摘要：基于多區(qū)域通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模型，根據(jù)熱壓作用下的自然通風(fēng)原理，建立了熱壓自然通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模型，探討了基本數(shù)學(xué)方程。結(jié)合算例，分析了某別墅建筑熱壓自然通風(fēng)量的計(jì)算過(guò)程。
關(guān)鍵詞： 自然通風(fēng)； 熱壓； 風(fēng)壓； 多區(qū)域網(wǎng)絡(luò)模型
Network Model of Buoyancy-driven Natural Ventilation and Calculation Method of Ventilation Rate
Abstract： According to the principle of buoyancy-driven natural ventilation，a network model for buoyancy-driven natural ventilation is developed based on the multi-zone network model for ventilation．The basic mathematical equation is discussed．The calculation of buoyancy—driven natural ventilation rate in a villa building is analyzed with a ease．
Key words： natural ventilation；thermal buoyancy； wind pressure； multi-zone network model
有效利用通風(fēng)被視為降低建筑能耗的最簡(jiǎn)單的手段之一[1-5]。自然通風(fēng)是指利用自然手段(熱壓、風(fēng)壓等)促使空氣流動(dòng)而進(jìn)行的通風(fēng)換氣方式[6]。充分有效地利用自然通風(fēng)不僅能夠提高室內(nèi)空氣品質(zhì)，還能夠改善室內(nèi)熱濕環(huán)境，進(jìn)而降低機(jī)械通風(fēng)、空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運(yùn)行能耗[7]。某些城市(如重慶)還將自然通風(fēng)作為有效的節(jié)能手段列入當(dāng)?shù)亟ㄖ?jié)能標(biāo)準(zhǔn)加以推廣。
自然通風(fēng)能力直接影響建筑能耗水平，自然通風(fēng)量是評(píng)價(jià)自然通風(fēng)能力的重要指標(biāo)，自然通風(fēng)計(jì)算主要是指自然通風(fēng)量的計(jì)算。風(fēng)壓作用下的自然通風(fēng)主要?jiǎng)恿槭彝怙L(fēng)場(chǎng)，而室外風(fēng)環(huán)境隨時(shí)間呈無(wú)規(guī)則變化，風(fēng)壓作用下的自然通風(fēng)量具有不穩(wěn)定性。當(dāng)建筑使用情況一定時(shí)，熱壓比風(fēng)壓穩(wěn)定，熱壓作用下的自然通風(fēng)量(以下簡(jiǎn)稱熱壓自然通風(fēng)量)也比較穩(wěn)定。對(duì)于處在室外風(fēng)速很低的城市中心區(qū)建筑及別墅建筑，熱壓將成為建筑自然通風(fēng)的主要?jiǎng)恿?。筆者在對(duì)熱壓作用下的自然通風(fēng)(以下簡(jiǎn)稱熱壓自然通風(fēng))原理進(jìn)行系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上，提出了一種基于多區(qū)域網(wǎng)絡(luò)模型的熱壓自然通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模型。本文對(duì)熱壓自然通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模型及熱壓自然通風(fēng)量的計(jì)算方法進(jìn)行探討。
1 多區(qū)域網(wǎng)絡(luò)模型
在建筑通風(fēng)的多區(qū)域網(wǎng)絡(luò)模型中，將能夠進(jìn)行相互通風(fēng)的所有建筑空間視為一個(gè)供空氣流通的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并認(rèn)為每個(gè)房間內(nèi)部的空氣具有均一的溫度、壓力、污染物濃度。將每個(gè)房間視為網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，將各個(gè)房間之間的氣流通道視為網(wǎng)絡(luò)中的支路，將每個(gè)節(jié)點(diǎn)作為一個(gè)獨(dú)立的控制體，采用質(zhì)量、能量守恒等方程計(jì)算網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的空氣流量、壓力分布情況[8-11]。
2 熱壓自然通風(fēng)
