基于Fluent的多元通风系统数值模拟分析

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

长期以来，建筑通风在改善室内空气品质(IAQ)和热舒适等方面有着重要作用。为降低建筑能耗，因地制宜，最大限度地利用可再生能源，在建筑初步设计阶段考虑通风系统的观点，正日渐引起人们的关注。

随着科技的进步，机械通风作为-种控制和可靠性优于自然通风的通风方式被人们广泛应用于各个领域。现在，随着能源危机的日益加剧，自然通风作为-种可再生能源再次引起广大学者的普遍关注。但其多变性和复杂性导致其控制和可靠性差，从而制约其发展。因此，作为集自然通风与机械通风优势于-身的新型节能通风模式--多元通风应运而生。

Annex35对多元通风的定义是指同时运用 自然通风和机械通风营造舒适的室内环境 ，但是在-天的不同时刻或-年的不同季节里采用不同的模式。多元通风系统和传统的通风系统不-样，它有-个智能控制系统能自动转换自然通风和机械通风模式以达到降低能耗的目的。国内外有关多元通风的命名多为混合通风(Hybrid Ven-tilation)，这与置换通风相对应的混合通风有着本质的区别，后者是指新风与污染空气混合的全面通风形式之-，为以示区分，在本文中将这种新型节能通风模式称为多元通风。多元通风有 3种关键模式，分别为：自然通风与机械通风交互使用式、风机辅助式自然通风、热压和风压辅助式机械通风。

最早对多元通风进行正式研究的是国际能源组织于1997年6月通过的关于在新建和改建建收稿日期： 2013-O1-22基金项目： 十二五”国家科技支撑计划项 目子课题(2011BAJ03B07)；湖南省研究生科研创新基金(CX2012B399)FLUID MACHINERY Vo1.41，No.5，2013筑中应用多元通风的研究计划--Annex 35，计划于 1998年开始，历经四年，共有 16个国家参与研究。其研究目标主要有以下4点：(1)开发新建和改建办公和教学建筑的多元通风系统控制策略；(2)开发预测多元通风建筑通风性能的方法；(3)提高办公和教学建筑多元通风系统能效比；(4)选择合适的测量技术用于诊断多元通风系统建筑。

随着 Annex 35研究计划的推进，很多国内外学者对多元通风进行了大量研究。

2002年夏季，Katerina Niachou等对希腊雅典2个市区街道的3个典型的公寓建筑的不同通风系统的监测分析进行 比较 J♂果表明由于下吹风的影响，尽管减少了风速，通过 自然通风能获得适宜的换气次数，特别是当测定两个或两个以上窗户的空气对流时。对于单面通风和无风条件下，多元通风仅优于自然通风-点点，也表现在换气率或换气效 率关系方 面。2004年，AliceAndersen等论述了充分利用多元通风和自然通风优势的智能控制系统，它能旧能多的利用 自然驱动力，对发展良好的室内气候和提高建筑能效比很重要，同时，在控制系统中应用 CFD计算对于确定独立建筑的风压系数也很有意义 J。2007年，David Jreijiry等对分别位于雅典，尼斯，特拉佩和斯德哥尔摩的独立家庭住宅采用的机械通风系统(参考系统)和低压多元通风系统，并进行相关仿真模拟，且运用两种方式交替或组合的控制策略，通过模拟分析对多元通风控制策略的性能进行了评估♂果表明，与参考系统相比，在相同的供暖建筑能耗下，低压多元通风系统能提高室内空气质量，降低风机能耗 。2009年，Ji Yingchun介绍了-个在中国南方杭州的低能耗建筑设计5]，在建筑中采用多元通风系统并应用计算流体动力学(CFD)对其进行分析，同时，采用当地每小时标准天气数据，通过全年热动态模拟实验(DTS)，对合适的建筑热性能设计进行评价，从模拟的结果可以看出多元通风系统是-个可行的低能耗建筑设计方法，即使在亚热带气候地区，如中国南方。同时，他还指出目前的控制方法并没有采用控制室内湿环境的除湿装置，事实上混合通风方案需要这样的-个装置，和标准空调相比，它不会削弱混合通风策略的节能潜力，而且标准空调也包含类似的除湿装置。2010年，段双平采用多区渗透模型(MIX2.0)研究热压自然通风与机械通风共存的大开 口建筑多元通风，分析了 2种类型的大开口多元通风存在的通风模式、多元通风量的变化规律及机械通风模式、热压大小对多元通风量的影响 j，并通过模拟分析得出以下结论：大开口建筑的多元通风出现多种通风模式，通风模式的转换参数受多种因素影响；在多元通风区，多元通风量随机械通风量的增大而增大；对于非对称大开口，机械通风模式影响多元通风效果，机械送风要优于机械排风。而对于中心位于同-高度的两大开口，机械送风和机械排风对多元通风产生相同效果；当机械通风量相同时，多元通风量随 热 压 的增 大 而 增 大。2011年 Zhiqiang(John)Zhai等运用 EnergyPlus对 3种欧式建筑模型进行了模拟分析，EenrgyPlus对于风口有效面积相对较小的自动控制通风口的单层建筑模型的温度结果最为准确，而另外两个模型结果不尽如人意。因此，得出 EnergyPlus对于建筑 自然通风模型的准确性和可用性方面还存在-些不足。

由以上分析可知，目前，关于多元通风的研究主要应用在新建和改建建筑中，且研究对象多为公共建筑，对于民用居住性建筑相对较少。为更好地预测多元通风方案的可行性，常用模拟实验方法对不同方案进行预测分析，常见的模拟实验方法有计算流体动力学(CFD)、全年热动态模拟实验(DTS)和 EnergyPlus等。在公共建筑中，控制系统是多元通风系统的关键，而民用居住性建筑不需要复杂的控制系统，仅需进行-些简单的建筑改造来改善室内环境，最大限度的利用自然通风。

