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通风·论文

南京地区大空间建筑利用上部开口驱动自然通风应用潜力研究
2017-07-17 | 中国暖通空调网 |【
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郑 浩1,童 艳2,王昶舜2,林 凯2
1.
江苏省丰彩节能科技有限公司;2. 南京工业大学城建学院

[摘 要]首先建立了大空间建筑烟囱效应模型,计算得到南京地区大空间建筑1 6 月、9 12 月自然通风达到换气次数要求的最小上部开口面积,分别为2.1m22.2m22.5m23.3m25.0m218.6mm27.4m23.6m22.7m22.2m2;并利用能耗模拟软件EnergyPlus 加以模拟验证;最后,模拟在南京地区各月最小上部开口面积下,自然通风和无自然通风时大空间建筑室内平均温度,分析室内温度舒适性时数。得出,5 月、6 月及9 月自然通风时舒适时数均在300h 左右,适合南京地区大空间建筑利用上部开口驱动自然通风以保证室内舒适性并降低能耗。

[关键词]大空间建筑;烟囱效应;上部开口;自然通风;EnergyPlus

大空间建筑具有内部热湿负荷大的特点,因此其采暖和制冷能耗巨大,已成为建筑能源消耗的高密度领[1]。然而,大空间建筑普遍存在烟囱效应现象,当大空间建筑上下均有开口时,热压差引起自然通风,室外空气由下部进入带走室内热量由上部排出。自然通风是一种绿色节能的通风方式[2]。因此,大空间建筑可利用开口驱动自然通风,以提供较好的室内环境并降低能耗[3]。自然通风的性能依赖于建筑开口的特性,尤其开口面积的相对大小会对自然通风的效果产生较大影响[4][5]

本文以南京地区大空间建筑为研究对象,建立了烟囱效应理论模型,计算得到各月自然通风达到换气次数要求的最小上部开口面积,并利用能耗模拟软件EnergyPlus 加以模拟验证;此外,模拟各月最小上部开口面积条件下,自然通风和无自然通风时室内平均温度,分析各月的室内舒适性时数。从换气次数和室内平均温度舒适时数两方面,研究南京地区大空间建筑利用上部开口驱动自然通风的应用潜力。

1 烟囱效应模型分析

1.1 烟囱效应模型

烟囱效应主要是指室内空气沿着垂直空间上升,形成不断流动的自然现象[6]。烟囱效应主要取决于室内外空气密度差和进出气口的高度差,在大空间建筑中烟囱效应现象尤为明显。

大空间建筑烟囱效应模型示意
1 大空间建筑烟囱效应模型示意

1 为大空间建筑烟囱效应模型示意图[4]Aa 表示上部开口面积,Ab 表示下部开口面积,NPL 表示中和面,Hn 表示下部开口中心线到NPL 的距离,H 表示下部开口中心线到建筑上部开口中心线的距离,近似为建筑的总高度。Hn 与建筑开口面积、室内外温度有关,如下式:

式中:Rab=Ab/Aa,即下部开口面积与上部开口面积之比;Ti 为室内温度,To 为室外温度。南京地处亚热带气候区,Ti/To 接近于1,因此在建筑总高度不变的情况下,Hn 仅随Rab 的改变而改变。

1.2 模型分析

建筑下部开口处,室内外空气的压差可通过下式计算得到:

ΔP0i = P0-Pi= (ρ0-ρi)gHn2

式中:P0Pi 分别为室外压力和室内压力;ρ0 ρi分别为室外空气密度和室内空气密度,g 为重力加速度。

室内外空气密度可通过下式计算:

式中:Patm 为标准大气压;R 为气体常数;T 为空气温度。

将(1)、(3)代入(2)中,得到:

对于烟囱效应,空气从下部开口进入到建筑的流量

可以通过下式计算得到:

式中:Cd 为开口流动系数;ρoa 为标准状态下空气密度。

将式(4)代入(5)中,得到:

上式中b 如下式,定义为温度因子:

换气次数是指房间送风量和房间体积的比值,用符号n 表示,单位为次/ 小时。因此空气流量Q 与换气次数n 的关系可用下式表示:

上式中Af 为建筑地板面积。将式(6)代入式(8)中,得到:

上式中Rf =Ab /Af,即下部开口面积与建筑地板面积的比值。因此式(9)建立了大空间建筑自然通风换气次数n 与开口面积比Rab 之间的关系。

2 相关参数的确定

2.1 大空间建筑模型

将南京工业大学消防实验楼作为大空间建筑模型,建筑尺寸为45m ( )×15m ( )×16m ( ) ,因此建筑总高度H=16m,地板面积Af =675m2。建筑模型的下部开口面积Ab 可理解为下部开窗面积,为54m2,即:Rf =Ab /Af =0.08

2.2 气象参数

南京地区一月到十二月的室外平均温度[7],即T0,记录于表1 中。

1 南京地区各月室外平均温度
南京地区各月室外平均温度

2.3 热舒适模型

本文采用以室外月平均温度为基础所建立的适用于自然通风的热舒适模型,如下式[8]

Tc = 0.31T0+17.810

上式中Tc 为最优热舒适温度。本文选取80% 的人可接受的热舒适性温度区来判断实际室内温度是否满足人员的热舒适要求,即Tc-3.5< Ti < Tc+3.5 时,室内温度满足热舒适评价标准。表2 记录了通过该公式计算得到的室内热舒适温度范围及最优热舒适温度。

2 室内热舒适温度范围及最优热舒适温度
室内热舒适温度范围及最优热舒适温度

2.4 其他相关参数

其他相关参数的取值见表3

3 其他参数取值
其他参数取值

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