大空间建筑自然通风作用下室内热环境研究

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3.0 牛悦 2024-11-19 5 4 5.95MB 65 页 15积分
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I
摘 要
大空间建筑由于高度高、体积大、人员居留区高度远低于室内总高，空调能
耗往往远大于实际居住域所需能耗；随着人们对室内环境舒适度和空气品质要求
的不断提高，最大限度地利用自然通风，已成为居住者追求的目标。充分利用自
然通风改善室内空气品质、降低空调能耗，也是目前绿色建筑空调技术可持续性
发展的一个主要研究方向。
本文采用数学建模的方法，深入研究了大空间建筑自然通风作用下的室内热
环境。为了揭示大空间建筑自然通风作用下室内热环境的自然规律，在课题研究
期间对上海建筑科学研究院生态建筑示范楼过渡季节室内热环境进行了现场测
定。测定内容包括室外气象参数、室内温度分布、PMV 场、壁面温度等热环境参
数和室内自然通风等评价参数。并就室外气温、上下开口面积、内热源等不同影
响因素近 20 个工况进行了现场测定。通过对实测数据深入分析，获得了大空间
建筑自然通风作用下室内热环境特性随影响因素变化的规律。为建立和完善自然
通风理论模型，理论研究大空间建筑室内热环境各因素影响规律，提供了直接的
实验依据和基础。
利用流体力学和传热学基本理论，在国内外自然通风模型的基础之上，建立
了大空间建筑自然通风多节点模型，较为方便地计算出不同工况下的自然通风量
和室内垂直方向的温度分布。该模型经实测工况检验，与实测结果基本吻合，因
此用其进行大空间建筑在自然通风作用下热环境的计算具有可行性。
通过数学建模研究分析计算，给出了自然通风量和室内垂直方向温度分布随
不同室外气温、不同上、下开口面积、不同内热源的变化规律。研究结果表明：
室内垂直方向温度随着室外气温的升高而升高，并且室内平均温度的升高幅度与
室外气温的升高幅度基本一致；随着内热源的增大，室内平均温度升高，室内垂
直方向温度分布的梯度逐渐增大；内热源在垂直方向的分布对垂直温度分布也有
较大的影响；随着有效开口面积的增大，室内垂直方向温度分布的梯度逐渐减
小。自然通风量随着室外气温的升高变化不显著，随着内热源和开口面积的增大
而增大。
本课题的研究成果将为进一步研究大空间建筑自然通风和空调气流的耦合、
合理地利用自然通风等提供参考。
关键词：大空间建筑 现场实测 多节点模型 垂直温度分布 通风量
II
ABSTRACT
Energy-consuming of air-conditioning system is often beyond actual demand of
large space because the residential zone is much lower than the height of this large
space. It is a key aim that taking use of natural ventilation to the largest extent, to
improve indoor thermal environment and reduce energy-consuming, both for designers
and residents, with increasing consideration of IAQ.
Field-measurements of the ecosystem building of Shanghai Research institute of
Building Sciences have been carried on to describe indoor thermal environment of
natural ventilation during the transitional season. Indoor and outdoor climatic
parameters, indoor temperate distribution, PMV values and wall- temperature are
choose as thermal parameters for field-measurements with almost 20 measuring-
conditions such as different opening-areas, different indoor heat sources, etc. The paper
presents the laws of natural ventilation with different thermal parameters, which
illuminate the nice experiment data for theory analysis of natural ventilation.
Multi-node model of natural ventilation in large space is established to calculate
air-flow volume and indoor vertical temperature distribution more exactly. Calculated
values of air-flow volume and temperature are agreed with the experiment data basically.
Based on theoretical calculation, the paper gives rules of air-flow volume and
temperature with different climatic parameters, different opening-areas, and different
indoor heat sources. It is obvious that vertical temperature can be increased with
outdoor temperature increasing and the increased extent of indoor average temperature
is closed to that of outdoor temperature. With increase of indoor heat source, the vertical
temperature will increase following that. And increase of opening-area will weaken the
variety of temperature in vertical direction. Air-flow volume will make little change
with the outdoor temperature changing, whereas it will be increased with indoor heat
source and opening-area increasing.
