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熱壓自然通風網絡模型及通風量計算方法

文檔作者：付祥釗，檀姊靜文檔來源：重慶大學		點擊數：	更新時間： 2024年07月27日
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第32卷第12期
2012年12月
煤氣與熱力
GAS ＆ HEAT
Vol_32 No．12
Dee．2012
熱壓自然通風網絡模型及通風量計算方法
付祥釗， 檀姊靜
(重慶大學城市建設與環境工程學院，重慶400045)
摘要： 基于多區域通風網絡模型，根據熱壓作用下的自然通風原理，建立了熱壓自然通風
網絡模型，探討了基本數學方程。結合算例，分析了某別墅建筑熱壓自然通風量的計算過程。
關鍵詞： 自然通風； 熱壓； 風壓； 多區域網絡模型
中圖分類號：TU995 文獻標識碼：A 文章編號：1000—4416(2012)12—0A14—05
Network M odel of Buoyancy．driven Natural Ventilation
and Calculation M ethod of Ventilation Rate
FU Xiangzhao， TAN Zijing
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 case．
Key words： natural ventilation； thermal buoyancy； wind pressure； multi—zone network model
有效利用通風被視為降低建筑能耗的最簡單的
手段之一_1 。自然通風是指利用自然手段(熱壓、
風壓等)促使空氣流動而進行的通風換氣方式 J。
充分有效地利用自然通風不僅能夠提高室內空氣品
質，還能夠改善室內熱濕環境，進而降低機械通風、
空氣調節系統的運行能耗 J。某些城市(如重慶)
還將自然通風作為有效的節能手段列入當地建筑節
能標準加以推廣。
自然通風能力直接影響建筑能耗水平，自然通
風量是評價自然通風能力的重要指標，自然通風計
算主要是指自然通風量的計算。風壓作用下的自然
通風主要動力為室外風場，而室外風環境隨時問呈
無規則變化，風壓作用下的自然通風量具有不穩定
性。當建筑使用情況一定時，熱壓比風壓穩定，熱壓
作用下的自然通風量(以下簡稱熱壓自然通風量)
也比較穩定。對于處在室外風速很低的城市中心區
建筑及別墅建筑，熱壓將成為建筑自然通風的主要
動力。筆者在對熱壓作用下的自然通風(以下簡稱
熱壓自然通風)原理進行系統研究的基礎上，提出
了一種基于多區域網絡模型的熱壓自然通風網絡模
型。本文對熱壓自然通風網絡模型及熱壓自然通風
量的計算方法進行探討。
1 多區域網絡模型
在建筑通風的多區域網絡模型中，將能夠進行
相互通風的所有建筑空間視為一個供空氣流通的網
絡系統，并認為每個房間內部的空氣具有均一的溫
度、壓力、污染物濃度。將每個房間視為網絡中的一
個節點，將各個房間之問的氣流通道視為網絡中的
支路，將每個節點作為一個獨立的控制體，采用質
量、能量守恒等方程計算網絡內的空氣流量、壓力分
布情況 。
2 熱壓自然通風
熱壓自然通風是指由于不同溫度空氣問的密度
差異產生自發空氣流動的通風換氣方式 。當室
· A 14 ·
付祥釗，等：熱壓自然通風網絡模型及通風量計算方法 第32卷第12期
內空氣溫度高于室外空氣溫度，且不同高度存在開
口時，空氣通過下部開口進入，由上部開口流出。開
口之間空氣流動動力(即熱壓)P的計算式為：
P=gAh(P 一Pj ) (1)
式中p——熱壓，Pa
g——重力加速度，m／s
△ —— 兩個開口的高度差，m
p ——室外空氣密度，kg／m
Pi ——室內空氣密度，kg／m
因此，兩個開口的高度差、室內外溫度差是熱壓
存在的兩個必要條件。廣州、重慶等大城市的中心
區域近地面風速較小，風向不定，風壓不穩定¨ J。
在這種情況下，熱壓成為影響自然通風量的主要因
素，應給予足夠的重視。對于不同高度之間存在常
