商业建筑中庭自然通风数值模拟研究及其灰箱模型辨识

摘要

在商业建筑中,人体、灯光、设备、太阳辐射等产生大量的热,装修材料产生的易挥发物质及人体呼吸产生的二氧化碳,对人们的舒适和健康产生不利的影响。利用建筑的中庭结构实现自然通风,取代或部分取代传统的空调系统,可以在不消耗不可再生能源情况下带走余热余湿、提供新鲜空气、避免病态建筑综合症(SBS)的发生,同时满足人们亲近自然、回归自然的需求,有利于人体的心理和生理健康。
　　本课题以某地下商业建筑中庭为研究对象,建立了它的物理模型和数学模型,通过CFD数值计算,对其自然通风效果进行模拟和评价,内容包括速度场、温度场、PMV场、PPD场和空气龄。随后,通过研究此建筑热压作用的通风量,提出了一个科学的、有理论根据的、简单的、快捷的预测热压通风量的灰箱模型,并利用模拟数据进行了验证。最后,利用他人论文中的实验数据,对其热压通风的灰箱模型进行了辨识,进一步对此灰箱预测模型的方法进行验证。主要的创新点及结论如下:
　　(1)CFD数值计算结果显示,在过渡季节,中庭自然通风的效果在大部分区域符合人们的舒适性需求,部分区域应采用局部排风或提前开启空调系统。通过改变边界条件模拟,得到了室内负荷、进出口面积和室外温度等因素对自然通风量的定量影响。
　　(2)通过理论知识和模拟数据对灰箱模型进行辨识。得到的结果证明此灰箱模型对模拟数据的预测非常准确,误差在6％以内。
　　(3)通过对他人实验的灰箱模型辨识,很好地预测出了其最后一组实验值。客观反映数据真实性的同时,进一步证明了利用灰箱方法对实验或模拟数据进行预测的普遍性与适用性。
　　此地下商业建筑中庭空间的自然通风效果模拟,为建筑布局的选择和局部的设计提供了依据。灰箱模型的识别为此项目的后续工作提供了简单的估算方法,减少了机时和脑力劳动。此灰箱预测模型的方法通过进一步的应用验证,为类似工程项目的前期辅助设计提供了一种简单科学的研究思路和计算方法。

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第一章 绪论

1.1 中庭的发展及其自然通风的应用

1.2 中庭自然通风研究现状

1.3 本课题研究内容、意义及方法

1.4 论文架构

第二章 数学模型的建立

2.1 研究对象的概述

2.2 物理模型的建立

2.3 数学模型的建立

第三章 数值模拟及其结果的分析与评价

3.1 软件的应用

3.2 网格生成与方程离散

3.3 模拟结果

3.4 模拟结果分析与评价

第四章 影响中庭自然通风量的因素分析

4.1 中庭顶部开口面积的影响

4.2 负四层外墙开口面积的影响

4.3 室内负荷的影响

4.4 室外温度的影响

4.5 风压与热压耦合的影响

第五章 预测中庭自然通风量的灰箱模型辨识

5.1 参数估计与灰箱模型结构的建立

5.2 灰箱模型的系数求解

5.3 模拟结果对灰箱模型的验证

第六章 其他实验数据对灰箱方法的进一步验证

6.1 实验介绍

6.2 灰箱模型的建立与求解

6.3 灰箱模型的预测验证

第七章 结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

参考文献

附 录

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致谢