熱壓自然通風(fēng)是指由于不同溫度空氣間的密度差異產(chǎn)生自發(fā)空氣流動(dòng)的通風(fēng)換氣方式[6]。當(dāng)室內(nèi)空氣溫度高于室外空氣溫度，且不同高度存在開(kāi)口時(shí)，空氣通過(guò)下部開(kāi)口進(jìn)入，由上部開(kāi)口流出。開(kāi)口之間空氣流動(dòng)動(dòng)力(即熱壓)p的計(jì)算式為：
式中 p——熱壓，Pa
g——重力加速度，m／s2
Δh——兩個(gè)開(kāi)口的高度差，m
ρout——室外空氣密度，kg／m3
ρin——室內(nèi)空氣密度，kg／m3
因此，兩個(gè)開(kāi)口的高度差、室內(nèi)外溫度差是熱壓存在的兩個(gè)必要條件。廣州、重慶等大城市的中心區(qū)域近地面風(fēng)速較小，風(fēng)向不定，風(fēng)壓不穩(wěn)定[12-13]。在這種情況下，熱壓成為影響自然通風(fēng)量的主要因素，應(yīng)給予足夠的重視。對(duì)于不同高度之間存在常開(kāi)氣流通道的建筑，熱壓自然通風(fēng)量更是不容忽視。
3 熱壓自然通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模型
3．1 建立原則
根據(jù)多區(qū)域網(wǎng)絡(luò)模型的基本原理，確定熱壓自然通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模型的構(gòu)建原則。
節(jié)點(diǎn)：認(rèn)為建筑中各個(gè)可封閉的空間內(nèi)空氣的熱物理狀態(tài)相同。把門、窗、墻、樓板等圍護(hù)結(jié)構(gòu)組成的一個(gè)封閉空間作為網(wǎng)絡(luò)模型中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)。若空間不能封閉，則可根據(jù)實(shí)際溫度進(jìn)行節(jié)點(diǎn)劃分，如豎向樓梯間，由于各層負(fù)荷及通風(fēng)情況不同且相互影響很小，因此應(yīng)按樓層劃分樓梯間節(jié)點(diǎn)。設(shè)定建筑外部空間所有空氣處于相同熱物理狀態(tài)，即視為一個(gè)節(jié)點(diǎn)(室外狀態(tài)節(jié)點(diǎn))。
支路：若兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間存在門、窗、孔洞等氣流通道，即認(rèn)為這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間存在一條支路。
支路阻力：支路阻力由沿程阻力與局部阻力組成。
動(dòng)力設(shè)置：熱壓自然通風(fēng)的動(dòng)力來(lái)自空氣溫度差異產(chǎn)生的熱壓，當(dāng)兩點(diǎn)間空氣溫度差及高度差不變時(shí)，兩點(diǎn)間驅(qū)動(dòng)空氣流動(dòng)的熱壓為定值。此時(shí)，可以將熱壓視為虛擬的熱壓風(fēng)機(jī)，并認(rèn)為熱壓風(fēng)機(jī)作用在具有高度變化的支路上。
3．2 網(wǎng)絡(luò)模型的計(jì)算
采用肖益民設(shè)計(jì)的“環(huán)狀管網(wǎng)水力計(jì)算與水力工況分析軟件”進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)模型的計(jì)算。由于該軟件適用于具有動(dòng)力裝置的通風(fēng)系統(tǒng)，因此將虛擬的熱壓風(fēng)機(jī)作為等效動(dòng)力裝置[14]。
3．3 基本數(shù)學(xué)方程
①支路熱壓
第k條支路熱壓pk的計(jì)算式為：
式中 pk——第五條支路的熱壓，Pa
Δhk——第k條支路的始末節(jié)點(diǎn)間計(jì)算高度差，m
②支路阻力
第k條支路阻力Δpk的計(jì)算式為：
式中 Δpk——第k條支路的阻力，Pa
Sk——第k條支路的阻力數(shù)，Pa·m-6·s2
qk——第k條支路的空氣流量，m3／s
③支路壓力平衡
第k條支路壓力平衡的表達(dá)式為：
④環(huán)狀管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)流量及回路壓力平衡方程第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的流量平衡表達(dá)式為：
式中 r——第i個(gè)節(jié)點(diǎn)包含的支路數(shù)量
qi,n——第i個(gè)節(jié)點(diǎn)第n條支路的流量，m3／s
第j條回路壓力平衡表達(dá)式為：
式中 xj——第j條回路包含的支路數(shù)量
Sj,m——第j條回路第m條支路的阻力數(shù)，Pa·m-6·s2
qj,m——第j條回路第m條支路的流量，m3／s
yj——第j條回路虛擬熱壓風(fēng)機(jī)數(shù)量
pj,m——第j條回路第m條支路的熱壓，Pa
由式(2)～(6)可解得網(wǎng)絡(luò)中任意支路的流量和流向。
4 算例
①建筑概況
以重慶市某別墅作為研究對(duì)象，進(jìn)行熱壓自然通風(fēng)量計(jì)算。該別墅共4層，地上2層，地下2層。負(fù)二層層高為3．1 m，負(fù)一層層高為2．
