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单侧自然通风的设计分析
摘要：自然通风是节省建筑物能耗和改善室内空气质量的有效措施。这次调查通过使用计算流体动力学（CFD）模型以及经验分析的方法研究单侧自然通风。CFD模型用于确定浮力，风或其组合对通风率和室内条件的影响。由于在风和浮力的驱动组合下，CFD模型可能已经低估了模型结果的大约25%。这项调查还研究了反方向风力和浮力的影响。
关键词：自然通风；CFD；分析方法
- 简介
建筑业的可持续发展要求设计师们在不损害未来一代发展的能力和需求的情况下满足当今人们的需求。建筑物内部的机械通风和空调消耗了世界上大量的能源，特别是在发达国家，建筑能源消耗占总能源消耗的三分之一[1]。这些大多数基于化石的能源的使用增加导致大气污染和全球变暖。自然通风是建筑物内部降低能源消耗的一种有效的节能替代品，同时能够实现热舒适性和保持健康的室内环境[2-4]。通常，自然通风建筑的能源消耗量要比安装空调的建筑物低百分之四十[5]。自然通风，因此，通过减少建筑物能源的使用而有助于环境的可持续发展。自然通风已经成为建筑设计领域的新趋势[6,7]，已经被用于多种类型的建筑，甚至在室内空气控制严格的医院里[8]。但是，应该指出自然通风只适用于特定的气候条件同时还有很多的局限性[9]。甚至当地的噪音和污染程度都会影响自然通风的应用。许多过去关于自然通风的研究都是在特定的条件下进行的，例如驱动力[10,11]，流动特征[12]，或者应用于简单的一层建筑建设[13]。
有两种主要类型的自然通风：交叉和单侧通风。在美国，大而厚的建筑体型，放火规范，安全要求和隐私问题经常阻碍交叉通风的设计。尽管单侧通风的效率低，但单侧通风比交叉通风更易被接受。我们关注的重点是单侧通风。
自然通风的驱动力是风和浮力。建筑物两侧风的不同压力和室内外空气的温度差使室内外空气进行自然交换。通风率取决于这些力的强度和方向以及流动路径上的阻力。这些物理过程很复杂，预测通风效率很困难。因此，为了获取所需的室内环境条件来控制自然通风是十分具有挑战性的。大多数用于单面通风的设计专注于浮力驱动流动的影响。在单侧通风领域，特别缺乏风和浮力综合作用下的影响信息。为了使设计更加具有效率，全面地理解风和浮力综合作用下对单侧通风的影响十分重要。为了给设计师们提供这方面的信息我们写了这篇文章。
- 单侧自然通风的类型
房间开口处的室内外温差和风力是影响单侧自然通风气流的两个主要因素。本节讨论两个参数如何创造不同类型的单面自然通风。
2.1浮力驱动的流动
在一个有大开口的空间里或者在上或下方向有开口的空间，室内外温度的差异导致了密度的差异，温度高的空气比温度低的空气的密度低。因此，造成了室内外空气的压力差，正如表格1所展示的那样。上部开口处内部较高的压力使空气向外流动而下部开口处内部较低的压力造成室外空气向内部流动。这种驱动力的影响同样被称为烟囱效应。随着内外温度均衡，堆叠压力接近零，没有驱动力
用于通风。
通风口的位置决定了空间内的温度分布。如果两个通风口打开，一个在空间的顶部，另一个在底部，冷空气将流入下部开口，暖空气将流动从上部开口出来，如图1（b）所示。这类通风，在其内部产生温度分层空间，有时被称为置换通风。尽管在有上部开口和下部开口的空间里置换通风的效应更强，但在有单个大开口的空间里同样有置换通风产生，如图1（c）所示。在这种情况下，这个开口同时作为风的进出口。与具有上下开口的空间相比，单开口的通风效率更低同时建筑物内部的空气不能够完全进行交换。当室内外空气的温差很大，空间的上下开口之间具有较大的垂直空隙时，强劲的气流会被削弱。
2.2风力驱动的流动
单侧自然通风同样可以在风吹过开口表面的时产生的压力差。因为风况的变化，相关的物理过程很复杂。实验结果已经表明风的波动效应，建筑物本身也在削弱风在流动过程中的湍流效应[14]，这同样是引起单侧通风的原因之一。湍流在开口的方向产生积极效应而对内部的空气会产生负压波动。
2.3 结合浮力和风力驱动的流动
在多数情况下，风力和浮力驱动的流动是同时存在的。在窗户打开的条件下，风力和温度的共同作用是非常复杂的，因为风力和温差作用力会相互增强或抵消。
由于风力驱动的流动已经被广泛的研究，这项研究的重点是在温差作用力作用下和风力以及温差作用力二者共同作用下的单侧自然通风，目的是为设计者提供有效的识别工具。接下来的文章介绍了在此次实验中采用的研究方法。