開氣流通道的建筑，熱壓自然通風量更是不容忽視。
3 熱壓自然通風網絡模型
3．1 建立原則
根據多區域網絡模型的基本原理，確定熱壓自
然通風網絡模型的構建原則。
節點：認為建筑中各個可封閉的空間內空氣的
熱物理狀態相同。把門、窗、墻、樓板等圍護結構組
成的一個封閉空間作為網絡模型中的一個節點。若
空間不能封閉，則可根據實際溫度進行節點劃分，如
豎向樓梯問，由于各層負荷及通風情況不同且相互
影響很小，因此應按樓層劃分樓梯問節點。設定建
筑外部空問所有空氣處于相同熱物理狀態，即視為
一個節點(室外狀態節點)。
支路：若兩個節點之間存在門、窗、孔洞等氣流
通道，即認為這兩個節點之間存在一條支路。
支路阻力：支路阻力由沿程阻力與局部阻力組
成。
動力設置：熱壓自然通風的動力來自空氣溫度
差異產生的熱壓，當兩點間空氣溫度差及高度差不
變時，兩點間驅動空氣流動的熱壓為定值。此時，可
以將熱壓視為虛擬的熱壓風機，并認為熱壓風機作
用在具有高度變化的支路上。
3．2 網絡模型的計算
采用肖益民設計的“環狀管網水力計算與水力
工況分析軟件”進行網絡模型的計算。由于該軟件
適用于具有動力裝置的通風系統，因此將虛擬的熱
壓風機作為等效動力裝置¨ 。
3．3 基本數學方程
① 支路熱壓
第k條支路熱壓P 的計算式為：
P =gAh (P。 -p ) (2)
式中p ——第k條支路的熱壓，Pa
Ah ——第k條支路的始末節點間計算高度
差，m
② 支路阻力
第k條支路阻力△p 的計算式為：
△p =Skq (3)
式中△p ——第k條支路的阻力，Pa
s ——第k條支路的阻力數，Pa·m～ ·s
g ——第k條支路的空氣流量，m ／s
③ 支路壓力平衡
第k條支路壓力平衡的表達式為：
P =△p (4)
④ 環狀管網節點流量及回路壓力平衡方程
第 個節點的流量平衡表達式為i
= 0 (5)
式中r——第i個節點包含的支路數量
qi,n——第i個節點第n條支路的流量，m。／s
第 條回路壓力平衡表達式為：
7 Yj
，
2
，
m
一 Pj， =0 (6)
式中 ——第 條回路包含的支路數量
s?——第 條回路第m條支路的阻力數，Pa
． m _¨ ． s2
qi ——第 條回路第m條支路的流量，m ／s
y ——第 條回路虛擬熱壓風機數量
Pj ——第 條回路第m條支路的熱壓，Pa
由式(2)～(6)可解得網絡中任意支路的流量
和流向。
4 算例
① 建筑概況
以重慶市某別墅作為研究對象，進行熱壓自然
通風量計算。該別墅共4層，地上2層，地下2層。
負二層層高為3．1 m，負一層層高為2．9 m，一層層
高為3．3 m，二層層高為3．0 m，樓梯間高出屋頂
2．6 m?？傉嫉孛娣e為197．7 m ，地上總建筑面積
· A 15 ·
第32卷第12期 煤氣與熱力
為213．5 m ，地下總建筑面積為240．5 m 。
該建筑物共有21個主要功能房間(包含衛生
問、車庫、儲藏室等)，兩個豎向氣流通道(樓梯間、
中庭)。樓梯間是貫通負二層至屋頂的人行通道。
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。別墅的立體結構見圖1，圖中各
層標高的單位為13"1。
圖1 別墅的立體結構
② 熱壓自然通風網絡模型
考慮到自然通風狀態下應避免污染，因此不將
衛生問、廚房等存在污染源的房間列入熱壓自然通
風網絡模型。熱壓自然通風網絡模型見圖2。熱壓
自然通風網絡模型中各節點代表的功能區見表1。
其中節點23設在通風井底面，節點20設在屋頂表
面，其他節點均設在各層高度方向的中間位置。由
此可知各節點的高度差。
·與室外大氣相通的室內節點— — 室內與室外連通的支路
0室內節點 一存在熱壓的支路
_室外狀態節點 ? 一室內節點問的支路
圖2 熱壓自然通風網絡模型
表1 熱壓自然通風網絡模型中各節點代表的功能區
樓層 節點編號 功能區名稱
1 樓梯間
負二層 2 健身房
23 通風井
3 樓梯間
4 客廳
負一層 5 北臥室
6 走廊
7 南臥室
8 樓梯問
9 次臥室
一層 10 餐廳
11 客廳
