摘要：基于多区域通风网络模型，根据热压作用下的自然通风原理，建立了热压自然通风网络模型，探讨了基本数学方程。结合算例，分析了某别墅建筑热压自然通风量的计算过程。
关键词： 自然通风； 热压； 风压； 多区域网络模型
Network Model of Buoyancy-driven Natural Ventilation and Calculation Method of Ventilation Rate
Abstract： According to the principle of buoyancy-driven natural ventilation，a network model for buoyancy-driven natural ventilation is developed based on the multi-zone network model for ventilation．The basic mathematical equation is discussed．The calculation of buoyancy—driven natural ventilation rate in a villa building is analyzed with a ease．
Key words： natural ventilation；thermal buoyancy； wind pressure； multi-zone network model
有效利用通风被视为降低建筑能耗的最简单的手段之一[1-5]。自然通风是指利用自然手段(热压、风压等)促使空气流动而进行的通风换气方式[6]。充分有效地利用自然通风不仅能够提高室内空气品质，还能够改善室内热湿环境，进而降低机械通风、空气调节系统的运行能耗[7]。某些城市(如重庆)还将自然通风作为有效的节能手段列入当地建筑节能标准加以推广。
自然通风能力直接影响建筑能耗水平，自然通风量是评价自然通风能力的重要指标，自然通风计算主要是指自然通风量的计算。风压作用下的自然通风主要动力为室外风场，而室外风环境随时间呈无规则变化，风压作用下的自然通风量具有不稳定性。当建筑使用情况一定时，热压比风压稳定，热压作用下的自然通风量(以下简称热压自然通风量)也比较稳定。对于处在室外风速很低的城市中心区建筑及别墅建筑，热压将成为建筑自然通风的主要动力。笔者在对热压作用下的自然通风(以下简称热压自然通风)原理进行系统研究的基础上，提出了一种基于多区域网络模型的热压自然通风网络模型。本文对热压自然通风网络模型及热压自然通风量的计算方法进行探讨。
1 多区域网络模型
在建筑通风的多区域网络模型中，将能够进行相互通风的所有建筑空间视为一个供空气流通的网络系统，并认为每个房间内部的空气具有均一的温度、压力、污染物浓度。将每个房间视为网络中的一个节点，将各个房间之间的气流通道视为网络中的支路，将每个节点作为一个独立的控制体，采用质量、能量守恒等方程计算网络内的空气流量、压力分布情况[8-11]。
2 热压自然通风
热压自然通风是指由于不同温度空气间的密度差异产生自发空气流动的通风换气方式[6]。当室内空气温度高于室外空气温度，且不同高度存在开口时，空气通过下部开口进入，由上部开口流出。开口之间空气流动动力(即热压)p的计算式为：
式中 p——热压，Pa
g——重力加速度，m／s2
Δh——两个开口的高度差，m
ρout——室外空气密度，kg／m3
ρin——室内空气密度，kg／m3
因此，两个开口的高度差、室内外温度差是热压存在的两个必要条件。广州、重庆等大城市的中心区域近地面风速较小，风向不定，风压不稳定[12-13]。在这种情况下，热压成为影响自然通风量的主要因素，应给予足够的重视。对于不同高度之间存在常开气流通道的建筑，热压自然通风量更是不容忽视。
3 热压自然通风网络模型
3．1 建立原则
根据多区域网络模型的基本原理，确定热压自然通风网络模型的构建原则。
节点：认为建筑中各个可封闭的空间内空气的热物理状态相同。把门、窗、墙、楼板等围护结构组成的一个封闭空间作为网络模型中的一个节点。若空间不能封闭，则可根据实际温度进行节点划分，如竖向楼梯间，由于各层负荷及通风情况不同且相互影响很小，因此应按楼层划分楼梯间节点。设定建筑外部空间所有空气处于相同热物理状态，即视为一个节点(室外状态节点)。
支路：若两个节点之间存在门、窗、孔洞等气流通道，即认为这两个节点之间存在一条支路。
支路阻力：支路阻力由沿程阻力与局部阻力组成。
