在欧洲,40%的建筑能耗被预留给机械通风,也导致35%的股份有限公司₂排放( 16]。

新鲜的空气在室内空间可用性不足导致污染物的积累和增加有限公司₂浓度,最终导致病态建筑综合症( 17]。室外新鲜空气可以使用窗口提供通风,通过风力流或浮力。尤其是在炎热潮湿的气候条件下,空气对流是有效的,因为它有助于增加房间里的空气交换,最重要的是,引入新鲜空气不断进入空间。

自然通风可以风力或浮力。几项研究已经断言,风动通风在热带环境中更有效,因为小温差的室内和室外空间( 18- - - - - - 20.]。

自然通风的房间可以配置为使用单面或空气对流技术。第一个显示的房间窗口或一侧开口。在空气对流,室外空气通过,进入建筑入口的正压(例如,窗口)通过出口和出口负压,这可以是一个窗口或在大多数情况下屋顶通风。简单,敞开的窗户两边的房间,超压的建筑面临着风和较低的压力,相反,庇护,将创建一个当前的空气在房间里。

几项研究已经表明,体系结构构建组件性能的显著影响风动通风( 21- - - - - - 25]。其他特性,进水口和出水口的位置和大小,以及建筑形式,严重影响建筑的压力差异的皮肤。压强差 Δ P 在每个开放或在任何时候在建筑表面是一个重要的气动参数,通常在压力系数的形式表达 C p 的函数 Δ P 和动态压力( P d ): (1) C p = 压力 区别 动态 压力 = Δ P P d , (2) C p = P 年代 − P 0 1 / 2 ρ U 裁判 2 , 在哪里 U 裁判 和 P 0 是自由流风速和压力在一个参考高度,分别。 P 年代 建筑表面的静压或窗口打开。压力系数( C p 整个开口)值判定气流体积单位时间所必需的。他们分布在建筑信封直接受风速的影响,方向,打开几何、建筑形式,和高度。

Allocca et al。 26)调查和分析大量的解决方案的上下文中单面通风,验证分析,经验,和计算流体动力学(CFD)模型,揭示并讨论了这一趋势。在本研究的各种结果,CFD被发现是有用的和实际的分析过程理解的复杂性和特点等通风方法。

支持混合通风,自然通风机械通气在需要的时候,已经被证明改善空气质量( 27, 28和热舒适 27, 29日]。此外,混合通风冷却室内空间时,会减少冷却负荷( 29日, 30.]。

研究诸如由Aflaki et al。 31日),Arinami et al。 32王,和陈 33]探索方法扩展单面通风的潜力,克服其局限性。使用尾高层建筑物通风面板转换单面通风空气对流。在一项由Aflaki et al。 31日2.4),气流速度增加了一倍。

然而,范围内的自然通风,空气对流实现最佳的性能在马等的研究。 34)检查和比较流的运动学在几个房间,通风配置。有趣的是,人们发现背风开放提供了一个更好的单面通风情况。尽管转动方向的差异产生的漩涡内的建筑,建筑背后的大漩涡的气流速度增加,在背风通风。减少换气率在迎风的条件下也被证实了王et al。 35]。发现风和浮力部队可以抵消力量在某些情况下。因此,这些观察结果表明调查房间的重要性在不同的建筑在不同的室内和室外的温度。

空气对流减少公司的有效性₂浓度进一步证实在一项研究中,调查了几个窗口控制模式,降低浓度82%(20分钟休息期间 36]。

自然通风在传统教室窗口通常限于单面开口尽管效率越低,因为很难几乎为每个房间提供双面窗户通风。其他方面往往被邻近的房间和走廊。此外,消防法规和隐私需求减少空气对流的设计师( 26]。到目前为止,一些研究调查方法提高单面自然通风在不同的建筑类型 17, 37- - - - - - 39]。

图 1提出两个通用条件的表面压力分布的一个矩形建立在两个风的方向。而积极的压力施加在迎风面在这两种情况下,负压生成其他方面。显然,压力水平的大小不均匀,取决于很多因素。在左边的图片,正面A和B之间的压降提供了最简单的空气对流形式如果一个房间连接双方不间断。

