然通风区域的最小新风量，根据模拟结果，调节开 窗数量和中和面的位置。
优选的，步骤(b)的实现方法为在已有拔风井的基础上提高其高度和/或设置太阳能烟囱，所述太阳能烟囱位于南边墙体，排风口相对设在北边墙体。
优选的，所述太阳能烟囱包括玻璃幕墙、太阳能集热器和隔热板，所述玻璃幕墙与所述太阳能集热器相对设置，所述隔热板设在所述太阳能集热器之后。
优选的，所述玻璃幕墙使用的玻璃为透明平板玻璃。
优选的，所述太阳能集热器的吸热板芯采用铝合金材料加黑色涂层，所述隔热板的隔热材料为酚醛泡沫。
优选的，步骤(c)的物理模型为在每个方案计算时对计算区域内的空气流动的假设符合布辛尼斯克(Boussinesq)假设。
优选的，步骤(c)中的控制方程包括质量守恒方程、动量守恒、Reynolds应力湍 流方程、湍流涡粘系数模化方程、湍流动能守恒方程、湍流动能耗散守恒方程、 湍流动能剪切和浮力附加项，具体方程式为：
Figure BDA0002837742000000021
Figure BDA0002837742000000031
优选的，步骤(c)中的物理条件包括参与流动与传热传质的物质的物理特征和 源项的大小和分布情况，其中源项主要包括照明负荷、人员的发热量以及其他设 备的发热量。
优选的，步骤(c)的边界条件为：
Figure BDA0002837742000000032
，步骤(c)为非稳态三维流动的数值模拟，边界条件随着室外气象参数的改变而改变，需要编写用户自定义函数UDF将建筑所在地的过渡季节的气象参数导入到边界 条件中，气象参数取春秋两季(3，4，5月为春季；9，10，11月为秋季)，计算时间 为每天的8:00-17：00。
优选的，所述用户自定义函数UDF的编译需要完成三个宏的编写，分别是unsteady_Heat_Flux、thread_inlet_temperature和hourly_glass_temperature，分别实现了 逐时的室外干球温度、综合温度和太阳辐射的输入。
本发明的有益效果在于，利用大型公共建筑的特殊空间，设置太阳能烟囱，强化空间热压通风，用最小的能耗，达到最大化的热舒适。
附图说明
图1是本发明的一个较佳实施例的西侧拔风井及其负责的通风区域；
图2是本发明的一个较佳实施例的东侧拔风井及其负责的通风区域；
图3是本发明的一个较佳实施例的太阳能烟囱示意图；
图4是本发明的一个较佳实施例的太阳能烟囱尺寸示意图；
图5是本发明的一个较佳实施例的西侧拔风井及其负责的通风区域共104万网格的示意图；
图6是本发明的一个较佳实施例的东侧拔风井及其负责的通风区域共281万网格的示意图；
图7是本发明的一个较佳实施例的UDF略图；
图8是本发明的一个较佳实施例的各月份一、二楼初次模拟风量与气象参数图；
图9是本发明的一个较佳实施例的一、二楼窗户开启方案中一楼的开窗示图；
图10是本发明的一个较佳实施例的各月份三至九楼初次模拟风量与气象参数图；
图11是本发明的一个较佳实施例的三到九楼窗户开启方案的开窗示图；
图12是本发明的一个较佳实施例的方案6-5和方案6-5-2的中和面位置对比示意图；
图13是本发明的一个较佳实施例的各楼层风速图；
图14是本发明的一个较佳实施例的各楼层温度分布图；
图15是本发明的一个较佳实施例的各楼层风压力图；
图16是本发明的一个较佳实施例的一层及西侧拔风井风速图；
图17是本发明的一个较佳实施例的三层及东侧拔风井风速图。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非 仅限于文中提到的实施例。
本文述及的“F1”、“F2”、“F3”、“F4”、“F5”、“F6”、“F7”、“F8”和“F9”代表 “第1层”、“第2层”、“第3层”、“第4层”、“第5层”、“第6层”、“第7层”
、“第8层”和“第9层”。
1、在合适位置处，设置拔风井
根据建筑内部结构特征，利用建筑物内部贯穿多层的竖向空腔，如楼梯间、中庭等，设置拔风井。以崇明体育训练基地1号楼为例，设置两个拔风井。利用拔风井排 风的区域为每层的走廊及中庭区域。考虑到防火分区，东西两侧的拔风井分别负责不 同的区域，其中西侧拔风井负责一二楼中庭及相应走廊，东侧拔风井负责三到九楼中 庭及相应走廊，具体情况见图1、图2。
2.利用热压通风原理，强化自然通风
2.1强化方案
根据热压通风原理，提高自然通风效果是主要通过提升室内外温差和建筑物高度。 根据这一理念，做如下设计：在已有拔风井的基础上提高拔风井的高度；烟囱法线沿南向偏西，可将南边墙体设为玻璃幕墙，排风口设在北边一侧；同时在玻璃幕墙相对 一侧放置太阳能集热器，并在其后加垫隔热板。
