第一章 绪论
1.1 研究背景
在日益恐慌的能源危机的背景下，经济学家、科学家普遍估计在本世纪中叶（即 2050 年左右）石油资源将会开采殆尽，且其价格将更高，若当新能源体系还未建立，石油资源不再为大众所普及和应用的时候，能源危机将会席卷全球，特别是欧美等十分依赖石油资源的发达国家所受影响将最大。最严重的情况有工业大幅度萎缩或由于抢占剩余资源而引发战争。因此，为了避免出现上述窘境，目前美国、日本、加拿大、欧盟等发达国家都在积极开发可再生新能源，如：太阳能、风能、潮汐能和波浪能等。中国是世界上最大的发展中国家，同时也是一个能源生产和消费大国。其能源生产量居世界第三位，仅次于美国和俄罗斯。且其基本能源消费约占世界总消费量的 10%，仅次于美国，居世界第二位。中国还是一个以煤炭为主要能源的国家，因此，发展经济和环境污染的矛盾较为突出，能源安全问题也成为国家和全社会普遍关注的焦点，并日益成为中国战略安全的隐患，同时也会成为制约经济社会可持续发展的瓶颈。自上个世纪 90 年代以来，中国经济的持续高速发展带动了能源消费量的急剧上升。从 1993 年开始，中国就由能源净出口国变成净进口国，能源总消费大于总供给，能源需求的对外依存度也迅速增大。在中国，煤炭、石油、电力和天然气等能源都存在缺口，其中，由于石油需求量的大增所引起的结构性矛盾正日益成为中国能源安全所面临的最大难题。
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1.2 研究现状
1.2.1 多元通风研究现状
1997年6月，国际能源组织（IEA）通过了关于在新建和改建的建筑中应用多元通风的研究计划——Annex 35。自从1998年8月开始的四年里，共有15个参与国对多元通风系统进行了积极的试验性的合作研究。Annex 35的目的在于促进多元通风的节能增效，为建筑中多元通风系统的运行提供控制和预测分析方法[8]。多元通风即混合通风（Hybrid Ventilation），并非为传统意义上的通风，而是一种新的节能型通风模式，通过自然通风和机械通风的相互转换或同时使用这两种通风模式来实现[9,10]。它充分利用各种自然气候因素（如太阳、风、室外空气、土壤、植被、水蒸气等）来创造舒适的室内环境，与此同时还达到节能和改善室内空气品质的目的[11]。多元通风系统与传统的通风系统主要区别在于：多元通风系统是带有能够根据室外气候变化自动转换其运行模式以达到满足室内热舒适要求和节能目的的智能系统[9]。多元通风一般分为以下三类：1、交互使用式。即：自然通风和机械通风系统完全相互独立，在不同的时间或季节，两个系统交错使用。2、有机结合式。即：有机结合使用自然通风和机械通风两个系统，两者不再相互独立。在同一时间机械推动力和自然推动力可以同时共存，推动空气流动。3、相互配合式。即：自然通风系统和机械通风系统中，一个为主，一个为辅，可能是一个风机辅助式自然通风系统，也可能是一个自然通风辅助式的机械通风系统。
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第二章 多元通风
建筑通风用于提高室内空气品质和热舒适性，主要通风形式有：自然通风，机械通风和多元通风。自然通风是建筑通风最早采用的通风方式，但其多变性和复杂性使其控制和可靠性变差，从而制约其发展。随着科技的进步，机械通风作为一种控制性和可靠性优于自然通风的通风方式被人们广泛应用于各个领域。现在，随着能源危机的日益加剧，自然通风作为一种可再生能源再次引起广大学者的普遍关注，但纯自然通风无法控制空气流动和温度，容易造成寒冷天气产生吹风感和热量损失、炎热天气因过热而引起不舒适感的现象。因此，作为集自然通风与机械通风优势于一身的新型节能通风模式——多元通风应运而生。
2.1 自然通风
自然通风不仅能改善室内环境，满足人体热舒适，与机械通风相比，更有利于建筑节能。2.1.1 自然通风的定义及分类自然通风是一种利用建筑物内外空气密度差产生的热压或室外大气运动产生的风压从而引发通风换气作用的通风方式[22]。按照自然通风的形式一般分为单侧通风和穿堂风。
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2.2 机械通风
机械通风发展至今，已由最初的定风量机械通风系统发展到变风量机械通风系统等新型模式，但与此同时，它也成为建筑物中存在的高能耗问题的原因之一。2.2.1 机械通风的定义及分类依靠风机提供的风压、风量，通过管道和送、排风口系统可以有效地将室外新鲜空气或经过处理的空气送到建筑物的任何工作场所；还可以将建筑物内受到污染的空气及时排至室外，或者送至净化装置处理合格后再予排放。这类通风方法称为机械通风[24]。机械通风分为全面通风和局部通风两种形式。全面通风是对整个房间进行通风换气，通过送入室内的新鲜空气把整个房间里面的有害物质浓度稀释到卫生标准允许浓度以下，同时把室内被污染的污浊空气直接或经过净化处理后排放至室外大气中去。全面通风包括全面送风和全面排风，两者可同时或者单独使用。
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第三章 多元通风数值模拟................................19
3.1 CFD简介............................................19
3.2 多元通风数值模拟...................................23
第四章 太阳能强化自然通风的实现途径...................37
4.1 太阳能烟囱........................................37
4.2 太阳能烟囱在建筑中的应用..........................40
4.3 太阳能通风墙（SIVW）——Trombe墙..................44
4.4 太阳能空气集热器................................46
4.5 研究方法.........................................49
第五章 太阳能强化自然通风数值模拟
5.1 物理模型
如图5-1（a）所示为株洲地区Trombe墙冬季工况下白天运行模式的简化模型，房间物理尺寸为1m×1m（W×H），上风口和下风口高度均为h=0.15m，气流通道宽度为d=0.2m，其对比模型如图图5-1（b）所示，为无Trombe墙的房间模型。株洲市室外气象参数可参考EnergyPlus官方网站提供的标准年气象文件。冬季（12月~2月）太阳直接辐射强度最大值约为200W/m2，室外平均风速约为2m/s。
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第六章 结论与展望
6.1 结论由于多元通风及太阳能强化自然通风的通风形式多样，控制策略及条件在不同建筑结构、不同地区以及不同气候条件下的设计及控制都不尽相同。因此，本文主要针对株洲地区的简单居住性建筑——宿舍，进行适当的改造设计，建立相对简单但经典的二维 Trombe 墙式房间模型，并对其设置了符合当地实际情况的边界条件，通过对 Trombe 墙式房间的四个通风口、风机以及窗户进行开启或关闭，获得不同的通风形式来满足在不同气候条件下的室内热舒适和空气品质要求。该研究主要针对夏热冬冷地区气候特点，运用 CFD 相关软件对该模型应用多元通风系统的六种典型通风方式在过渡季节或夏季典型气象条件下的气流参数分布情况进行预测分析；同时，采用 CFD 技术对 Trombe 墙在冬季工况下的一种运行模式进行了模拟分析，将模拟结果与理论值进行对比分析。
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参考文献（略）