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外窗设计形态对建筑室内自然通风的影响

 论文栏目:自然环境论文     更新时间:2018/10/12 10:27:21   

前言

随着全球资源的日益匮乏,绿色节能理念越来越受到人们的关注。自然通风作为一种传统的调节建筑室内环境的手段之一,也越来越得到人们的重视。相比于机械通风,自然通风有其特有的优点,尤其在资源的节约、室内环境的优化以及人体舒适度的提高等方面。室内自然通风的形成,主要是通过风压或热压的作用,将室外空气引入室内并在形成流动[1],所以影响建筑室内自然通风的形成及其通风效果的因素主要有建筑物外部风压、建筑物内外热压差以及建筑物内外门窗开孔的位置、大小和形式等[2]。通过对众多研究成果的总结,本文采用数值模拟法中的计算流体动力学,针对影响室内自然通风的主要因素之一——窗口,进行对室内风环境影响的模拟分析,根据控制变量法分别对外窗洞口开孔的位置、大小、形式这三个因素进行分析研究。

1模拟分析

1.1软件简介

针对本文的研究目的和研究逻辑,本文中的模拟运用了流体通用软件中的PHOENICS软件,并选用其众多模块中的FLAIR模块。

1.2模型介绍

本文中研究对象为一个单体房间,设置其进深为6m,开间为3.6m,层高为3m,房间朝向为正南北,并有一窗一门。通过将窗口的大小、形状和相对位置这三个因素中两个因素设置为定量,剩余一个因素作为变量,进行模拟并分析这三种因素在现实情况中对室内风环境的影响。模拟对象房间的门窗洞的大小、形状和相对位置这三种因素是按照《建筑门窗洞口尺寸系列》GB/T5824-2008进行选取并设置的。

1.3工况设置

本文首先确定门的宽度为0.9m,高度为2.1m,其位置固定位于房间的一角,窗台高度统一为0.9m。本文采用用控制变量法来研究窗对室内风环境的影响,通过对模拟对象房间的外窗洞口开孔的尺寸、形状以及与室内门的相对位置,这三种影响因素的设定来设置模拟工况。并在不同的工况下,设定两个不变因素和一个变量因素。根据控制变量法分析原则,此次模拟分析的工况分为以下几种:(1)窗口的大小作为变量,窗口的形状为正方形,开窗位置为等分于墙,选择窗的尺寸分别为1.2m×1.2m,1.5m×1.5m,1.8m×1.8m;(2)窗口大小固定为2.4m2,开窗位置为等分于墙,选择窗的尺寸分别为1.2m×2m,1.6m×1.5m,2m×1.2m;(3)窗口大小固定为2.4m2,选择窗的尺寸为1.2m×2m,设置门窗的相对位置分别为完全直接对流、非完全直接对流和非直接对流。各工况如表1所示。本文模拟中的9种工况设置的边界条件为:本文中的模拟使用室内外风压差作为自然通风的来源,设置各工况室内外风压差均为3.0Pa,其中靠窗侧外墙表面风压为2.0Pa,靠门侧外墙表面风压为-1.0Pa。模拟过程中,每个工况均在房间几何中心位置模布置测点,以便收集各工况最后的模拟结果数据,并进行对比分析。

1.4数值模拟与分析

本文中室内自然通风状况以空气龄作为评价指标,空气龄是指空气在室内某点处所停留的时间,能够反映室内空气的新鲜程度,是评价室内空气品质的重要指标。本次模拟中所得出的结果平面图均截取的0.8m工作面高度。根据模拟整理所得的具体数据如表2所示。(1)窗口大小对室内风环境影响模拟分析在工况1即外窗洞口开孔尺寸为1.2m×1.2m时,模拟对象房间室内各部分区域风速分布较为均匀,未出现无风区,在外窗与门相连的直线范围内,风速较房间其他区域更大。在工况2即外窗洞口开孔尺寸为1.5m×1.5m时,模拟对象房间室内各部分区域风速分布较为均匀,未出现无风区,在外窗与门相连的直线范围内,风速较房间其他区域更大。在工况3即外窗洞口开孔尺寸为1.2m×1.2m时,模拟对象房间室内各部分区域风速分布较为均匀,未出现无风区,在外窗与门相连的直线范围内,风速较房间其他区域更大。通过对以上三个工况模拟结果数据的对比分析,当控制窗口形状和门窗相对位置这两个影响因素为不变量时,随着开窗洞口尺寸的增大,室内大部分区域风速也随之增加,空气龄也会相应减小。说明房间室内空气停留时间随着开窗洞口面积增大而缩短,换气次数增加,室内得到的新风量就会增加。(2)窗口形状对室内风环境影响模拟分析在工况4即外窗洞口开孔尺寸为1.2m×2m时,模拟对象房间室内各部分区域风速分布较为均匀,未出现无风区,在外窗与门相连的直线范围内,风速较房间其他区域更大。在工况5即外窗洞口开孔尺寸为1.6m×1.5m时,模拟对象房间室内各部分区域风速分布较为均匀,未出现无风区,在外窗与门相连的直线范围内,风速较房间其他区域更大。在工况6即外窗洞口开孔尺寸为2m×1.2m时,模拟对象房间室内各部分区域风速分布较为均匀,未出现无风区,在外窗与门相连的直线范围内,风速较房间其他区域更大。通过对以上三个工况模拟结果数据的对比分析,当控制外窗洞口开孔大小和门窗相对位置这两个影响因素为不变量时,随着开窗洞口宽高比的增大,室内大部分区域风速也随之增加,空气龄也会相应减小,并且室内风速分布也更加均匀。说明房间室内空气滞留时间随着开窗洞口宽高比的增大而缩短,换气次数增加,室内得到的新风量就会增加。(3)开窗位置对室内风环境影响模拟分析在工况7即开窗位置为门窗完全直接对流时,模拟对象房间室内各部分区域风速分布较为均匀,未出现无风区,在外窗与门相连的直线范围内,风速较房间其他区域更大。在工况8即开窗位置为门窗非完全直接对流时,模拟对象房间室内各部分区域风速分布较为均匀,未出现无风区,在外窗与门相连的直线范围内,风速较房间其他区域更大。在工况9即开窗位置为门窗非直接对流时,模拟对象房间室内各部分区域风速分布较为均匀,未出现无风区,在外窗与门相连的直线范围内,风速较房间其他区域更大。

2结论

(1)通过对不同尺寸窗口的室内风环境的模拟得出:随着开窗洞口面积的增大,室内大部分区域风速也随之增加,空气龄也会相应减小。说明房间室内空气滞留时间随着开窗洞口面积增大而缩短,换气次数增加,室内得到的新风量就会增加,室内环境越好。(2)通过对不同形状窗口的室内风环境的模拟得出:随着开窗洞口宽高比的增大,室内大部分区域风速也随之增加,空气龄也会相应减小,并且室内风速分布也更加均匀。说明房间室内空气滞留时间随着开窗洞口宽高比的增大而缩短,换气次数增加,室内得到的新风量就会增加。(3)通过对不同窗口与室内门相对位置的室内风环境的模拟得出:当房间窗和门完全直接对流时,房间风速较大处集中在门直接窗相对区域;当采取非完全直接对流时,室内风场均匀,舒适性较好;当采取非直接对流时,房间易形成涡流区,也不利于房间舒适性。

作者:饶永 方鹏飞 李燕青

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