Research results of this paper will be taken as research references in order to
hybrid ventilation system and to use natural ventilation more reasonably.
Keywords: large space building,field measurement ，multi-node
model, vertical temperature distribution, ventilation rate
I
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论 ........................................................ 1
§1.1 课题的提出及研究意义........................................................................................1
§1.2 大空间建筑的发展概况及其利用自然通风的现状............................................1
§1.2.1 大空间建筑发展概况............................................................................................1
§1.2.2 大空间建筑利用自然通风的现状........................................................................2
§1.3 国内外自然通风理论研究方法概况....................................................................3
§1.3.1 自然通风数学模型研究........................................................................................3
§1.3.2 自然通风的实验研究............................................................................................5
§1.3.3 自然通风数值模拟研究........................................................................................6
§1.4 本文的主要研究内容和方法................................................................................7
§1.5 本文的实验基础....................................................................................................7
第二章 上海建科院生态楼现场实测及其结果分析 .......................... 9
§2.1 生态楼建筑概况....................................................................................................9
§2.2 测定目的与测定对象............................................................................................9
§2.3 测定概况..............................................................................................................10
§2.3.1 测定的工况设置..................................................................................................10
§2.3.2 测试内容和主要测试仪器情况..........................................................................12
§2.4 生态楼室外气象参数的测定..............................................................................12
§2.5 生态楼室内温度分布的测定..............................................................................14
§2.5.1 室内垂直方向温度分布的测定..........................................................................14
§2.5.2 室内水平方向温度分布的测定..........................................................................17
§2.6 生态楼围护结构内表面温度场的测定..............................................................19
§2.7 室内外温度场测定小结......................................................................................21
§2.8 生态楼室内 PMV 场的测定 ...............................................................................21
§2.8.1 室内 PMV 场测定方案 .......................................................................................21
§2.8.2 室内 PMV 场测定结果及分析 ...........................................................................22
§2.8.3 室内 PMV 场测定小结 .......................................................................................24
§2.9 自然通风量的测定..............................................................................................24
II
§2.9.1 自然通风量测试方案..........................................................................................24
