交通建筑高大空间渗透风特征研究

机场航站楼、铁路客站等现代化交通建筑是21世纪我国开展大规模基础设施建设的重要组成部分，对国民经济发展具有重大推动作用。交通建筑的室内环境与人们出行过程中的安全、健康和舒适息息相关。同时，室内环境营造系统对建筑的运行能耗有重要影响，其能耗占比普遍高达40%~80%。交通建筑室内环境营造已成为建筑、交通交叉领域节能低碳发展的关键问题。针对这类复杂的工程问题，如何从实际出发厘清关键影响因素，通过理论研究揭示其作用规律，进而提出切实有效的工程应对方法？这个课题的研究具有相当的综合性和难度，兼具重要的理论价值和重大的现实意义。

为了能够清晰回答上述问题，刘效辰博士抓住春夏秋冬不同季节的典型工况，多年来走遍我国各地及多个海外国家，对机场航站楼、铁路客站这类高大空间交通建筑进行了大量细致的测试和调研，积累了丰富的第一手数据，揭示了该类建筑室内环境和能耗的特征； 在此基础上，聚焦实地测试中发现的最为关键的影响因素——高大空间渗透风，利用多种科学方法开展深入的理论研究，探寻其中的基本规律和室内环境控制原则； 在深入认识客观现象和规律的基础上再回归到实际工程中，提出解决问题的方法，并通过示范项目的改造、运行和实测，证实提出的理论和方法。

在前人研究的基础上，刘效辰博士的课题在如下几个方面对交通建筑室内环境营造有了全新的认识： 

(1) 揭示了不同季节交通建筑高大空间的渗透风特征，建立了高大空间渗透风理论模型，指出垂直温度分布是影响高大空间渗透风驱动力的关键因素。

(2) 提出了最小化渗透风量的室内垂直温度分布控制原则，揭示了高大空间空调末端对渗透风的作用机理并给出无量纲关系式，指出辐射地板在供冷和供暖工况均能满足上述原则，可大幅降低渗透风量和空调负荷。

(3) 建立了从阻力和动力两方面出发降低高大空间渗透风量的系统分析方法，为该类建筑的节能设计与运行调控提供重要支撑。

这是一部理论与实践相结合、内容丰富、深入浅出的专著。它可以作为建筑环境与能源应用工程专业研究人员的学术参考读物，也可以为我国交通建筑的节能设计和运行提供借鉴。

更重要的是，这本书正是聚焦国家大规模城镇化建设中不断涌现出的亟待解决的工程问题，真正做到“把论文写在祖国大地上”。面对这样的实际工程问题，建筑环境与能源应用工程专业的学者应该从何处突破？在何处创新？这本书的研究内容正是这类研究工作的一个典型案例。

中国工程院院士清华大学建筑学院教授
2022年春于清华园

本书通过广泛的实测调研揭示了高大空间交通建筑中冬夏季渗透风的特征（包含33座机场航站楼和3座高铁客站），通过深入的理论分析刻画其影响因素和作用机理，提出从阻力和动力两方面出发降低高大空间渗透风量的分析方法，有效应对实际工程中普遍存在的交通建筑高大空间渗透风问题。相关研究成果已应用于西安咸阳机场、青岛胶东机场、成都天府机场等标志性交通建筑。本书适合高校建筑环境与能源应用工程等专业的师生及建筑设计院相关专业人员阅读，也可供相关领域的技术人员及该类建筑的运行管理人员参考。

刘效辰，男，清华大学“水木学者”博士后。2016年本科毕业于清华大学，获工学学士学位与经济学学士学位；2021年博士毕业于清华大学建筑学院，获工学博士学位；2019年至2020年日本东京大学访问学者。主要从事大型交通建筑节能低碳关键技术的理论研究与工程实践，在高大空间热湿环境营造的理论和方法方面积累了丰富经验。博士期间作为骨干人员参与国家重点研发计划、国家自然科学基金项目等，发表SCI期刊论文14篇，中文核心期刊论文5篇等。曾获北京市优秀毕业生、北京市三好学生、清华大学优秀博士论文、全国暖通空调制冷学术年会优秀青年论文奖、国家奖学金、清华大学未来学者奖学金等荣誉奖励。

插图清单
附表清单
第1章概述
1.1研究背景
1.1.1交通建筑的现状与发展
1.1.2交通建筑的建筑特征与能耗状况
1.1.3交通建筑高大空间热湿环境营造存在的问题
1.2文献综述
1.2.1建筑渗透风研究
1.2.2高大空间热湿环境营造研究
1.2.3文献研究总结
1.3研究内容
1.3.1研究内容及技术路线
1.3.2拟解决的关键问题
1.3.3本书研究框架

