基于FLUENT模拟的通风屋顶流场分析

2018-03-31胡晓蕾

山西建筑 2018年7期

胡晓蕾　高　岩

(北京建筑大学环境与能源工程学院，北京　100044)

0　引言

近年来，随着绿色建筑的大力发展，人们越来越关注室内环境的舒适度，建筑节能日益受到广泛的关注。在这样的大趋势下，空调技术不断发展，而空调技术带来的能源消耗和“空调病”等现状也日益突出。面对现今能源紧张、节能压力增大、空气品质下降、建筑综合症等状况，自然通风这一传统的气候适宜性技术开始受到人们的青睐[1]。本文首先介绍了通风屋顶的结构、原理等，之后通过运用流场模拟软件FLUENT来模拟分析其内部的温度和流速分布。

1　建筑通风

1.1　建筑通风的目的

建筑自然通风的目的主要有两个:一是使用建筑手法营造一个良好的自然通风室内环境；二是采用科学技术，使夏季在室内人们可以感受到凉爽而冬季又不会感觉潮湿[2]。它在很大的程度上降低人们对空调的使用率从而降低电耗，节约能源。另一方面，自然通风又可提供充足的新风量，从而改善室内的空气品质，降低呼吸道疾病的发病率。

1.2　自然通风的形成原因

自然通风包括完全自然通风和机械辅助的人文通风。而完全自然通风的形成主要由两个方面决定，即“压力差”和“温度差”。具体来说是风速流动形成压力差和墙壁温度不同造成的室内外温差引发了室内外空气的流动[3]。

1.3　屋顶结构在自然通风中的作用

随着空间高度的上升而温度越来越高的现象使得由于高度差带来了温度的差异，整个建筑物自上而下纵向会形成一个类似“竖井”的结构，由温度的差异来加速了气流的运动，总而言之，概括为就是“温差产生热压，热压带动气流,气流引发通风”[2]。

2　通风屋顶

屋顶作为建筑围护结构的重要组成部分，尤其是在炎热的夏季，屋顶的隔热性能对室内的环境温度具有很大的影响。常见的屋顶隔热措施有:反射涂料屋面、绿化屋面、蓄水屋面、通风隔热屋顶[4]。

2.1　通风屋顶的结构

我国南部夏季大部分为炎热多雨的气候特征，通风屋顶作为一种传统的屋顶构造形式，一般有上下两层结构，下层是主要的通风屋面，而上层大多采用轻薄的材料或大阶砖，形成通风道，其间增添通风天桥来加强换热，结构如图1所示。

2.2　通风屋顶的原理

通风屋顶一方面利用上层的遮阳装置拦截直射到屋顶的太阳辐射，使屋顶由一次传热变成了两次传热，减少了直接屋顶的得热量。另一方面，通风屋面通过两层屋面之间的孔隙通道，利用风压和热压的作用，将屋面接收的太阳辐射热转移到空气中，被自然风带走，减少室外的温度对室内温度的影响。风速越大，带走的热量越多，隔热效果也越好[5]。

3　软件建模

3.1　物理模型

通风屋顶的尺寸为1 300 cm×800 cm,上层屋顶和下层屋面之间的距离(即夹层高度)为50 cm，通风桥的高度为90 cm，通风桥的宽度为60 cm,边缘距通风桥130 cm,中间每两个通风桥的距离为200 cm，设定此物理模型为模型1，如图2所示。之后为了研究通风桥的个数及间距对温度计风速的影响，减少通风桥的个数，设置物理模型2，如图3所示，与第一个区别在于其边缘与通风桥的距离为260 cm,中间每两个通风桥的距离为300 cm。采用FLUENT软件建模，选取单元网格尺寸为50 mm。

自然风从左侧风口进入，由后侧出风口和通风桥的出风口出风，选取进口的室外风速为5 m/s，温度选取南方夏季常见气温30 ℃。选取通风屋顶的上盖面温度为50 ℃。湍流模型选取k-ε两方程模型，能量方程采用二阶离散，迭代次数为1 000次。