浙中傳統(tǒng)民居自然通風實測及數值模擬分析

李崢嶸 李曉彬 趙群

1同濟大學機械與能源工程學院

2同濟大學建筑城市規(guī)劃學院

1 研究對象介紹

以浙江省建德市大慈巖鎮(zhèn)新葉村的雙美堂為研究對象，建筑總高度6.3m，地上兩層，中庭從地上一層開始，貫通整個建筑，雙美堂分別于前廳中央與后廳東側設置兩個與室外相連通的天井，以獲得良好的通風采光效果。

2 實測數據分析

2.1 測試儀器

本次測試采用多功能測量儀和多參數測試儀等風速測量儀器分別在白天和夜間于天井，外門和通道等處布置測點測量風速的大小，并采用煙氣飄零和繩索懸掛的方法來確定室內風向，最終結合當地氣象條件和被測試對象建造的格局，得出了此次測量對象中白天和夜晚室內氣流的走向。測試所用儀器的具體參數見表1。

表1 測試參數及使用儀器

2.2 測試方案

本次測試主要是研究天井式傳統(tǒng)民居中的通風效果，挑選了夏季正常天氣情況下的某一白天和晚上對其進行了測量，在主要進出口及天井處布置測點，測點的水平位置見圖1，所有測點垂直高度均為1.5m。

圖1 雙美堂底層平面風速水平測點布置圖

2.3 結果分析

由于儀器數量和人員的限制，在對雙美堂進行通風測試時，無法在各測點同時配備人員與儀器，所以只能在不同時間段對各測點進行分別測量，圖2和圖3分別是白天與夜間對測點1和測點8的風量統(tǒng)計。

圖2 白天測點1與測點8通風量

圖3 夜間測點1與測點8通風量

新葉村由于地理形勢，白天主要刮北風。分析數據初步可得：白天在風壓作用下，雙美堂前庭的前院大門主要為進風口，其中一部分風量通過前廳天井流向室外，剩余一部分流過連接兩廳的通道進入后廳，而在實測過程中，由于廚房門一直處于關閉狀態(tài)，導致整個后庭氣流非常微弱，儀器無法獲得精確的風速及風向。夜間由于前院大門和后院大門均處于進風狀態(tài)，所以可以初步判斷是由于溫差和高差原因導致的熱空氣不斷上升，而兩側的冷空氣就通過沿廊，向天井不斷補充，形成冷熱空氣的溫差對流。由于通過實測無法確定風壓和熱壓的主導作用，所以借助CFD軟件對其進行深入分析。

3 數值計算及分析

3.1 CFD模型

由于本次研究主要是針對雙美堂地上一層的自然通風效果，所以根據實際建筑的格局在建立模型的時候進行了適當的簡化，由于不涉及東西兩廂房、南北兩廂房以及地上二層的室內氣流走向，所以在CFD模型中統(tǒng)一將不相關的空間略去，最終根據測繪圖紙將模型簡化如圖4所示。

圖4 CFD簡化模型

3.2 數值模擬計算

建筑物外表面風壓的大小和分布是室內通風數值模擬不可缺少的資料，由于迄今尚未見到比較系統(tǒng)的反映建筑物外表面風壓分布規(guī)律的研究成果，因此筆者采用數值模擬的方法研究不同風速、風向下的流場和壓力場，從而求出不同工況下的風壓分布規(guī)律，并把研究的結果作為下一步數值計算的邊界條件[1]。

圖5 熱壓引起的風速分布矢量圖

夜間熱壓通風模擬，由于白天雙美堂圍護結構通過天井接受太陽的輻射熱，蓄存于圍護結構內部，夜間充當著一個發(fā)熱源的角色，本次模擬統(tǒng)一將熱量平均分配于地面，由于無法測得精準的熱流密度，相應的以恒定的溫度來代替，根據溫濕度計測試數據獲得夜間地面的平均溫度值為303K，室外的平均空氣溫度為301K，模擬結果如圖5和表2所示。