2.2选材
根据自然通风强化方案需选取合适的玻璃材料，集热器材料和隔热板材料。选材原则见表1。
表1选材原则
Figure BDA0002837742000000051
在以上原则下根据《全国民用建筑工程设计技术措施——节能专篇/建筑》可选取玻璃品种，具体参数规格详见表2。
表2选取的玻璃参数
Figure BDA0002837742000000052
集热板的吸热板芯则采用1mm厚1070型铝合金226W/(m2·K)加黑色涂层，吸 收率可达0.96。隔热材料则选取20mm厚酚醛泡沫。
2.3太阳能烟囱尺寸及百叶口尺寸
在满足建筑结构及防火要求的前提，尽可能保证拔风井百叶口及烟囱的面积。详细尺寸见表3和表4。
表3拔风井百叶口尺寸
F1 F2 F3 F4-F8 F9
1.3m*3.4m 1.3m*2.6m 1.3m*2.4m 1.4m*2.6m 1.4m*2.8m
表4太阳能烟囱尺寸
F1-F2太阳烟囱尺寸 F3-F9太阳烟囱尺寸
玻璃幕墙 2.3m*19.1m 5.60m*19.1m
吸热板 2.3m*16.2m 5.60m*16.2m
出口 2.3m*2.9m 5.60m*2.9m
图3和4示出了太阳能烟囱的平面图及尺寸示意图。
3.数值模拟
3.1建立物理模型
为了能够真实有效的进行模拟，在建模过程中，严格按照CAD图纸进行建立物 理模型。
因需要对整个过渡季节进行模拟，时间跨度较大，为保证仿真模拟的真实性和有效，按月份进行模拟计算，如果每个月份内气象参数跨度较大，再进行划分。
在对每个方案计算时对计算区域内的空气流动的假设如下：
符合Boussinesq假设：除密度外其他物性为常数，对密度仅考虑动量方程中与体积力有关的项，其余各项中的密度亦作为常数。在此假设下，密度差可被近似地作为 纯粹的温度影响。
3.2网格划分
建筑往往呈现不规则形状，但是烟囱部分为规则的方体。为了提高网格质量，减少网格数量，缩短计算时间，将烟囱与主体部分切开，采用六面体网格，而主体部分 则采用四面体网格。此外，该通风区域体积较大，建筑本身网格数目较多，每层楼层 的窗户的尺寸相较而言非常小，故需采用整体控制和局部加密的策略对窗户和建筑整 体进行网格划分，在考虑计算精度以及计算时间的同时，不断调整网格尺寸及网格变 化梯度，最后得到相对于该模型比较合适的网格尺寸及梯度，最终得到的网格需满足 网格质量要求的两个指标Minimum Orthogonal Quality和Maximum Orthogonal Skewness。左右两个拔风井因处于不同的防火分区，可看做两个完全独立的模型，其 网格模型如图5、图6所示。
3.3数学模型
该技术问题为自然通风区域不可压缩气体的三维非稳态问题，基于Launder和Spalding等人提出的一种平均湍流能量模型——双方程湍流模型，采用有限体积法对 控制方程组进行离散求解，利用Fluent 16.0求解器计算。其中，控制方程包括连续性 方程、动量方程、能量方程以及方程与湍流粘性系数(turbulent viscosity)公式，具 体方程见表5。
表5控制方程
Figure BDA0002837742000000071
Figure BDA0002837742000000081
3.4单值性条件
1)几何条件
数值模型的主体部分为不规则多边形，烟囱部分为长方体，确定各部分详细尺寸。
2)物理条件
物理条件包括参与流动与传热传质的物质的物理特征和源项的大小和分布情况。其中源项主要包括照明负荷、人员的发热量以及其他设备的发热量。由于此办公建筑 中庭结构复杂，热源在室内的分布情况难以确定，参考文献后我们采用热源均衡分布 的方案将人员热负荷、照明和设备负荷平摊在地面上。其值参考《公共建筑节能设计 规范》确定。
3)边界条件
表6边界条件
Figure BDA0002837742000000082
本次模拟为非稳态三维流动，边界条件随着室外气象参数的改变而改变，所以需要编写UDF(用户自定义函数)将建筑所在地的过渡季节的气象参数导入到边界条件 中，气象参数取春秋两季(3，4，5为春季；9，10，11为秋季)，计算时间为每天的 8:00-17：00。如图7所示，该UDF的编译共完成三个宏的编写，分别是 unsteady_Heat_Flux、thread_inlet_temperature和hourly_glass_temperature，分别实现了 逐时的室外干球温度、综合温度和太阳辐射的输入。
4.初次模拟与二次改进
4.1确定最小新风量
通过计算得到每层自然通风区域的最小新风量，如表7所示。
