基金项目：铜陵学院大学生创新创业训练项目

项目名称：对不同自然环境下的阶梯教室自然通风的研究

1. 引言

随着科技、经济的快速发展，人们的收入逐渐提高，生活水平也越来越高，因此人对居住环境的要求也在逐步改变。随之提出了人体舒适度的说法，而影响人体舒适度的因素有很多主要分为两类，环境因素和人为因素，除此之外人的心理因素也是一项主要因素。其中温度、湿度、空气流速、热辐射等外部条件是环境因素的主要部分，人体的新陈代谢和服饰的热阻占人为因素的主要部分。而环境因素通常是可以通过人为改善的，建筑的自然通风设计就是其中最直接也是最简洁的有效方式。

自然通风是指利用自然界中的风压和热压在目标建筑物的内部和外部来改善空气环境的一种“零能耗”的被动通风方式。自然通风一般分为两种作用方式分别为风压作用下的自然通风和热压作用下的自然通风。在建筑设计中一般单体建筑大多都主要考虑风压通风很少考虑热压通风，只有大型公共建筑和群体建筑才会将两种作用方式都考虑在内。

2.研究方法

自然通风相对其他方法来说是很难的，所以国内外学者长期致力于探索自然通风的方法，现列出较为常见的几种，如下：

理论分析法，该方法的主要是原理是通过伯努利方程结合流体力学进行计算，再通过射流原理分析自然风，该分析法具有方便、高效、实用的特点，可以准确的测出建筑内气流的温度、温度等具体数据。

实验研究法，主要有风洞模型、热浮力实验模型、示踪气体追踪法三种，该方法能够准确的预测出建筑内部的气流和气体密度分布^[2]。

网络法（多区域模型法），主要是先把温度节点以及余压节点的线性方程组和非线性方程组写出来，之后再使用计算机模拟实验，这种方法较其他方法来说，其具有简单、计算量小的特点，比较容易掌握。但是同时也有一定的缺点，虽然降低了计算，但精度也有所不足，不过总体来说适用性依然很高。

网络法与CFD法相结合法，顾名思义即将网络法与流体力学相结合，先用网络模型将所求区域的流动边界条件求出，在用流体力学进一步计算分析^[3]。

Airpak软件数值模拟法，主要是先通过Object模块建立需要分析的模型，然后在采用Fluent求解器进行求解，该软件具有结构化和非结构化的网络生成程序，支持四面体和六面体以及混合网络，其计算便捷，操作也比较方便，效率高也比较标准，计算结果可信度高^[4]。

3.学生公寓自然通风模拟分析

3.1自然通风的作用原理

自然通风的根本原理是因为室内外存在压力差，在压力差的存在下，气流流动时便形成了自然风^[13]。在建筑设计中，自然通风设计通常会用到风压与热压，在自然通风效果不太好的情形下，便会使用合适的机械设备来辅助通风，进而改善建筑内部的空气环境。所以在了解自然风原理的情况下，设计师通常会充分利用其原理，在设计建筑时，在建筑外围结构上留下足够的通风的门、窗等。室内外在压力差的作用下便会形成自然风，压力差越大，风速也会越大，室内通风效果也会越好。

3.2风压作用下的自然通风

当建筑物受到室外气流的冲击后，会发生绕流这一现象，绕流行驶一段距离之后会再次恢复到平行运动。当再次恢复到平行运动后，建筑室内外的气压也会发生变化，室外气流冲击墙壁后产生绕流的过程中，气流流速加快，动压会降低，同时静压会增大，而室内气压基本保持不变，如此一来室内外便形成了压力差。受到建筑物的阻挡，分布于建筑物周围的室外气流产生的压力会发生显著性变化。于背面及侧面产生局部涡流静压下降，和远处未受干扰的气流相比，我们把这静压的上升或下降统称为风压。静压降低，风压为负，叫做负压；静压增高，风压为正，叫做正压。