表2 進出風口通風效果

根據模擬結果從定性的角度分析，夜間單憑熱壓通風，氣流組織的大體流向與實際測試相符合，前廳天井由于熱空氣的上升所產生的拔風作用強于后庭的天井，中間過道的風向指向前廳，但是風量與測試獲得的數據卻有一定的差別，分析原因是忽略了風壓的抽吸作用，當室外空氣以沿著與天井平行的軌道流過時，天井口處會形成微量的負壓，這時配合室內熱壓的用，總的壓力效果會有一定程度的加成，室內自然通風的吹風感加強。也有可能是由于整個建筑群落中的相互遮擋作用，改變了原始風向，導致部分空氣流從后院大門吹入雙美堂后廳，給人以比較強烈的吹風感。對比實測數據，在測試時間段內，微弱的室外風速抵消了雙美堂后廳的部分熱壓作用，導致整個后院大門進風量有所降低。

在進行白天風壓作用下室內自然通風模擬時，首先根據測試數據，取測試時間段內正門處的最大風速為1m/s，后院形成微量的負壓，這時忽略熱壓的作用，考慮純風壓下的一個室內氣流走向，結果如圖6和表3所示。

圖6 風壓引起的風速分布矢量圖

表3 進出風口通風效果

對比風壓和熱壓的模擬結果，可以看出在1m/s風速的情況下，后院大門的出風量大于在純熱壓情況下后院大門的進風量，中間過道在兩種壓力的作用情況下氣流走向也截然不同，而且風速一直很小，這也正好驗證了在實測情況下，由于室外風速風向的不固定性，無法正確獲得過道處的風速大小及方向，而且后院大門處的吹風感也一直不是很強。

針對以上的初步分析可以得出，對于雙美堂前廳來說，無論是在風壓還是在熱壓作用情況下，前院大門和前廳天井始終扮演著進風口和出風口的角色，風壓和熱壓的作用力是一個相互疊加的過程，所以無法清晰地判別出是以怎樣的壓力驅動通風為主，只能簡單地通過過道進出風量來描述。而對于雙美堂后廳來說，后院大門在風壓和熱壓分別作用的情況下，相對于室內來說，分別是處于出風和進風的狀態(tài)，風壓和熱壓的作用力相反，所以單單針對后廳來說，可以通過后院大門的進出風狀態(tài)來判別其是以怎樣的壓力驅動通風為主的[2]。

從圖7及表4可以看出，當室外風速達到0.8m/s的時候，雙美堂后院大門的進出風量近似相等，可以說明此時對于雙美堂后廳而言，熱壓和風壓的作用力是相等的。

圖7 風壓引起的風速分布矢量圖

表4 進出風口通風效果

4 結論

本篇論文只針對新葉村雙美堂單幢建筑而言，在實測數據的基礎上，借助CFD軟件分析其室內在熱壓和風壓作用下的自然通風流向，天井作為引風口，起著組織和樞紐的作用。當風速較大，風向正常時，風從前院大門吹向廳堂，進入沿廊，從天井、庭院回歸自然，形成對流。如果夜間風力極為輕微，甚至靜止時，天井與沿廊的引風、出風職能剛好相反。天井處的氣流存在溫差和高差，熱空氣不斷上升，而兩側的冷空氣就通過沿廊，向天井不斷補充，形成冷熱空氣的溫差對流[3]。

由于缺乏整個村落的建筑布局及當地的氣象參數，無法描述雙美堂位于整個建筑群落里時的室內自然通風情況，這也是以后在研究自然通風時需要考慮和關注的一個問題。

[1]謝浩.嶺南民居的自然通風[J].城鎮(zhèn)風貌與建筑設計,2007,(12):58-62

[2]王戰(zhàn)友.自然通風技術在建筑中的應用探析[J].建筑節(jié)能,2007,(7):20-23

[3]林波榮,譚剛.皖南民居夏季熱環(huán)境實測分析[J].清華大學學報,2002,(8):1071-1074