表7各楼层所需新风风量
Figure BDA0002837742000000091
4.2一、二楼初次模拟结果及方案改进
4.2.1初次模拟结果
如图8所示，根据模拟结果明显发现，一楼的风量远远大于所需风量。而二楼风 量很小，甚至在某些太阳辐射很小的时刻点，二楼出现了倒灌现象，说明中和面的位 置远不能达到要求。门窗结构及气密性特征以及门窗数目面积等都对建筑热压中和面 有影响，其影响程度与其在建筑中的位置以及建筑高度有关；当较小或较大的当量空 口面积的门窗位于建筑的最顶部或最底部，对建筑热压中和面的影响较大，且建筑高 度愈高，影响愈大，而处于中间层则影响较小。这主要因为：建筑高度愈高，建筑热 压愈大，愈靠近建筑顶、底部相对热压愈大；热压愈大，门窗机构、气密性、缝隙长 度的变化引起的渗进、渗出风量变化愈大。
根据模拟结果和以上理论，对一、二楼的窗户开启情况进行改进。通过减少一楼窗户开启数目的方法来实现一楼风量的减少，增大一楼风道的阻力从而提高热压中和 面的高度。
4.2.2一、二楼窗户开启方案改进
按照一楼窗户开启数目依次减少为初始数目的0.5，0.25，0.1倍，一共设置四组方案进行模拟对比，气象条件取过渡季节的某一辐射较强(为484.24W/m2)的时刻。 设置好边界条件，进行迭代计算，得到模拟结果见表8。
表8改进方案具体内容
Figure BDA0002837742000000092
Figure BDA0002837742000000101
根据以上结果可以看出，方案5-1的二楼出现回流，不满足要求。而方案5-4一 楼窗户开启数目过少，导致一楼风量骤降，且此时刻太阳辐射较强，因太阳辐射增强 而提升的幅度有限，故直接舍弃。
方案5-2和方案5-3的一、二楼风量都是满足要求的，需进一步分析这两种方案 下中和面高度并对比低辐射情况下的通风状况。在边界条件设置中将太阳辐射强度设 为0，设置方案5-2-1和方案5-3-1，再次进行模拟计算。
表9无辐射方案5-2-1和5-3-1风量统计(单位：m3/s)
方案5-2-1 方案5-3-1
F1_inlet 4.0965 2.7887
F2_1inlet 1.5126 2.8965
4.3三到九楼模拟结果及窗户开启情况改进
4.3.1三到九楼初次模拟结果
如图10所示，三到九楼的通风状况比一到二楼的通风状况更差，七八九楼呈现出越来越严重的倒灌现象，而三、四、五楼的通风量远远大于要求的通风量，这说明中 和面位于六、七楼之间，其高度远远不能达到我们的期望值，因此需要提升中和面的 高度，这需要对低层楼层的窗户开启数目进行改善。
4.3.2三到九楼窗户开启方案改进
低层楼层的窗户开启影响最大，所以从三楼到七楼窗户开启数目的改动也依次减少，见表10
表10三到九楼窗户开启改进方案具体情况
Figure BDA0002837742000000111
Figure BDA0002837742000000121
通过模拟得到这五个方案沿高度方向的表压分布(因三到九楼的自然通风区域较为复杂，故取了两处的表压分布，分别为北入口附近和中庭)和每个楼层的进风量。 方案6-1的中和面在29.2m附近，略低于七楼楼板，则在七楼以上的楼层出现回流。 根据模拟结果发现，三到五楼风量远超所需，而七到九楼出现倒流现象。方案6-2、 6-3的中和面出现在32.6m、34.5m的位置，分别比方案6-1提高了3.4m、5.3m，虽然 两个方案的三楼到七楼都满足了室内自然通风的要求，但是八楼九楼仍然存在回流现 象。方案6-4和方案6-5的改进使得八楼的自然通风也满足要求了，改善效果显著， 方案6-4、6-5的中和面位于35.3m、35.9m的位置，差别不大。需进一步模拟这两种 方案无太阳辐射情况下的自然通风状况，即方案6-4-1和方案6-5-1，见表11。
表11方案6-4-1，方案6-5-1，方案6-5-2风量对比(单位：m3/s)
F3 F4 F5 F6 F7 F8 F9 outlet
方案6-4-1 2.592 2.411 2.16 2.288 1.608 -0.583 -6.854
方案6-5-1 2.015 1.853 2.348 1.992 1.956 0.256 -6.731
方案6-5-2 1.983 1.837 2.319 1.917 1.806 -0.359 -7 -2.5037
方案6-4-1八楼出现了倒流现象，而方案6-5-1八楼通风量仍然为正，在低太阳辐射的情况下，方案6-5的通风情况更佳。三四楼的窗户只开了一扇，无法为了九楼通 风而去减少窗户的开启数目了。6-5相比6-4增加了烟囱出口的排风风量，使得在九楼 排风的风量较少，可见烟囱背部加集热板的效果显著。
