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.docx

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.docx

《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.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《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.docx（6页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

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

［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到6月、9到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2.1m2、2.2m2、2.5m2、3.3m2、5.0m2、18.6mm2、7.4m2、3.6m2、2.7m2、2.2m2；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。

图1大空间建筑烟囱效应模型示意

图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）gHn

（2）

式中：

P0、Pi 分别为室外压力和室内压力；ρ0和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（长）×15m（宽）×16m（高），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。

表1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+17.8（10）

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。

表2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。

表3其他参数取值

 3 理论计算结果分析

3.1温度因子b

通过式（7）计算得到南京地区各月的温度因子b，式中T0 取室外月平均温度，Ti 取室内最优热舒适温度。

如图2所示，各月室内外温差越大，b 值越大，烟囱效应越明显。

7月和8月室外月平均温度高于室内最优热舒适温度，因此b 为负值，烟囱效应现象不明显，不利于大空间建筑中热压通风的实现。

其余各月b 均为正值，有利于通过烟囱效应实现热压通风。

图2南京地区各月温度因子b

3.2建筑最小上部开口面积Aa

通过式（10）计算得到南京地区各月自然通风条件下所能达到的换气次数n 随开口面积比Rab 的变化曲线，如图3所示。

图3南京地区各月自然通风条件下所达到的换气次数n随开口面积比Rab 的变化曲线

以每小时2次的换气次数作为基准[9]，可得各月能够满足基准换气次数的最大Rab。

由于Rab=Ab /Aa，而下部开口面积Ab 取建筑下部开窗面积，因此可得到各月能够满足基准换气次数的建筑最小上部开口面积Aa，记录于表4中。

表4南京地区各月自然通风达到基准换气次数要求的最小上部开口面积Aa

分析图3和表4可知：

随着Rab 的增大，自然通风能够达到的换气次数不断减小，但减小的趋势渐缓；当Rab一定时，月平均温度越低，则该月自然通风能够达到的换气次数越大；南京地区大空间建筑1到6月、9到12月自然通风条件下达到基准换气次数要求的最小Aa分别为：

2.1m2、2.3m2,2.6m2,3.4m2,4.8m2,11.2m2,7.2m2,3.6m2,2.7m2,2.3m2；在南京地区，当建筑下部开口一定时，月平均温度越低，则该月只需较小的上部开口面积就可以达到换气次数要求。

 4 EnergyPlus模拟分析

4.1EnergyPlus型

为进一步研究南京地区大空间建筑各月利用上部开口驱动自然通风的应用潜力，使用EnergyPlus软件首先对各月最小上部开口面积下，自然通风可达到的换气次数进行模拟，并与理论情况进行对比；其次，模拟各月最小上部开口面积下，建筑自然通风与无自然通风时室内平均温度，分析室内舒适时数情况。

图4EnergyPlus中南京地区一月份大空间建筑模型

模拟周期为除7、8月外的其他各月。

建筑模型的上部开口面积根据表3中各月的最小Aa而分别设置，下部开口面积不变。

图4为一月份的大空间建筑模型。

由于大空间建筑普遍人员密度较大，因此人员密度设置为0.25m2/人[10]，总计169人，人均散热量设置为120W。

照明负荷和设备负荷分别取20W/m2,13W/m2。

Energyplus通过Airflow模块对自然通风进行设置，包括：

无风、温度控制、焓值控制和持续通风四种通风控制模式[11]。

本文采用持续通风模式，即自然通风时通风开口始终开启。

4.2自然通风换气次数

通过EnergyPlus模拟的各月最小上部开口面积下，自然通风可达到的换气次数，如表4所示。

模拟值均在2～3之间，接近于基准换气次数，模拟值与理论值较为吻合。

因此，在最小上部开口面积条件下，南京地区大空间建筑各月自然通风可以达到基准换气次数要求。

4.3室内平均温度舒适时数

表5最小上部开口面积下自然通风可到达的换气次数模拟值

表5为南京地区大空间建筑各月室内平均温度舒适时数统计表。

1月到3月、11月到12月，各月室外平均温度较低。

自然通风时，室内平均温度大大降低，在舒适性温度范围内的时间均在60h以下，1月、2月和12月甚至没有任何时间可以达到舒适性要求。

因此，在南京地区1月到3月、11月到12月，在最小上部开口面积条件下，大空间建筑利用自然通风虽可以达到换气次数要求，但无法满足舒适性温度要求。

4月和10月无自然通风时，室内平均温度舒适性时数较多，分别为260h和178h，但在工作时间（8:

00～19:

00），由于人员散热量较多，导致室内平均温度大部分超过舒适性温度上限，舒适时数仅有68h和36h；自然通风时，在工作时间内，室内平均温度舒适时数均超过了100h，分别为106h和140h。

因此，在南京地区4月和10月，在最小上部开口面积条件下，大空间建筑利用自然通风在工作时间内既可以达到换气次数要求，也有较多的时间可以满足舒适性温度要求。

表6南京地区大空间建筑各月室内平均温度舒适时数统计表

5月、6月及9月无自然通风时，由于室外温度较高，加上室内热湿负荷较大，导致室内平均温度大多超过舒适性温度上限，舒适性时数均在90h以下；自然通风时，室内平均温度舒适性时数均在300h左右。

因此，南京地区5月、6月及9月，在最小上部开口面积条件下，大空间建筑达到换气次数要求的同时，舒适性时数较其他月更多，利用自然通风的效果较好。

 5 结论

本文首先建立了大空间建筑烟囱效应模型，计算得出南京地区大空间建筑利用自然通风达到基准换气次数要求，各月的最小上部开口面积；其次，使用EnergyPlus软件对各月最小上部开口面积下，大空间建筑利用自然通风可达到的换气次数，并与基准换气次数进行对比；最后模拟自然通风和无自然通风时室内平均温度，分析南京地区各月的室内温度舒适性时数。

从换气次数和室内平均温度两方面评价南京地区大空间建筑上部开口驱动自然通风的应用潜力，得出以下结论：

（1）在南京地区，由于7、8月室外温度高于室内最优热舒适温度，因此烟囱效应现象不明显，不利于大空间建筑中热压通风的实现。

其余各月可有效利用烟囱效应实现热压通风。

（2）当大空间建筑下部开口一定时，月平均温度越低，则该月只需较小的上部开口面积就可以满足换气次数要求。

对于本文的大空间建筑模型，1到6月、9到12月自然通风达到基准换气次数要求的最小上部开口面积分别为：

2.1m2、2.2m2、2.5m2、3.3m2、5.0m2、18.6m2、7.4m2、3.6m2、2.7m2、2.2m2。

（3）在各月自然通风达到换气次数要求的最小上部开口面积条件下，南京地区大空间建筑在1～3月、11～12月，自然通风时室内平均温度舒适性时数均在60h以下，不适合利用自然通风；4月和10月在工作时间内，自然通风时室内平均温度舒适时数均超过100h，因此适合在工作时间利用自然通风；5月、6月及9月自然通风时舒适时数均在300h左右，最适合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。

（4）本文的大空间建筑模型的尺寸为45m（长）×15m（宽）×16m（高），在实际工程中，南京地区的大空间建筑可根据其相应的尺寸，确定最小上部开口面积，通过自然通风达到换气次数要求并控制室内温度，以减少空调系统的运行时间并降低能耗。

参考文献

[1]清华大学建筑节能中心.中国建筑节能年度发展研究报告2013[M].北京：

中国建筑工业出版社，2013.

[2]ZhaiZJ,JohnsonMH,