- 研究步骤
复杂的单侧通风研究可以通过分析、实验和数值模拟来完成。
3.1分析方法
为了研究气流参数，各种分析方法已经开发出来。在本节中介绍了这样一种实验方法，在单侧通风的研究中涉及应用简单的方程式伯努利理论的浮力驱动流动，以及经验流量系数。
自然通风设计最重要的参数是通过开口的体积流量。用于通过上部和下部的单侧通风开口（图1（b））面积相等，A，体积流动率大致被描述为
其中h是开口中心和之间的高度,C d被认为是放电系数（对于a，等于0.6），这是该地区的粘性损失的原因[15]。这个公式在室内外有温差时是有效的，温差最高不超过10摄氏度[15]。室外温度必须用开尔文温度进行表示。
对于单侧大开口，空气置换效率可以用下式表示
这里的h表示的是窗户的高度[16]。由于这种气流在沿剖面的高度变化十分明显（如表格1所示），气流在这个高度上聚集，产生了这个等式常数的三分之一。
由于这个计算式假设室内温度不发生改变，室内空气温度和密度的变化被忽略了。一些能够更好地表明开口内部空气温度分层变化状态的复杂模型已经被开发出来了。李和他的同事们[17,18]，例如，展示了一系列在温度分层变化下的计算模型。但是，那些计算方法仍然局限了他的使用范围。
3.2实验步骤
实验结果在确定一个物理过程如何表现的方面很有价值。实验结果可以被应用于一系列更加具有普遍意义的公式。Cockroft和Robertson[19]在忽略浮力效应的前提下，研究了受到湍流冲击作用下的单一风力驱动通风。他们得到了一个理论模型来预测这种类型的风。这个模型又与一个在更大空间范围内得到的模型进行比较。这项研究的结果表明，这个模型仅可以表明风的大小，而对于风是如何生成的则需要进一步的分析和实验。Dascalaki[20] 也同样进行了一次风力驱动研究，通过使用示踪气体技术得出单侧自然通风的平均气流速度。Carey和Etheridge[21]通过风洞实验来研究自然通风。很多的研究已经被应用于研究既不是风力驱动也不是浮力驱动的气流流过开口处的物理模型。有一个关于风力和温度影响的特别详细的研究，二者单独或共同作用影响，已经被Phaff和Gids[22]成功地应用于开发经验模型。他们在处于不同区域的三栋建筑的最底层开展实验，使用气体示踪技术，来研究气流在通过大空间开口时浮力和温度对其影响。在对结果的处理上，他们创立了一个经验模型，包含了单侧通风当中温度、浮力和湍流的影响。为了展示在没有风和浮力作用下的自然通风，一个持续的湍流作用被加入到气体置换速率当中来。这个湍流作用对于这项研究来说非常特别，因为其他的研究只考虑风力和浮力的作用。湍流的作用通过风的流动速度被表现出来。这个经验模型展示了一个有效的体积，当窗户是半开着时，可以直接用来体积测量。
这里的Vmet指的是风的气象速度，h是开口的垂直高度，C1是风的稳定速度，C2是稳定浮力，C3是稳定的湍流力。通过测量和计算值之间的合理对应关系得到了拟合参数的值。C1=0.001，C2=0.0035,C3=0.01。
由此产生的经验模型非常符合实验数据。
Phaff和de Gids通过使用计算出的数据而不是实际测得的数据以此来适应不同实验状况下得出的数据。问题是这种经验模型得出的数据只适用于实验状况下的空气密度。
由于改变实验的初始数据设定非常困难，因此这个实验模型只可以应用于一些非常简单的实验。所以这个实验模型的价值就局限在现有的分析方法和框架内。然而，其他方法，比如数值模拟，在建筑设计过程中的多种自然通风条件下均可以得到应用。
3.3数值模拟方法
最近的研究采用了数值模拟方法，比如计算流体力学，可以用来模拟更加广泛的空气流动现象，从简单到复杂的场景。由于这种方法采用模型来模拟湍流，这就会导致一些不确定性同时需要实验者对模拟结果要具有百分百的信心。
计算流体力学在数值上解决了恒等方程的质量、能量和动量。因为大多数室内外的空气流动都是湍流，大量的湍流研究模型可以得到应用。涡旋模拟非常具有前景并且信息量十足，但是为了达到设计要求需要耗费大量的计算时间[23]。湍流平均流量的模拟值接近于实际值。这种类型湍流模型在自然通风领域得到了大量应用[20,24]。在与纳维托克斯模型的结合下大量的湍流模型可以得到应用。陈[25,26]在八种不同类型的湍流模型下研究了大量的室内空气流动模型发现K- E模型最为有效。计算流体力学通过划分小网格的形式来得出恒等式进而得出一系列可以应用的数学计算模型。