综上确定了最佳方案为方案6-5。为验证强化拔风措施的效果，设置了方案6-5-2，去掉太阳能烟囱，则八楼九楼出现了倒流，出口流量大大减少，其中和面比方案6-5 低了1.3m，由此可见加了太阳能烟囱的效果。最终确定的窗户开启方案既保证了高楼 层的通风进风量，又明显提高了中和面的位置。
根据软件模拟结果以及结果分析，最终确定窗户开启方式如上所示。改进后的方案减少了开窗的数量，既保证了高楼层的通风进风量，又在一定程度上防止了大面积 开窗所导致的粉尘以及后续清洁工作；从图12看出，本次改进明显提高了中和面的位 置，效果十分显著。
4.4最终方案效果分析图
图13-17展示了改进方案后的各楼层的风速图、风压图和温度图还有两个拔风井的拔风效果图，满足自然原理并且能够基本满足人对环境的舒适性要求，说明本方案 具有很强的实际意义和应用价值。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术 人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得 到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种节能舒适并适用于大型公共建筑的热压通风方法，其特征在于，包括如下步骤：
(a)根据大型公共建筑的自身结构，利用现有建筑空间，设置拔风井；
(b)利用热压通风原理，强化自然通风；
(c)根据图纸建立物理模型，按月份进行模拟计算，若每个月份内气象参数跨度较大，则再进行划分；
(d)进行网格划分，将烟囱与主体部分切开，烟囱采用六面体网格、主体采用四面体网格，采用整体控制和局部加密的策略对窗户和建筑整体进行网格划分，最终得到的网格需满足网格质量要求的两个指标；
(e)建立数学模型，基于平均湍流能量模型，采用有限体积法对控制方程组进行离散求解，利用求解器计算；单值性条件包括几何条件、物理条件和边界条件；
(f)通过计算得到每层自然通风区域的最小新风量，根据模拟结果，调节开窗数量和中和面的位置。
2.根据权利要求1所述的热压通风方法，其特征在于，步骤(b)的实现方法为在已有拔风井的基础上提高其高度和/或设置太阳能烟囱，所述太阳能烟囱位于南边墙体，排风口相对设在北边墙体。
3.根据权利要求2所述的热压通风方法，其特征在于，所述太阳能烟囱包括玻璃幕墙、太阳能集热器和隔热板，所述玻璃幕墙与所述太阳能集热器相对设置，所述隔热板设在所述太阳能集热器之后。
4.根据权利要求3所述的热压通风方法，其特征在于，所述玻璃幕墙使用的玻璃为透明平板玻璃。
5.根据权利要求3所述的热压通风方法，其特征在于，所述太阳能集热器的吸热板芯采用铝合金材料加黑色涂层，所述隔热板的隔热材料为酚醛泡沫。
6.根据权利要求1所述的热压通风方法，其特征在于，步骤(c)的物理模型为在每个方案计算时对计算区域内的空气流动的假设符合布辛尼斯克(Boussinesq)假设。
7.根据权利要求1所述的热压通风方法，其特征在于，步骤(c)中的控制方程包括质量守恒方程、动量守恒、Reynolds应力湍流方程、湍流涡粘系数模化方程、湍流动能守恒方程、湍流动能耗散守恒方程、湍流动能剪切和浮力附加项，具体方程式为：
Figure FDA0002837741990000021
8.根据权利要求1所述的热压通风方法，其特征在于，步骤(c)中的物理条件包括参与流动与传热传质的物质的物理特征和源项的大小和分布情况，其中源项主要包括照明负荷、人员的发热量以及其他设备的发热量。
9.根据权利要求1所述的热压通风方法，其特征在于，步骤(c)的边界条件为：
Figure FDA0002837741990000022
Figure FDA0002837741990000031
,
步骤(c)为非稳态三维流动的数值模拟，边界条件随着室外气象参数的改变而改变，需要编写用户自定义函数UDF将建筑所在地的过渡季节的气象参数导入到边界条件中，气象参数取春秋两季(3，4，5月为春季；9，10，11月为秋季)，计算时间为每天的8:00-17：00。
10.根据权利要求9所述的热压通风方法，其特征在于，所述用户自定义函数UDF的编译需要完成三个宏的编写，分别是unsteady_Heat_Flux、thread_inlet_temperature和hourly_glass_temperature，分别实现了逐时的室外干球温度、综合温度和太阳辐射的输入。
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