在传统的单面通风方法,沿着正面的压差对自然通风条件下几乎没有影响。

这个领域的大部分研究只集中在单面窗口打开不考虑开口位于相邻的潜力空间,暴露在侧立面C和d .这些外墙可以利用压力导致的差异以及支持风致自然通风建筑信封。

这项研究展示了一个方法来改变一个单面通风条件(图 2(一个))到一个空气对流条件使用走廊开口(图 2 (b))。这种方法需要与建筑集成信封以及建筑形式,因为它们对整个建筑物表面压力分布的影响。模拟一组后打开配置两个风的方向,由此产生的当地的价值观舒适,空气速度,和空气质量进行了分析,确定了一组最优标准。

3 d稳定Reynolds-averaged n - s(跑)方程被用来模拟周围的气流,在建筑模型。跑方程可以用气流的平均和脉动分量变量navier - stokes方程。空气是不可压缩的,这对大气边界层是合理的(ABL)流 40]。使用三维CFD流场模拟分析基于该标准 k − ε 模型( 41),广泛应用于工程应用。连续性方程和运动的基本方程管理稳定、不可压缩,和湍流流动是平均n - s方程,可以表示如下:

连续性方程: (3) ∂ ρ ∂ t + ∂ ∂ x j ρ U 我 = 0 。

动量守恒方程: (4) ∂ ρ U 我 ∂ t + ∂ ∂ x j ρ U 我 U j = − ∂ p ′ ∂ x 我 + ∂ ∂ x j μ eff ∂ U 我 ∂ x j + ∂ U 我 ∂ x 我 + 年代 米 , 在哪里 年代 米 代表身体力量的总和, μ eff 是有效粘度表明湍流, p ′ 是修改后的压力。因此,方程(左边 4)代表对流,右边是与压力有关,身体力量,扩散,分别和动量之间的交互。

根据卡特琳娜的详细的实验验证研究et al。 42和两名宇航员和Stetiu 13),标准 k − ε 模型可以用于实际调查与室内和室外流动。

解释湍流的影响, μ eff 被替换为 μ t 在方程( 5),这是湍流粘度和建模在方程( 6)。的值 k 和 ε 计算从传输方程描述湍流动能和耗散率方程( 7)和( 8),分别。 P k 在方程( 9)描述了湍流生产由于粘滞力。 (5) μ e f f = μ + μ t , (6) μ t = C μ ρ k 2 ε , (7) ∂ ρ k ∂ t + ∂ ∂ x j ρ U j k = ∂ ∂ x j μ + μ t σ k ∂ k ∂ x j + P k − ρ ε + P k b , (8) ∂ ρ ε ∂ t + ∂ ∂ x j ρ U j ε = ∂ ∂ x j μ + μ t σ ε ∂ ε ∂ x j + ε k C ε 1 P k − C ε 2 ρ ε + C ε 1 P ε b , (9) P k = μ t ∂ U 我 ∂ x j + ∂ U j ∂ x 我 ∂ U j ∂ x j − 2 3 ∂ U k ∂ x k 3 μ t ∂ U k ∂ x k + ρ k ,

在1.44,1.92,0.09,1.0,和1.3设置为常量吗 C ε 1 , C ε 2 , C μ , σ k , σ ε ,分别。

如图 3创建一个矩形域,CFD模拟。创建模型的参数按照最佳实践指南CFD仿真( 43)和AIJ ([ 44),( 45, 46])。域的宽度、长度和高度是462米,262米,100米,分别。此外,使用ICEM CFD网格构建,这使得建立一个六面体网格,在建筑模型。

坚实的墙被认为是空气动力学平滑和分配一个无滑动边界条件属性。对称壁边界条件l也应用于侧和顶部边界。出口飞机被分配一个静态压力为零。

考虑到ABL至关重要,因为风速随高度增加( 47]。不同的方法被用来模拟ABL。是很常见的风工程领域的使用提出的幂律张春( 48),这被认为是可靠的( 49]。幂律方程表达( 10),用于根据彼得森和亨尼西( 50]。风速度是由 U z 。此外, U H 代表了风速在10米高。的变量 z 表示高度的变化。参考高度为10米,表示为 H 。 α 网站的表面粗糙度的因素有关,并设置为0.25 ( 51[],它描述了郊区的条件 52]。

