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气流动态化是改善建筑热环境的重要方向。自然风作为人们乐于接受的动态化气流,对其动态特征进行研究,并比较与机械风的区别与联系,这对于改善建筑热环境具有重要的意义。针对上述问题,本文开展了以下研究工作:
首先,在建筑热环境的研究范畴中,对表征气流动态特征的参数进行了全面的总结和对比研究,构建了以速度概率分布偏斜度、湍流强度和风谱特征参数为代表性参数的气流动态特征的标准化描述体系。
其次,系统研究了建筑环境中三种不同动力源类型气流(自然风、热压通风、机械风)的动态特征,考察了风源特点、建筑边界、空间形式等因素对气流动态特征的影响规律。研究发现,在较低平均风速条件下(小于3m/s),不同建筑环境中自然风的气流动态特征具有较好的一致性;在不同的热源强度下,热压通风气流动态特征基本保持不变,且均与自然风有较大区别,而在封闭小室内的热压自然对流的气流动态特征则显示出与自然风较好的一致性;机械风在空间的扩散过程中,气流动态特征将随平均风速的衰减而发生明显改变。依据机械风风谱在空间的迁移规律和影响因素,拟合得到了机械风的风谱表达式。
而后,基于上述研究,对比研究了自然风和机械风动态特征之间的区别和联系,发现在风口附近或者风速较高的机械风气流动态特征与自然风有着明显的区别;机械风只有在空间充分扩散,并且平均风速衰减到人体无感风速条件下,才可能具有与自然风一致的动态特征。通过动力源的能量传递分析表明,风源叶片对气流的高速剪切是导致机械风高频能量所占比例较高的主要原因。
最后,进一步探讨了人工动态化气流与人体热舒适的关系。比较了风源变频控制和末端节流阀阀位控制两种气流动态化控制方法,并考察了人工动态化气流的动态特征在空间的迁移规律。通过人体热舒适投票实验证明,在偏热环境下,具有自然风动态特征的人工气流能很好改善受试者的吹风感和热舒适。基于上述研究,从气流动态特征的角度讨论了自然通风环境中的热舒适问题。
本论文初步构建了建筑环境中气流动态特征研究的理论体系,并为建筑室内热环境的气流动态化应用研究打下了初步的理论基础。