§2.9.2 自然通风量测试结果及分析..............................................................................25
§2.9.3 自然通风量测试小结..........................................................................................26
§2.10 评价指标体系......................................................................................................26
§2.10. 自然通风利用系数.............................................................................................26
§2.10.2 通风效率............................................................................................................27
§2.10.3 自然通风利用系数和通风效率计算结果分析................................................27
§2.11 上海建科院生态楼测试结论............................................................................28
第三章 自然通风数学模型的建立和求解 ................................ 29
§3.1 Andersen 数学模型 ........................................................................................... 29
§3.1.1 具有两个开口的物理模型.................................................................................29
§3.1.2 数学模型的建立.................................................................................................29
§3.1.3 Andersen 数学模型的应用讨论 ....................................................................... 33
§3.2 自然通风四节点模型........................................................................................34
§3.2.1 四节点模型建立条件........................................................................................34
§3.2.2 数学模型的建立.................................................................................................35
§3.3 多节点模型 ........................................................................................................ 40
§3.3.1 具有两个开口的多节点模型.............................................................................40
§3.3.2 数学模型的建立.................................................................................................41
§3.4 小结....................................................................................................................44
第四章 自然通风数学模型实例验证及其特性研究探讨 ..................... 46
§4.1 验证工况及其参数的确定..................................................................................46
§4.2 各工况实测结果和模型计算结果的比较及分析..............................................46
§4.2.1 垂直温度分布的比较和分析..............................................................................47
§4.2.2 自然通风量的比较和分析..................................................................................48
§4.3 室内热环境特性探讨..........................................................................................49
§4.3.1 室内垂直方向温度分布特性..............................................................................49
§4.3.2 自然通风量特性..................................................................................................53
§4.4 小结........................................................................................................................55
第五章 结论及展望 ................................................... 56
§5.1 结论......................................................................................................................56
§5.2 有待继续研究的内容..........................................................................................57
第一章 绪 论
1
第一章 绪 论
§1.1 课题的提出及研究意义