速度在进口和湍流动能(TKE)简介改编自Tominaga和Blocken[的实验工作 53]。都见图 4这礼物的条件下边界层的一部分。 (10) U z U 裁判 = z H 0.25 , 在哪里 U 裁判 = 4.3 米 / 年代 在建筑高度的参考速度吗 H 。TKE剖面测量和近似指数[提供的配方 53]。耗散率 ε z 的TKE计算按照指南的AIJ 44]。 (11) κ z U H 2 = 0.033 经验值 − 0.32 z / H , ε z = C μ 1 2 κ z U H H α z H α − 1 , 在哪里 C μ = 0.09 表明该模型常数和 α = 0.25 。

这次调查中使用的分析模型由一个模块化的教室空间在一个矩形建筑,与房间的尺寸 7.2 × 7.2 × 4.0 米 和建筑的尺寸 60.0 × 30.0 × 20.0 米 的长度、宽度和高度分别。教室模型成立两岸的建筑。房间位于三楼的四层楼的建筑。图 5说明了建立模型的基本特征以及不同的仿真案例。

两个模拟的风的方向, Θ = 0 ° 和 Θ = 90年 ° ,如图 5。当 Θ = 0 ° 1号房间,迎风,2是背风,当 Θ = 90年 ° 走廊,房间都考虑背风,正面开口较短的一侧建筑的迎风。

表中的数据 1解释每个仿真用例的配置,如图 5。所有的窗户的宽度在高墙内外相当于房间的宽度。此外,走廊立面的开口大小为100%,这意味着窗口有相同的宽度和高度的走廊。每个案件的名称由一个字母和三个数字。第一位数显示房间的窗口外立面的一部分。因此,如果数量是1,窗口的高度是0.25 h 1米。如果数量是2,高度是0.5 h, 2 m。同样的规则也适用于第二位,这是相关的内壁。第三位是一个二进制0或1数字表明走廊的窗户是否打开或关闭,1 0意味着开放和封闭的意义。

评估的灵敏度的网格仿真和找到一个独立的网状细胞的大小,进行了灵敏度分析和速度计算参考点三个网格情况下:网格,810000个细胞;Grid-B, 1187000个细胞;和Grid-C, 4470000个细胞。每个网格之间的间隔情况下增加了约2.3倍。实际网格敏感性分析方法可以在以下文献:回顾了卡特琳娜et al。 42)和Ramponi et al。 54]。参考点的速度值模拟代表模型的空腔室(点高度: 在 的 房间 = 2.5 米 , 在 的 域 = 12.5 米 )。

从图 6,在风速标准差之间的结果好Grid-C Grid-B媒介并不是显著的小于0.02。因此,其余的模拟进行了使用模拟Grid-B减少所需的时间。

换气率(ACH)和平均年龄的空气(MAA)是评价室内空气品质的实用方法之一。关于最低推荐供应大量的新鲜空气,空气变化率可用于确定机械或自然提供充足的新鲜空气。在这项研究中,计算的CFD模型 C p 建筑表面的开口根据方程( 2)。在课堂理论模型,乘客的数量是25个学生。根据建议由佩滕科弗最低人均新鲜空气的需求( 69年),一个30米³/ h每个学生应该考虑。这占了750³/小时的新鲜空气。考虑到207.36教室的体积模型³,最低课时确定从以下方程: (15) 呵呀 = 问 V = 750年 207.36 = 3.6 h − 1 ,