动力设置：热压自然通风的动力来自空气温度差异产生的热压，当两点间空气温度差及高度差不变时，两点间驱动空气流动的热压为定值。此时，可以将热压视为虚拟的热压风机，并认为热压风机作用在具有高度变化的支路上。
3．2 网络模型的计算
采用肖益民设计的“环状管网水力计算与水力工况分析软件”进行网络模型的计算。由于该软件适用于具有动力装置的通风系统，因此将虚拟的热压风机作为等效动力装置[14]。
3．3 基本数学方程
①支路热压
第k条支路热压pk的计算式为：
式中 pk——第五条支路的热压，Pa
Δhk——第k条支路的始末节点间计算高度差，m
②支路阻力
第k条支路阻力Δpk的计算式为：
式中 Δpk——第k条支路的阻力，Pa
Sk——第k条支路的阻力数，Pa·m-6·s2
qk——第k条支路的空气流量，m3／s
③支路压力平衡
第k条支路压力平衡的表达式为：
④环状管网节点流量及回路压力平衡方程第i个节点的流量平衡表达式为：
式中 r——第i个节点包含的支路数量
qi,n——第i个节点第n条支路的流量，m3／s
第j条回路压力平衡表达式为：
式中 xj——第j条回路包含的支路数量
Sj,m——第j条回路第m条支路的阻力数，Pa·m-6·s2
qj,m——第j条回路第m条支路的流量，m3／s
yj——第j条回路虚拟热压风机数量
pj,m——第j条回路第m条支路的热压，Pa
由式(2)～(6)可解得网络中任意支路的流量和流向。
4 算例
①建筑概况
以重庆市某别墅作为研究对象，进行热压自然通风量计算。该别墅共4层，地上2层，地下2层。负二层层高为3．1 m，负一层层高为2．
该建筑物共有21个主要功能房间(包含卫生间、车库、储藏室等)，两个竖向气流通道(楼梯间、中庭)。楼梯间是贯通负二层至屋顶的人行通道。中庭从一层通至屋顶，类似于旧式建筑的天井，是与室外相通的空间。别墅的立体结构见图1，图中各层标高的单位为m。
②热压自然通风网络模型
考虑到自然通风状态下应避免污染，因此不将卫生间、厨房等存在污染源的房间列入热压自然通风网络模型。热压自然通风网络模型见图2。热压自然通风网络模型中各节点代表的功能区见表l。其中节点23设在通风井底面，节点20设在屋顶表面，其他节点均设在各层高度方向的中间位置。由此可知各节点的高度差。
③热压自然通风量计算
根据门窗开启的当量直径，门、窗的局部阻力系数取值范围分别为l．56～2．10、2．37～2．50[15]。楼梯间视为仅有沿程阻力无局部阻力的支路，粗糙度参照混凝土风管，取
自然通风一般应用于过渡季节，对室内外空气参数进行设定：室内空气温度为
由图2可知，共有7个支路具有高度变化(见表2)，因此在这7个支路上存在热压，计算结果见表2。
采用“环状管网水力计算与水力工况分析软件”完成各支路的热压自然通风量计算。软件使用方法为：a．输入节点数量，为23个。b．输入支路数量．为37条。c．输入支路信息。设定各支路的气流方向：对于存在热压的支路，气流方向与热压正方向一致。对于无热压的支路，可任意设定气流方向，最终的气流方向可以由计算流量的正负判断，计算流量为正代表实际气流方向与设定气流方向一致，计算流量为负代表实际气流方向与设定气流方向相反。并输入各支路阻力数。d．输入节点信息。各节点流量为0。e．热压输入。将存在热压的支路及热压计算结果输入软件。f．利用软件进行网络的水力计算。
最终得到各支路的热压自然通风量、气流方向(见图3)，图3中各数值的单位为m3／h。
由图3可知，室外空气从各门窗进入，在室内汇集，进入楼梯间、中庭，最终从屋顶的开口排出。负二层、负一层的进风都汇聚进入楼梯间，由于一层有通风良好的中庭，因此一部分气流从楼梯间流出进入中庭。由二层进入的风量一部分进入楼梯间，另一部分进入中庭。
由热压自然通风量计算结果可知，与室外相通的门窗均为进风，屋顶楼梯间、屋顶中庭出口均为出风，楼梯间和中庭成为主要的通风通道。中庭内热压自然通风量为6 000～8
5 结语
基于多区域网络理论构建的热压自然通风网络模型，实现了热压自然通风量的计算，弥补了现有自然通风模拟软件无法计算热压自然通风量的不足。
该模型仍存在一定的局限性：需对室内外温度进行设定，以室、内外某一特定温度参数为基础进行计算，未考虑室内外空气温度的动态变化。由于门窗类型过多，各类门窗准确的局部阻力系数无法查得。因此，热压自然通风量的精准计算仍需深入研究。
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本文作者：付祥钊 檀姊静
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