近年来随着全国各地城市建设的需要，大空间建筑建设的步伐加快。大空间
建筑由于高度高、体积大、人员居留区高度远低于室内总高，空调能耗往往远大
于实际居住域所需能耗；随着人们对室内环境舒适度和空气品质要求的不断提
高，最大限度地利用自然通风，已成为居住者追求的目标。
充分利用自然通风改善室内空气品质、降低空调能耗，也是目前绿色建筑空
调技术可持续性发展的一个主要研究方向。目前大空间建筑采用居住域空调居多
（如分层空调、座椅送风等），很多情况下室内热环境是由空调与自然通风共同
作用形成的，随季节、室外风压、室内负荷率不同，所形成的热环境是不同的。
因此根据不同情况合理地运用自然通风，获得与空调的最佳耦合，首要问题是弄
清室内空调送风与自然通风之间的耦合机理，建立相关的热环境数学模型，寻求
自然通风与空调送风在不同影响因素下的耦合规律。
要建立大空间建筑空调气流和自然通风耦合物理模型，有必要分别深入探讨
空调气流和自然通风，以进一步获得两者耦合的规律。本课题受国家自然科学基
金等系列项目的资助，主要研究大空间建筑在自然通风作用下的热环境，建立数
学模型，揭示自然通风作用下大空间室内热环境的变化规律，为探讨空调气流与
自然通风耦合作用，进而控制和最大限度地利用自然通风以改善室内环境和空气
品质，提供理论基础。
本课题在对上海建筑科学研究院生态楼自然通风作用下室内热环境现场实测
研究工作的基础之上，建立数学模型研究自然通风作用下大空间建筑室内热环境
规律。这些纵向项目进一步的开展，将促进我国这一领域研究的深入进行，并为
大空间建筑室内热环境的设计提供参考依据。
§1.2 大空间建筑的发展概况及其利用自然通风的现状
§1.2.1 大空间建筑发展概况
纵观建筑史，大空间建筑密切伴随着社会的进步、经济技术的发展而发展，
大空间建筑自然通风作用下的室内热环境研究
2
是城市建设的时代特征。两个世纪前建造至今保存完好的高度与直径均为
43.5m，并在顶部设有天窗可以自然通风的罗马万神庙和差不多与此同时建造的
长径为 188m、短径为 156m、外围高为 48.5m，并在顶部搭建用于防雨遮阳、自
然通风的环形布蓬的罗马椭圆形竞技场是世界建筑史上最著名的具有上部开口大
空间建筑。我国建于明代而修改于清代的故宫太和殿是殿高为 26.92m 的大空间
木造结构，也同属世界自然通风建筑的璀璨明珠。进入 19 世纪，由于钢铁和玻
璃工业的发展，建筑技术的进步，1851 年建成的伦敦万国博览会中的水晶宫被公
认为大空间建筑的代表。19 世纪末，欧美歌剧院开始设有暖风和通风设备，如维
也纳国立歌剧院、纽约城市歌剧院等均为机械式热风供暖方式，即在地坪下的静
压箱出风，在顶部的平顶上排风。20 世纪以来，随着人类生存和发展的需求，各
国竞相建造了规模宏大的公共建筑。空间高度大于 5m，体积大于 10000m3的建
筑称为大空间，在公共建筑方面电影院、剧场、大会堂、体育馆、展览馆等一般
均属大空间建筑，此外在工业建筑中也不乏这类大型的车间。90 年代以来，出现
了一些更加人性化、自然化、开放性强的大空间建筑，如中庭、膜造建筑、可开
启式大空间建筑等 [1]。
§1.2.2 大空间建筑利用自然通风的现状
80 年代开始，国外对大空间建筑热环境有较多的研究[2]。随着对大空间建筑
自然通风的不断重视，对它的研究也越来越多。90 年代末、21 世纪初，国外对
大空间建筑利用自然通风降低能耗、提高室内空气品质进行了许多研究[3-5]。日本
大阪中央体育馆就是很好的典范，它利用屋顶上、中、下 3个环形排风窗的有机
组合，全年采用自然通风控制室内热环境的时间约占 75％[6-7]；福冈圆屋顶体育
馆统计数据表明，通过有组织地控制自然通风，全年节能为冷气 30％，暖气
40％[8]；许多高层建筑利用中庭、电梯竖井等上部开口排出建筑热量获得了很好
的节能效果，空调能耗一般可降低 10～30％[8-9]。自然通风的利用不仅减少了能
耗，而且也符合人们对环境舒适度、室内空气品质的要求，最近日本许多办公大
楼利用自然通风进行了办公桌局部空调与自然通风的结合[10-11]。国内利用自然通
风的实例也不少，特别是工业厂房，利用自然通风排出热量的技术已经很成熟。
最近有人提出一种具有强化自然通风效果的太阳能空调房，采用太阳能通风筒集
热面可以增加通风率 30～40％[12]；湖南大学提出并论证了辐射板＋自然通风可作
为长江流域地区冬季的一种空调方式[13]。
具有上部通风口的建筑，室内热环境不仅与通风口的设置状况相关[14]，同时
第一章 绪 论
3
与室内分层空调分层面也有着一定的关联，其热环境状况决定了自然通风量的大
小[15]。香港大学 Prof. Li 对住宅建筑通风口特性及其对自然通风量的影响等进
行了一系列理论研究，提出了多层建筑自然通风的计算方法[16-18]。自然通风也并
非越多越好[19][20]，不同地区自然通风的利用潜力是不同的[21][22]。研究最大限度地
利用自然通风满足人们对舒适性的要求，缩短空调开启时间的研究是很有意义
的。这一研究也得到了有关学者的关注，文献[23]对既有空调又有自然通风的办公
楼，尝试采用数值模拟方法研究如何合理地利用自然通风实现节能。这一问题的
研究对大空间建筑而言就显得更为重要和具有应用潜力。上海理工大学黄晨教授
主导的课题组 02 年完成的上海市自然科学基金项目“大空间建筑上部开口有效
利用的理论研究”，对评价上部开口的有效利用特性进行了系统的研究，提出了
采用冬夏季切换空调温度的方法，最大限度地利用自然通风指导全年空调节能运
行的思想[24-26]。
综合国内外的研究，大空间建筑自然通风应用方式比较常见的有：①过渡季
节空调系统最大限度地利用新风，这样不仅节约能量而且提高了室内空气品质；
②晚间通风降温(night purge)，利用夏季晚间自然通风 (大换气量)，可以降低白天
因室内得热的温升，利用大空间的蓄冷，这样可以延迟开空调的时间。其次利用
新风供冷，尤其适用于内部发热量大，有时冬季还需要供冷的厂房，办公室内区
的场合。
§1.3 国内外自然通风理论研究方法概况
在空调技术得以高速发展的100年里,人类历史上长期赖以调节室内环境的自
然通风被机械通风所取代。在节约能源、保持良好室内空气品质的双重压力下,
全球科学家,特别是欧洲科学家,开始重新审视自然通风技术。现代人类对自然通
风的利用已经不同于以前开窗、开门通风,而是如何充分利用室内外条件,如建筑
周围环境、建筑构造(如中庭)、太阳辐射、气候、室内热源、机械通风等,来组
织和诱导自然通风[27]。
目前国内外对自然通风的研究方法，主要有数学建模、实验法和数值模拟
法。下面分别加以介绍。
§1.3.1 自然通风数学模型研究
现在国内外对自然通风的研究模型对象主要有：两风口单区建筑、三风口建
筑、两区建筑、大风口建筑等。
摘要：

I摘要大空间建筑由于高度高、体积大、人员居留区高度远低于室内总高，空调能耗往往远大于实际居住域所需能耗；随着人们对室内环境舒适度和空气品质要求的不断提高，最大限度地利用自然通风，已成为居住者追求的目标。充分利用自然通风改善室内空气品质、降低空调能耗，也是目前绿色建筑空调技术可持续性发展的一个主要研究方向。本文采用数学建模的方法，深入研究了大空间建筑自然通风作用下的室内热环境。为了揭示大空间建筑自然通风作用下室内热环境的自然规律，在课题研究期间对上海建筑科学研究院生态建筑示范楼过渡季节室内热环境进行了现场测定。测定内容包括室外气象参数、室内温度分布、PMV场、壁面温度等热环境参数和室内自然通风等...

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