在哪里 问 是每小时提供空气的体积(m³/ h)和 V 是房间的体积。用于计算的程序提供的空气通过单面和空气对流是根据阁下和钱德拉( 70年), C p 年代 和气流速度是最变化的变量。单面通风的情况下(B.1.0.0 C.2.0.0),使用以下方程: (16) 问 = 0.05 一个 U 裁判 米 / 年代 , 在哪里 一个 是模拟孔区域的窗口, U 裁判 建筑工地的风速在参考高度。在这种情况下,八个屋檐高度作为参考。计算空气对流的流动情况下(A.1.1.0, D.1.1.1, E.1.2.1、F.2.1.1 G.2.2.1)与一个入口和一个出口,使用下列程序: (17) 问 = C d 一个 U 裁判 Δ C p 米 / 年代 , 在哪里 C d 是流量系数,它被设置为0.62,根据阁下和钱德拉( 70年),而 Δ C p 和 一个 压力系数的区别在进口和出口和进口和出口的意思是区域,分别。

压力系数的差异 Δ C p 整个建筑空缺是一个决定性因素,影响气流的数量通过建筑结构以及它的速度。因此,为每个7例进行了分析评估 Δ C p 通过减去 C p 在每个开放的外墙(F1、F2)根据图 5两个风的方向:0°、90°。情况下A.1.1.0、D.1.1.1 E.1.2.1 F.2.1.1, G.2.2.1,内壁靠近走廊有一个打开,使空气对流。在每一种情况下,读点放置在正面打开和内壁。的位置点黄色,如图所示 5。在与风向的情况下 Θ = 0 ° 1是迎风室和房间2是背风。当 Θ = 90年 ° 房间1和2在背风的一面。 (18) Δ C p = C p 1 迎风 − C p 2 背风 。

图 7演示了一个比较的压力系数差异在模拟的情况下。A.1.1.0,根据图 5,有两个窗口的开口大小25 h:一个是外墙上或facade,内壁上,另一个是相邻的走廊。没有机会被认为是走廊的两端。在这两个房间当风向角 Θ = 0 ° , Δ C p 根据方程(计算 18)几乎是0,表明几乎没有空气流动时通过两个门面,F1和F2,与房间1和2,分别。然而,一个微小的区别可能会注意到 Θ = 90年 ° ,的值 Δ C p 房间1和2−0.02和0.02,分别。这些边缘的压力差异并不意味着潜在的大量运动的空气,这可能会导致换气率很高。因此,它可以表示,开幕式内壁在给定的情况下对自然通风的作用不大。

在5例所示,没有实质性影响压差可以看到风的方向 Θ = 90年 ° 。这是因为这两个房间是位于风的简化,因此双方的建筑。

与风的方向 Θ = 0 ° ,以防D.1.1.1,房间都有0.25 h开口的外观以及走廊墙壁,窗户两边的走廊是开放的。在迎风室1,明显增加 Δ C p 可以看到0.37。在房间2中,位于主导负压的尾流区, Δ C p 大约是0.07。增加开放大小在走廊墙壁的房间在E.1.2.1 0.5 h不帮助提高 Δ C p 。事实上,一个清晰的还原为房间1和2显示了0.22和0.06,分别。在F.2.1.1 D.1.1.1相似,除了正面开口大小翻了一番达到0.5 h, Δ C p 水平在迎风室1 D.1.1.1相似,在0.37,而略微减少房间2可能会注意到在0.05。这个结果也没有改变G.2.2.1背风房间2,在迎风房间1, Δ C p 是0.17。

从上面的比较,它可以建立开放走廊窗户改善至关重要 Δ C p 迎风和背风的房间在给定的条件下。同时,开口尺寸的0.25 h或0.5 h本质上影响 Δ C p 迎风的房间。然而,5例之间的最佳状态是证明D.1.1.1,所有的开口迎风和背风房间0.25 h。开幕式翻倍大小,如F.2.1.1 G.2.2.1,没有更好的房间或风向条件。

随着气流速度的增加有助于提高热感觉在特定条件下的图在图 8轮廓之间的相关性产生的风速和热感觉。轴左边图表明结构规模,和正确的轴线图显示了相关的平均气流速度在房间里。代表房间1和2所示的数据条件下两个风的方向: Θ = 0 ° 和 Θ = 90年 ° 。建模的温度和相对湿度(28°C, 60%)代表的年平均条件热潮湿的城市吉达,沙特阿拉伯。考虑到生物气候图( 71年),这种情况一般位于边缘的热舒适区与略微平静或不动空气温暖PMV根据口腔外科医生的模型。显然,增加气流速度降低了PMV的水平,从而提高了热感觉。