該建筑物共有21個(gè)主要功能房間(包含衛(wèi)生間、車庫(kù)、儲(chǔ)藏室等)，兩個(gè)豎向氣流通道(樓梯間、中庭)。樓梯間是貫通負(fù)二層至屋頂?shù)娜诵型ǖ?。中庭從一層通至屋頂，類似于舊式建筑的天井，是與室外相通的空間。別墅的立體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，圖中各層標(biāo)高的單位為m。
②熱壓自然通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模型
考慮到自然通風(fēng)狀態(tài)下應(yīng)避免污染，因此不將衛(wèi)生間、廚房等存在污染源的房間列入熱壓自然通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模型。熱壓自然通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模型見(jiàn)圖2。熱壓自然通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模型中各節(jié)點(diǎn)代表的功能區(qū)見(jiàn)表l。其中節(jié)點(diǎn)23設(shè)在通風(fēng)井底面，節(jié)點(diǎn)20設(shè)在屋頂表面，其他節(jié)點(diǎn)均設(shè)在各層高度方向的中間位置。由此可知各節(jié)點(diǎn)的高度差。
③熱壓自然通風(fēng)量計(jì)算
根據(jù)門窗開(kāi)啟的當(dāng)量直徑，門、窗的局部阻力系數(shù)取值范圍分別為l．56～2．10、2．37～2．50[15]。樓梯間視為僅有沿程阻力無(wú)局部阻力的支路，粗糙度參照混凝土風(fēng)管，取
自然通風(fēng)一般應(yīng)用于過(guò)渡季節(jié)，對(duì)室內(nèi)外空氣參數(shù)進(jìn)行設(shè)定：室內(nèi)空氣溫度為
由圖2可知，共有7個(gè)支路具有高度變化(見(jiàn)表2)，因此在這7個(gè)支路上存在熱壓，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。
采用“環(huán)狀管網(wǎng)水力計(jì)算與水力工況分析軟件”完成各支路的熱壓自然通風(fēng)量計(jì)算。軟件使用方法為：a．輸入節(jié)點(diǎn)數(shù)量，為23個(gè)。b．輸入支路數(shù)量．為37條。c．輸入支路信息。設(shè)定各支路的氣流方向：對(duì)于存在熱壓的支路，氣流方向與熱壓正方向一致。對(duì)于無(wú)熱壓的支路，可任意設(shè)定氣流方向，最終的氣流方向可以由計(jì)算流量的正負(fù)判斷，計(jì)算流量為正代表實(shí)際氣流方向與設(shè)定氣流方向一致，計(jì)算流量為負(fù)代表實(shí)際氣流方向與設(shè)定氣流方向相反。并輸入各支路阻力數(shù)。d．輸入節(jié)點(diǎn)信息。各節(jié)點(diǎn)流量為0。e．熱壓輸入。將存在熱壓的支路及熱壓計(jì)算結(jié)果輸入軟件。f．利用軟件進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的水力計(jì)算。
最終得到各支路的熱壓自然通風(fēng)量、氣流方向(見(jiàn)圖3)，圖3中各數(shù)值的單位為m3／h。
由圖3可知，室外空氣從各門窗進(jìn)入，在室內(nèi)匯集，進(jìn)入樓梯間、中庭，最終從屋頂?shù)拈_(kāi)口排出。負(fù)二層、負(fù)一層的進(jìn)風(fēng)都匯聚進(jìn)入樓梯間，由于一層有通風(fēng)良好的中庭，因此一部分氣流從樓梯間流出進(jìn)入中庭。由二層進(jìn)入的風(fēng)量一部分進(jìn)入樓梯間，另一部分進(jìn)入中庭。
由熱壓自然通風(fēng)量計(jì)算結(jié)果可知，與室外相通的門窗均為進(jìn)風(fēng)，屋頂樓梯間、屋頂中庭出口均為出風(fēng)，樓梯間和中庭成為主要的通風(fēng)通道。中庭內(nèi)熱壓自然通風(fēng)量為6 000～8
5 結(jié)語(yǔ)
基于多區(qū)域網(wǎng)絡(luò)理論構(gòu)建的熱壓自然通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模型，實(shí)現(xiàn)了熱壓自然通風(fēng)量的計(jì)算，彌補(bǔ)了現(xiàn)有自然通風(fēng)模擬軟件無(wú)法計(jì)算熱壓自然通風(fēng)量的不足。
該模型仍存在一定的局限性：需對(duì)室內(nèi)外溫度進(jìn)行設(shè)定，以室、內(nèi)外某一特定溫度參數(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算，未考慮室內(nèi)外空氣溫度的動(dòng)態(tài)變化。由于門窗類型過(guò)多，各類門窗準(zhǔn)確的局部阻力系數(shù)無(wú)法查得。因此，熱壓自然通風(fēng)量的精準(zhǔn)計(jì)算仍需深入研究。
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本文作者：付祥釗 檀姊靜
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