第2章交通建筑高大空间渗透风现状及其影响
2.1本章引言
2.2交通建筑高大空间渗透风测试计算方法
2.2.1风速测量法
2.2.2示踪气体法
2.2.3CFD模拟法
2.2.4热量平衡校核法
2.3交通建筑高大空间室内环境和渗透风测试
2.3.1测试调研案例
2.3.2高大空间室内环境测试结果
2.3.3高大空间渗透风测试结果
2.3.4高大空间渗透风的特征
2.4小结

第3章热压主导的高大空间渗透风分析
3.1本章引言
3.2理论模型与检验
3.2.1模型建立
3.2.2模型检验
3.2.3与文献中模型的对比
3.3模型计算结果分析
3.3.1室内热分层的影响
3.3.2机械新排风量不等的影响
3.4小结

第4章热压与风压共同作用的高大空间渗透风分析
4.1本章引言
4.2简化计算方法与验证
4.2.1室内理论模型
4.2.2室外CFD模型
4.2.3室内室外CFD模型
4.2.4方法验证
4.3计算结果与分析
4.3.1不同开口位置对风压的影响
4.3.2风压与空调系统共同作用
4.3.3渗透风与自然通风的对比
4.4小结

第5章最小化渗透风量的垂直温度分布控制原则与实现
5.1本章引言
5.2从热压驱动力出发最小化高大空间渗透风量
5.2.1渗透风影响下高大空间室内垂直温度分布
5.2.2垂直温度分布控制原则探讨
5.3单体高大空间内冷热两股流体相互作用下的热分层
5.3.1冬季供暖工况
5.3.2夏季供冷工况
5.4垂直温度分布控制原则的空调末端实现方式
5.4.1模拟算例说明
5.4.2模拟结果分析
5.4.3空调末端与渗透风无量纲热压驱动力CT的关系
5.5小结

第6章高大空间与普通空间的渗透风对比分析
6.1本章引言
6.2理论模型
6.2.1高大空间
6.2.2普通空间
6.2.3关键输入参数对比
6.3渗透风量对比
6.3.1渗透风流通通道的影响
6.3.2空调系统的影响
6.4渗透风造成的影响对比
6.4.1对热负荷的影响
6.4.2对室内CO2浓度的影响
6.5小结

第7章交通建筑高大空间冬季渗透风的应对方法
7.1本章引言
7.2冬季渗透风简化计算方法
7.2.1简化计算方法
7.2.2计算方法验证
7.3降低渗透风量的系统分析框架
7.3.1阻力
7.3.2动力
7.4渗透风应对方法的效果评估
7.4.1降低渗透风量
7.4.2降低空调热负荷
7.5小结

第8章总结与展望

参考文献

附录A交通建筑旅客流动调研及分析方法
A.1概述
A.2停留时间
A.3室内总人数
A.4区域人员密度

附录B交通建筑高大空间室内环境测试方法

附录C单体高大空间交通建筑CFD模型

附录D交通建筑高大空间冬季渗透风简化计算方法
D.1单体空间建筑
D.2二层楼建筑
D.2.1F1层和F2层均为室外空气流入室内
D.2.2F1层为室外空气流入室内而F2层为室内空气流向室外
D.3三层楼建筑
D.3.1B1、F1层和F2层均为室外空气流入室内
D.3.2B1层和F1层为室外空气流入室内而F2层为室内空气流向室外
D.3.3B1层为室外空气流入室内而F1层和F2层为室内空气流向室外

在学期间完成的相关学术成果

致谢

本书通过广泛的实测调研揭示了高大空间交通建筑中冬夏季渗透风的特征（包含33座机场航站楼和3座高铁客站），通过深入的理论分析刻画其影响因素和作用机理，提出从阻力和动力两方面出发降低高大空间渗透风量的分析方法，有效应对实际工程中普遍存在的交通建筑高大空间渗透风问题。相关研究成果已应用于西安咸阳机场、青岛胶东机场、成都天府机场等标志性交通建筑。本书适合高校建筑环境与能源应用工程等专业的师生及建筑设计院相关专业人员阅读，也可供相关领域的技术人员及该类建筑的运行管理人员参考。

刘效辰，男，清华大学“水木学者”博士后。2016年本科毕业于清华大学，获工学学士学位与经济学学士学位；2021年博士毕业于清华大学建筑学院，获工学博士学位；2019年至2020年日本东京大学访问学者。主要从事大型交通建筑节能低碳关键技术的理论研究与工程实践，在高大空间热湿环境营造的理论和方法方面积累了丰富经验。博士期间作为骨干人员参与国家重点研发计划、国家自然科学基金项目等，发表SCI期刊论文14篇，中文核心期刊论文5篇等。曾获北京市优秀毕业生、北京市三好学生、清华大学优秀博士论文、全国暖通空调制冷学术年会优秀青年论文奖、国家奖学金、清华大学未来学者奖学金等荣誉奖励。