在前两个情况下从图 8A.1.1.0和B.1.0.0,没有显著的改变可以看到热的感觉,这是大约0.86,随着气流速度非常低的范围0.00 - -0.03 m / s Θ = 0 ° 和 Θ = 90年 ° ,分别。尽管案件C.2.0.0代表典型的单面通风情况下,轻微的增加速度与风的方向 Θ = 0 ° 0.12 m / s帮助降低大约13%的热感觉。这一结果主要归因于立面开在这两个房间大小翻了一番。此外,在风的方向 Θ = 90年 ° 可以注意到,没有显著的变化,风速保持在0.03 m / s。

可以看到明显的变化在未来4例由于两个因素:开口在走廊墙上和正面开口两边的走廊。在D.1.1.1 Θ = 0 ° 房间1和2的PMV降至0.69和0.63,分别。这也对应于气流速度增加到0.11和0.17,分别。显然,房间2受益于负压条件,因为它是在大楼的尾流区。为 Θ = 90年 ° 、结构和速度达到0.75和0.11,分别为两个房间。E.1.2.1的热感觉改善 Θ = 0 ° 。与前面的情况相比,开在走廊里墙在这种情况下翻了一倍,达到0.5 h。在迎风室1,结构是大约0.50由于气流速度为0.25米/秒。此外,背风房间2演示了一个PMV的0.58和0.20 m / s的气流速度。无论是结构还是呈现显著差异时的气流速度 Θ = 90年 ° 。

最好的PMV条件(0.02)达成了房间1 Θ = 0 ° 以防F.2.1.1, facade和走廊墙开口0.5 h和0.25 h,分别。然而,这种方法没有积极影响房间的条件2,PMV的0.76,气流速度为0.11米/秒。此外,结构在这两个房间在恶化 Θ = 90年 ° ,达到0.87,对应0.05 m / s。另一个显著减少在G.2.2.1 PMV值可以看到,外观和走廊墙开口0.5 h。在 Θ = 0 ° 条件,PMV的房间1−0.26,进入稍微凉爽的地带。相应的速度增加到1.64米/秒,超出了推荐最大1.2米/秒,以避免吹论文( 72年]。背风房间的条件2是类似于前面的情况,在很大程度上,这些的时候 Θ = 90年 ° 。表 3概述了推荐条件每个房间每个风向对PMV和空气速度。案例E.1.2.1似乎是nonwindward病例在给定条件下的最优条件。

空气变化率是必不可少的因素,表明房间卫生质量水平,各种情况下的仿真结果如图 9。图表说明了房间的条件1和2在风的方向 Θ = 0 ° 和 Θ = 90年 ° 。正如前面提到的,需要750米³/小时的新鲜空气摄入量保持至少30米³每人每小时在教室里。这几乎占通过ACH 3.6 h¹。

以防A.1.1.0,单面通风支持0.25 h内壁开向走廊,极低的小于1 h¹可以注意到 Θ = 0 ° 。的条件 Θ = 90年 ° ,而增加ACH近1.0 h¹证明,价值仍然相当低的推荐量。B.1.0.0看到无显著差异,0.25 h的典型的单面通风立面被认为是。为 Θ = 0 ° ,最高ACH 2.1 h¹是迎风房间1,紧随其后的是1.7 h¹。极其冷静的条件存在两个房间在同一案件中 Θ = 90年 ° 。增加开放面积0.5 h后在C.2.0.0相似的情况下,1房间的ACH达到4.2 Θ = 0 ° 房间1和2 Θ = 90年 ° 。背风室2 Θ = 0 ° 相对较低的2.3。然而,这些结果显示窗口区域的通风性能的影响在单面通风。一个例外是观察在背风的房间2 Θ = 0 ° 。