12 中庭
13 次臥1
14 樓梯間
15 主臥
二層 16 書房
17 走廊
18 次臥2
19 中庭
· A 16 ·
付祥釗，等：熱壓自然通風網絡模型及通風量計算方法 第32卷第12期
續表1
樓層 節點編號 功能區名稱
20 中庭出口
屋頂
21 屋頂樓梯間
③ 熱壓自然通風量計算
根據門窗開啟的當量直徑，門、窗的局部阻力系
數取值范圍分別為1．56～2．10、2．37～2．50¨1 。樓
梯問視為僅有沿程阻力無局部阻力的支路，粗糙度
參照混凝土風管，取3 mm，從而計算摩擦阻力系
數 。
自然通風一般應用于過渡季節，對室內外空氣
參數進行設定：室內空氣溫度為28℃ ，相對濕度為
70％ ，密度為1．142 kg／m ，比焓為71．38 kJ／kg。室
外空氣溫度為26℃ ，相對濕度為70％ ，密度為
1．153 kg／rn ，比焓為64．41 kJ／kg。忽略室內外空
氣相對濕度變化。
由圖2可知，共有7個支路具有高度變化(見表
2)，因此在這7個支路上存在熱壓，計算結果見表
2
表2 具有高度變化的支路及支路存在的熱壓
具有高度變化的支路 熱壓／Pa
23—2 0．167
1—3 0．323
3—8 0．334
8—14 0．340
14 —21 0．302
12—19 0．340
19—20 O．162
采用“環狀管網水力計算與水力工況分析軟
件”完成各支路的熱壓自然通風量計算。軟件使用
方法為：a．輸入節點數量，為23個。b．輸入支路數
量，為37條。C．輸入支路信息。設定各支路的氣流
方向：對于存在熱壓的支路，氣流方向與熱壓正方向
一致。對于無熱壓的支路，可任意設定氣流方向，最
終的氣流方向可以由計算流量的正負判斷，計算流
量為正代表實際氣流方向與設定氣流方向一致，計
算流量為負代表實際氣流方向與設定氣流方向相
反。并輸入各支路阻力數。d．輸入節點信息。各節
點流量為0。e．熱壓輸入。將存在熱壓的支路及熱
壓計算結果輸入軟件。f．利用軟件進行網絡的水力
計算。
最終得到各支路的熱壓自然通風量、氣流方向
(見圖3)，圖3中各數值的單位為rn。／h。
圖3 熱壓自然通風量及氣流方向
由圖3可知，室外空氣從各門窗進入，在室內匯
集，進入樓梯問、中庭，最終從屋頂的開口排出。負
二層、負一層的進風都匯聚進入樓梯間，由于一層有
通風良好的中庭，因此一部分氣流從樓梯問流出進
人中庭。由二層進入的風量一部分進入樓梯問，另
一部分進入中庭。
由熱壓自然通風量計算結果可知，與室外相通
的門窗均為進風，屋頂樓梯間、屋頂中庭出口均為出
風，樓梯問和中庭成為主要的通風通道。中庭內熱
壓自然通風量為6 000～8 000 m ／h，對建筑物的自
然通風貢獻明顯。而人員停留時間較長的客廳、臥
室的熱壓自然通風量較小。
5 結語
基于多區域網絡理論構建的熱壓自然通風網絡
模型，實現了熱壓自然通風量的計算，彌補了現有自
· A 17 ·
第32卷第12期 煤氣與熱力 www．watergasheat．conl
然通風模擬軟件無法計算熱壓自然通風量的不足。
該模型仍存在一定的局限性：需對室內外溫度
進行設定，以室、內外某一特定溫度參數為基礎進行
計算，未考慮室內外空氣溫度的動態變化。由于門
窗類型過多，各類門窗準確的局部阻力系數無法查
得。因此，熱壓自然通風量的精準計算仍需深入研
究
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作者簡介：付祥釗(1948一 )，男，四川瀘州人，教授，博士，
主要研究方向為建筑節能。
收稿日期：2012—03—27； 修回日期：2012—04—0l
(上接第A04頁)
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作者簡介：黃珂(1989一 )，女，天津人，碩士生，主要從事
建筑節能方面的研究。
收稿日期：2012—05—25； 修回日期：2012—06—20
· A 18 ·

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