一些计算流体力学实验已经被应用于在大开口附近浮力驱动的空气流动。Schaelin等人[28] 通过将室内空气流耦合到室外流动模拟双向风和烟囱流过一扇门 。李和The[29]等人在单独的温差流当中运用了同样的实验。他们发现随着热源温度的升高和窗户位置的提高，风的流动性增大。Gan[30]评估了在大开口条件下浮力驱动流动可以使新鲜空气发生流动的有效深度。但是那些研究成果仅是数值分析出来的结果并没有与实验结果相比较。尽管一些研究已经与实验数据相比较[24]，这个实验数据都是暂时性的。
除此之外，过去的计算流体力学实验都是在室内外空气同时发生流动的前提下研究单侧通风并且扩大了计算域，然而一些研究者表示计算域应该仅在室内空气。或许最重要的关切应该是计算边界，这对实验结果将产生十分巨大的影响。所以，为了让计算流体力学实验的结果更加准确，应该在不同的边界条件下多开展几次实验。
同时，计算流体力学在设计领域也表现出巨大的潜力。有了计算流体力学结果，设计师们可以选择最好的剖面形状来使自然通风效果最优。除此之外，计算的成本在降低的同时而人力与实验所需的物质材料花费在增加。所以，计算流体力学在建筑设计领域变得越来越流行和更具有吸引力。
在不同实验结果与分析的基础之上，本次研究采用计算流体力学来在风力和浮力共同作用下的单侧自然通风。但是，理论分析与实地实验的结果同样作为展示研究成果的一种手段。
- 建立模型
我们研究的建筑是波士顿的一栋学生宿舍。我们关注的重点是研究一个4.7米长，2.9米宽，2.8米高的房间的单侧自然通风。整个研究过程中所使用的建筑模型在fig2（图二）中展示出来。房间里的家具包括一张床，一个桌子，壁橱和书柜。热源有300w的电脑，300w的电视机，以及一个房客100w。每个对流和辐射组件占总热量的大约一半。这是通过同时求解辐射热来计算组件，对流热组件和表面温度以及每个热源的温度。对每个热源都进行模拟作为热源组成的一部分。周围的墙、天花板以及地板都吸收了热辐射，同时又通过辐射将热量返回室内。为了研究一般状况下的单侧自然通风，太阳辐射不在考虑范围之内。
本次研究的房间有两个窗户，每个面积为0.4平方米上下各一个，正如图二所展示的那样(Fig2)。为了解决单一开口几何趋势的自然通风，另一项在单个窗户面积为0.65平方米的单侧自然通风实验也在开展。这次展示的窗户(并不是0.8平方米，大概相当于上面两个窗户面积之和)在此次研究中得到应用。因为已经开发出一种经验模型适用于单个开口基于该平均尺寸的窗口个模型将与CFD结果进行比较研究。
室外温度保持在25.5℃，波士顿7月正午时的平均温度[31]。这次研究的目的就是先在固定的室外温度条件下开展研究，然后再把实验结果应用于一系列室外温度发生变化的情况来得出单侧自然通风趋势。
- 结果
5.1浮力驱动流动
这是第一次在没有风力作用下使用计算流体力学来分析单侧自然通风。CFD技术解决了质量，动量，能量和物种浓度守恒的一组偏微分方程。由于室内空气流是湍流，这次计算流体力学技术采用了湍流模型（来自于Yakhot等人[27]）来减少计算成本。在湍流计算模型下气流、质量以及物质分布情况等都可以用接下来的等式来表示：
这里的p表示空气密度，F=1表示质量守恒。
这个湍流模型是在商业软件PHOENICS内部建立起来的，就是目前所用的研究软件。在以室内空气为边界和结合了室内外空气为边界条件下进行模拟计算。计算结果在两种边界模拟条件下进行比较，同时采取了浮力驱动等式来保证模拟效果。
第一次模拟实验实在图2的房间条件下进行分析的。房间的上下窗户是被视为零压力以及没有变量，比如速度和温度。在假定窗户为零压力的条件下室外的热压力被忽略了。这个计算流体力学模型看起来设立了合理的浮力驱动模型，温度较低的空气从下方进入温度较高的空气从上方的窗户离开，如图三a所示。在此类自然通风的模型中（如图三b）温度的分布状况十分合理。在这种情况下的室内温度比热舒适的情况下的温度高。然而，在整个夏季期间，我们发现室内的温度是能够接受的。在每一个非常炎热的夏季气候条件下，如图三所示，这时候就需要室内机器降温。
第二种情况是把室外气候条件纳入模型之内。随着计算域扩大到室外这就允许我们考虑室外垂直压力的影响。这次研究选取了垂直方向上的三个房间来研究建筑物高度对自然通风的影响。这三个研究在更大的计算域条件下进行。
研究发现室外计算域的最小限度应该是长10m,宽6m,高12m，计算
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