建筑的风压分布受到这一建筑的几何形状以及室外风向所影响。把风向固定这一情况下，建筑物外围护结构上某一点的风压值可以用下列公式表示为：

(4-1)

式中k为空气动力系数；

为室外空气速度，单位为：m/s；

为室外空气密度，单位为：kg/m³。

若k是正值，则表示这一点的风压为正，相反就表示这一点的风压值为负。不一样风向的风力作用在不同布局的建筑物情形下，对于空气动力系数分布也具有一定的影响。这种情况下空气动力系数需要在风洞内通过实验进行测量。

在一个建筑物上，假定设有几种风压值的窗孔，则空气动力系数相对较大的窗孔会进风，相反，空气动力学系数相对较小的窗孔将进行排风。在图4-1中，位于风速为的力作用下由于没有热压作用，只有风压作用，迎风面窗孔风压为，背风面的风压为，两窗孔中心平面的余压为。由于不存在热压作用，建筑内部各点余压保持不变，且相等。

如果仅把窗孔a打开，而窗孔b是关着的状态，随便窗孔a的内外压差怎样改变，因空气会流动，建筑内部的余压逐步升高，在达到建筑内部的余压等于窗孔a的风压这一时刻，位于建筑内部的空气都将不再流动。

图3-1 风压作用下的自然通风

3.3热压作用下的自然通风

还有一个原理是通过热空气上升原理来进行自然通风的，因为存在室内外温度差和进出气口高度的差别而产生了热压作用下的自然通风，冷空气本身是较重的，当冷空气通过通风口进入在到建筑物内部后会和迅速吸收室内空气的热量，和室内空气发生中和而形成较热的空气，热空气会上升，再通过出风口排出到室外，持续流入室内的冷空气在被加热之后从建筑物的上面的出风口流出，只是因为随着温度的升高空气密度会降低这一性质，从而形成了自然通风。

空气在室内外的密度之差、窗孔之间的高度差以及窗孔的布局是影响热压通风的主要影响因素。在图4-2中，设置不同高度的窗孔a和b在外围护结构上，他们之间的高度差为h。设窗孔a和窗孔b外的静压分别为、，窗孔内的静压分别为、，室内外的空气温度和密度分别为、和、。由于>,所以<。

假设我们首先只开启窗孔a，关闭窗孔b，无论刚开始窗孔两面的压力差是怎样的，都会因为空气的流动，将会等于。当窗孔的内外压差时，空气停止流动。

根据流体静力学原理，这时窗孔b的内外压差

（4-2）

式中，、为窗孔a和b的内外压力差，>0,该窗孔排风，<0，该窗孔进风；g为重力加速度，单位：m/s²。

图3-2 热压作用下的自然通风

3.4风压和热压共同作用下的自然通风

实际建筑中的自然通风基本都是热压与风压共同作用的，只有少部分建筑只采用一种通风方式。

一个建筑在风压和热压共同作用影响时，各窗孔的余压和室外风压之差就等于建筑外围护结构上的各窗孔内外压力差。

如图4-3所示建筑，窗孔a的内外压力差为

(4-3)

窗孔b的内外压力差为

(4-4)

式中为窗孔a的余压，单位为：Pa；

为窗孔b的余压，单位为：Pa；

、分别是窗孔a与窗孔b的空气动力系数；

h表示窗孔a与窗孔b之间的高度之差，单位为:m。

图3-3 风压和热压共同作用下的自然通风

参考文献

[1]潘斐,樊越盛,王欢,张鑫.建筑间效应对自然通风住宅能耗影响的研究[J].建筑热能通风空调,2019,38(08):28-31.

[2]刘美欧.建筑节能的自然通风技术研究现状探析[J].工程建设与设计,2019,9(18):13-14.

[3]张金萍,李安桂.自然通风的研究应用现状与问题探讨[J].暖通空调,2005,35(8):32-37.