以下四个案例展示结果的情况下激活走廊开口。在D.1.1.1,外墙和内墙开口0.25 h,大幅增加空调采暖只有引人注目 Θ = 0 ° ;房间1达到18.4 h¹,房间2达到9.0 h¹。相反,没有显著增加 Θ = 90年 ° ,两个房间的值保持在3.0以下。

内壁的开放区域的增加改善了条件只有在迎风房间1时 Θ = 0 ° 。由此产生的空调采暖房间1和2 22.4 h¹和7.4 h¹,分别。房间的进一步恶化 Θ = 90年 ° 不仅是看到的,在这种情况下还在F.2.1.1 G.2.2.1。这使得这个选项不实用,背风的房间 Θ = 90年 ° 。此外,以防F.2.1.1图提供了最高水平的ACH 29.1 h¹与 Θ = 0 ° 房间1。尽管正面的开口大小的增加到0.5 h, ACH降低了30%在背风室2与D.1.1.1相比。有趣的是,这种减少后恢复为同一房间内壁的大小增加到0.5 h与正面墙。ACH迎风房间1的值大约28.2 h¹。

从上面观察,它从表可以得出结论 4提出概念的综合走廊开口与内壁开口明显有效的空间条件 Θ = 0 ° ,特别是在迎风的房间。大型表面开口的0.5 h以上单面背风时房间通风是最好的选择 Θ = 90年 ° 。

规划和操作指导,表 5概述了排名的最佳条件对各种参数进行分析,即PMV、气流速度、课时。表结构来表示最好的三个条件考虑的三个参数为每个两个房间的每一个模拟风的方向。

唯一的情况下,提出了潜在的单面通风是C.2.0.0背风的房间 Θ = 90年 ° 。除了疼,这种情况下没有潜在的其他参数作为第一选择。它重新出现的第三种选择背风房间2 PMV和速度 Θ = 90年 ° 。而案例G.2.2.1速度提出了更高的值(1.64米/秒),帮助达成PMV−0.26,还不利于与F.2.1.1迎风房间1的条件下,提出了一个温和的空气速度(0.86 m / s)和中性PMV条件。这主要是因为增加的不舒服影响气流速度超过1.2 m / s,造成感觉和飞行文件草案。

图在图 10比较的空气年龄结果在不同的仿真模型对两个风的方向。传统解决方案,比如A.1.1.0、B1.1.0 C.2.0.0,现在几乎停滞不前的状况。然而,C.2.0.0建议的改善 Θ = 90年 ° 。很明显,空气的配置的情况下,年龄大于500年代应该避免,如A.1.1.0 B1.1.0, C.2.0.0 Θ = 0 ° 和A.1.1.0 B1.1.0, E.1.2.1 Θ = 90年 ° 。在其他情况下,当背风空间 Θ = 0 ° 在更好的条件和谎言在350 - 450年代由于负压气流诱导的尾流区和沿着建筑的空气流动。在相同的情况下,迎风的房间提供了一个空气年龄在60 - 80年代,这表明高水平的空气质量。此外,对于 Θ = 90年 ° ,两个房间呈现相同的情况下C.2.0.0当然可以接受的条件,D.1.1.1, F.2.1.1, G.2.1.1,空气的年龄大约是200年代。

因此,考虑表 5,结果如图 10是有用的,在走廊里提到提供开口墙以及构建双方允许使用空中走廊通道有助于改善当地的被动利用风能。B.1.0.0的常规条件之间的差别和G.2.1.1的情况表明,相同的风向,基本可以实现自然通风性能的变化。由于问题的复杂性,值得注意的是,每个方向风向对建筑几何应该区别对待。每个场景影响某些舒适参数提供了不同的结果。因此,动态窗口场景与建议的配置可以帮助改善建筑性能的机会来改善卫生和舒适的水平,特别是,如果他们操作,关于风向动态地确定的。例如,一些场景可以利用很短的时间内(例如,间歇期)实现高哦,然后转向另一个执行改善热感觉。建筑管理系统(bms)可能的援助如果他们连接到控制开口大小和程序,协调与当地的风力条件达到一定的舒适度为一个特定的时期。