建筑节能的自然通风技术研究现状探析

刘美欧

（西安美术学院，西安710000）

1 引言

目前，可持续发展理念日益深入人心，建筑节能技术得到了广泛的应用，而自然通风技术在节能和舒适的双重要求下具有较高的研究价值。建筑设计中，一般从建筑朝向、外型、内部空间布局等因素影响自然通风的效果，同时，要避免冬季冷风向建筑室内的渗透。通过气流组织、建筑围护结构设计等方法在不消耗能源或减少消耗不可再生能源的前提下，改善室内空气品质，调节室内热环境舒适度，利用室外自然空气流动创造更为舒适的居住体验[1]。

2 自然通风研究模拟模型

建筑自然通风是通过建筑开口处的室内外存在的空气压力差，即风压和热压实现。本文通过建立自然通风模拟模型，对开风口高度小于房间高度的单区建筑（考虑开有2个小风口）进行研究，运用流体力学对多种自然通风状态进行理论研究和分析，并设定研究前置条件，以单一点热源进行考虑，2个建筑风口在风压与热压共同作用下产生空气流动，在无量纲风压与热压作用条件相同的情况下，具有稳态解且唯一；在无量纲风压与热压的共同作用条件相反的情况下，具有2个稳态解。

由于风压与热压共同对自然通风产生影响，当双重压力不足时，需要补充机械通风，此时，压力场随之发生变化，产生了多种气流流动模式。不同的建筑类型具有不同特点的风洞开口，某些窗墙较大的公共建筑，其开洞的大风口通过气流通常为冷空气，由风口的下部流进室内，热空气则由风口的上部流到室外，形成双向流动，因此，设计难度较大，研究方法更为复杂。通过多种研究工具和设计方法深入研究风压与热压双重作用下的自然通风的多解问题，并拓展研究两区建筑的自然通风情况。

3 自然通风研究方法

3.1 风洞模型试验

以相似性理论为依据，通过建立建筑物表面及周边环境的压力场和速度场计算风压系数，通过对模型试验的测试数据预测建筑的自然通风特性，归纳自然界与工程模型的共性与个性，得出建筑的自然通风属性。

3.2 示踪气体测量

示踪气体测量包括2种常用方法：（1）浓度定值法，简单理解为在示踪气体浓度恒定条件下，测算在驱动方式发生改变时气体注入量的变化，对相应通风问题进行处理，解决如空气渗透和自然通风组织等问题；（2）衰减法，即在示踪气体注入量恒定时，扩散在测试房间而产生浓度的衰减程度，从而对自然通风量进行预测。

3.3 热浮力实验模型

热浮力实验模型包括以下4种技术方法：（1）盐水实验模拟法，基于相似原理和模拟实验技术预测空气运动状态，利用空气的运动黏性系数建立缩尺模型，用盐水在清水中的运动及扩散模拟热羽流动，用建立的实验模型模拟预测自然通风室内热分层的温度分布和通风量的变化状态；（2）气泡模拟技术通电装置由阴极产生的气泡模拟热源分布状态，在忽略热特性的前提条件下模拟点源、线源和垂直热源的分布状态进行分析；（3）水模型系统，将水流作为介质，由加热装置产生的热浮力驱动水流动介质模拟自然通风状态；（4）气体模型系统将气体流动作为介质，热浮力由加热装置产生，驱动气体流动介质模拟自然通风。

3.4 微观数值模拟法

微观数值模拟法是将空间分割成足够小的控制体，把掌控空气流动的连续微分方程组用有限差分或有限元进行离散，并将得到的非连续的代数方程组代入具体的边界条件计算解出离散得到的代数方程组，并认为离散值对整个房间内空气的分布状况可以进行描述，也可认为是流场情况较为清楚的描述。

3.5 区域模型法

区域模型方法是将测试房间分割成若干限定好的宏观区域，并认定各个宏观区域具有相同的温度、浓度等参数指标，利用区域间由于热质交换产生的流动和压差的关系，并建立能量和质量守恒方程，利用SPARK，COMIS和CONTAM等嵌套在气流分析和多区建筑能源的软件，模拟室内温度分布情况和自然通风量。

4 自然通风设计研究工具

模拟热性能分析和自然通风系统的主要软件包括:COMIS，CONTAMW，Lesocool，NatVent，ESP-r，Fluent，Flovent，MIX，NewQUICK，CHEMIX，BREEZE，TRNSYS，BLAST，Energy Plus等。在研究过程中，要选择适合的软件进行模拟测试，将流体流动和能量分析等模拟软件应用到自然通风的设计过程，尽量弥补各软件在热传递和自然通风的相互影响下的局限性，不断深入设计更适用于自然通风的研究软件。

4.1 顺序耦合(sequential coupling)

设定一定的室内温度，并代入流动模型方程，算出准确的通风量，将此通风流量应用到热模型方程，从而得到温度值，得到结果即为最终结果，此方法得到计算结果误差很大。

4.2 pi ng-pong耦合

设定恰当的时间步长，设定首个时间步长的室内温度，代入流动模型方程测算准确的通风量，将通风流量用于热模型方程中，从而得到温度值，继续用于流动模型方程，将第二个时间步长的通风量计算出来，依法递推计算，此法计算迅速，得到计算结果误差较大。

4.3 oni ons耦合

通过对各个时间步长内的热模型方程和流动模型方程反复多次迭代计算，得到最终结果为止，再进入下一个时间步长，再次迭代计算，以此类推，此法计算较慢，得到计算结果误差相对较小[2]。

4.4 直接耦合

合并流动模型方程和热模型方程组成热传递过程控制方程组，计算求解2个方程，求得的计算结果相对精确。

5 结语

现代建筑通风系统设计应基于“建筑密闭性好、通风策略正确”的原则，为建筑物内的使用者提供良好的空气品质和舒适的内部环境，并且尽可能高效地利用能源。运用数据模拟和现场测试，将测试结果进行比对的方法，期望得出室内热舒适性和气流组织分布特性分析的研究成果。应用数值模拟法和实验法对自然通风技术进行研究，在自然通风系统中使用Lesocool，CONTAMW，COMIS，NatVent等流体流动仿真模拟软件和 BLAST，EnergyPlus，TRNSYS，FloTHERM 等热仿真模型软件，将温度与通风量相互影响，并与不同模拟软件的耦合关系相关联进行研究。由于研究方法基本是运用多种模型简单模拟取得的实验成果和理论论证，故而研究方法还有其局限性，通过工程实际取得测试数据与理想实验数据相比对将具有一定的拓展价值。