在本文中将以株洲地区居住性建筑为研究对象，对长江流域典型气候条件下的居住性建筑某多元通风方案进行相关数值模拟分析。

2 长江流域气候特点长江流域夏季室外剧率高，在连续晴天过程中，全天持续自然通风的住宅，白天室内气温与室外基本相同，在 36cC左右；室内日平均气温比室外高 1～2C，多在 3l-34cI二之间；夜间和清晨室外气温低，风速小，多为剧；而白天特别是午后室外气温高，风速大。因此，在这种气象条件2013年第4l卷第5期 流 体 机 械 31下，全天持续自然通风，必然会造成在白天特别是午后室外热空气大量入侵室内，从而导致室内气温急速上升，并使室内大量蓄热，在夜间和清晨时，无法将室外冷空气大量引进室内，无法及时清除室内蓄热，使气温居高不下 ” 。

由 EnergyPlus官方网站提供的气象文件可知，株洲地区室外干球温度最高值出现在七月份，日平均值约为33℃，室外平均风速在2m/s左右波动。据文献[11]表4.1-10中夏季太阳辐射强度分布数据可知，水平方向的太阳辐射强度在3 物理模型正午12点时最大，平屋顶建筑顶层太阳辐射得热最大。株洲地区夏季多为南风，风频为 17%；冬季多为北风、西北风，风频为26%。居住性建筑北面的房间夏季夜间自然通风量少，房间蓄热量大，室内温度高；冬季夜间冷风侵入量较大，房间蓄热量小，室内温度低；因此，该区域房间室内热舒适性相对较差。

为改善此类房间的热舒适性和室内空气品质，对其进行简单的改造，如图 1所示，并运用CFD相关软件对该多元通风方案进行模拟分析。

图 1 房间多元通风改造图2所示为6种通风方式即为多元通风系统的典型通风方式。本文方案优先采用 自然通风(图2(d)、(e))；当自然通风不能满足风量需求 - - f .，al- --(d)时，可利用Trombe墙式太阳能烟囱技术强化 自然通风(图2(a)、(b))，或采用太阳能强化自然通风辅助式机械通风(图 2(c))；若室外环境恶劣，仍不能满足室内热舒适和空气品质需要求时，开启机械通风系统(图2(f))。若仍不能满足要求，则开启空调系统。

- f I---(b)- - f.. L-- I- - - - f I---v2m/s----------图 2 多元通风系统的6种典型通风方式图1为改造后包含自然通风与机械通风的多 本文主要将对多元通风系统的6种典型通风方式元通风方式的房间。该房间长3m，宽3m，高3m， 在过渡季节或夏季典型气象条件下的气流参数分新增太阳能烟囱宽 0.6m，图2中 1-5风 口高度 布情况进行对比分析，如图2所示，6种通风方式均为0.5m，窗户高为 1.5m。通过开启或关闭四 的室外空气温度均设为 293K，进口风速为 0或个通风口、窗户以及风机，可得到多种通风方式。 2m/s。图2中(a)、(b)、(c)所示为有太阳照射32 FLUID MACHINERY Vo1.41，No。5，2013情况下的3种通风方式，且太阳直接辐射强度为200W/m 。图(e)、(f)、(g)均为无太阳照射情况下的3种通风方式。

4 计算模型及边界条件的设置本文采用 Fluent对多元通风方式进行模拟计算，本文研究的房间空气流动为二维 、稳态流动。

边界条件设置：入口：a为压力人 口，其它为4.52.0(d)速度人口；出口：a为压力出口，其它为 outflow；热壁面：a、b、c热流量为 162W/m。，另外三种通风方式热流量为零；玻璃壁面：a、b、e热流量为9.69W/m ，另外3种通风方式热流量为零；其它壁面绝热。

(b)(e)图3 6种典型通风方式的流线图- 0.5 1.5y(m)3O22923.5 -0.5 1.5y(m)(a)传量流量分布 (b)温度分析图4 0.3m处的质量流量和温度分布2013年第41卷第5期 流 体 机 械 332.00j2.5- O.5 1.5 3.5y(m)(a)传量流量分布- 0.5 1.5 3.5y(m)(b)速度分布图5 2.3m处的质量流量和速度分布从模拟结果可以看出，在风压诱导的 自然通风情况下，流线分布均匀(图3(d))，气流组织状况良好，且当室外风速为2m/s，太阳直接辐射强度为20oW/m 时，太阳能烟囱产生的热压对室内空气流动影响不大，图3(b)和(e)的通风效果区别不大。但当室外无风，太阳直接辐射强度为200W/m 时，仅靠太阳能烟囱强化自然通风(图3(a))房间换气次数可达到6次/h左右，满足民用建筑换气次数要求。因此，太阳能烟囱强化自然通风在室外风速较小时产生的效果越明显。由图3(c)和(f)可知，当在房间右上侧设置小风口送风时，当送风速度较大，风口结构不合理，室内会产生较大的涡流，影响室内空气品质，不利于改善室内热舒适，因此，需要优化风口设计，调整送风速度。

6 结语本文对多元通风系统的定义及研究现状分别进行了阐述。简述了长江流域气候特点，运用Fluent软件对株洲地区某住宅应用的多元通风系统的6种典型通风方式在过渡季节或夏季典型气象条件下的气流参数分布情况进行预测分析，验证了在长江流域气候条件下应用多元通风系统具有很大优势。