垂直百葉傾角影響室內(nèi)自然通風(fēng)的模擬分析

王冬梅，張宇娟，查全芳

（安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥230022）

0 引 言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步以及科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，能源過度消耗。能源短缺成為人類關(guān)注的焦點(diǎn)。其中，建筑能耗在全國總能耗中所占的比例日益增加，建筑節(jié)能以及綠色建筑的發(fā)展勢(shì)在必行。自然通風(fēng)作為傳統(tǒng)的通風(fēng)技術(shù)，與機(jī)械通風(fēng)相比具有一定的優(yōu)勢(shì)。

自然通風(fēng)的形成有兩種典型的方式［1］：熱壓通風(fēng)和風(fēng)壓通風(fēng)。如圖1和圖2所示，表達(dá)了兩種自然通風(fēng)的形成原理。通常情況下，室內(nèi)自然通風(fēng)基本上不是由于熱壓或者風(fēng)壓某一種所引起的，而是兩者并存的。

自然通風(fēng)的影響因素有很多，例如風(fēng)速、建筑各面尺寸以及與風(fēng)向間的夾角、通風(fēng)開口位置和開口尺寸等，都會(huì)對(duì)自然通風(fēng)起著導(dǎo)向、加強(qiáng)或阻礙作用。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)自然通風(fēng)的研究也在日益深化。2007年，同濟(jì)大學(xué)湯民對(duì)水平百葉外遮陽條件下室內(nèi)風(fēng)環(huán)境以及舒適性影響進(jìn)行研究，優(yōu)化了百葉參數(shù)［1］。2010年，北方工業(yè)大學(xué)于玉龍運(yùn)用軟件分析方法研究窗口位置對(duì)建筑自然通風(fēng)影響［2］。2013年，雒婉在《辦公建筑自然通風(fēng)條件下室內(nèi)熱環(huán)境模擬與分析》中，推導(dǎo)出室內(nèi)舒適通風(fēng)量，利用Airpak軟件進(jìn)行室內(nèi)氣流組織的模擬，提出室內(nèi)人員辦公位置布局相關(guān)建議［3］。James O.P.Cheung利用CFD軟件模擬技術(shù)分析建筑自然通風(fēng)的相互干擾效應(yīng)，提出建筑物之間的最佳分隔距離是建筑寬度的5倍［4］。Adi－AinurzamanJamaludin等人以Dayasari RC建筑為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，研究不同通風(fēng)方式下溫濕度與自然通風(fēng)效率之間的關(guān)系，提出夜間通風(fēng)效果最佳。因?yàn)檩^低的平均溫度和較高的相對(duì)濕度，并得出通風(fēng)有效性的順序?yàn)椋阂归g通風(fēng)＞白天通風(fēng)＞全日通風(fēng)＞不通風(fēng)［5］?？偨Y(jié)國內(nèi)外學(xué)者的研究，關(guān)于建筑遮陽體系對(duì)自然通風(fēng)影響研究較少，因此，本文著重研究建筑垂直百葉遮陽百葉傾角對(duì)室內(nèi)自然通風(fēng)的影響。

1 垂直百葉遮陽對(duì)室內(nèi)自然通風(fēng)影響模擬

1.1 軟件介紹

英國CHAM公司開發(fā)的PHOENICS是模擬流動(dòng)、傳熱、燃燒過程等的通用CFD軟件，有30多年的歷史［6］。網(wǎng)格系統(tǒng)包含：圓柱、直角、曲面、多重網(wǎng)格、精密網(wǎng)格。PHOENICS包含22種流體模型，其中有多流體湍流模型、雷諾應(yīng)力模型、通量模型及k－ε模型的各種變異。本次模擬是運(yùn)用其中的FLAIR模塊，采用其中的k－ε湍流模型。動(dòng)量方程中密度的變化采用Boussinesq假設(shè)處理，滿足下式：

式中，β為膨脹系數(shù)。

1.2 模型簡介

本文設(shè)置的模型為一個(gè)典型的辦公室建筑，建筑朝向?yàn)槟媳毕?，尺寸?.0m×4.0m×3.6m。北墻有一個(gè)門M（尺寸：1.0m×2.1m），南墻有兩個(gè)窗C1、C2（尺寸：1.5m×1.8m），窗臺(tái)高度1.1m。窗墻比為0.25，窗地比為0.225。如圖3（a）為辦公室房間布局示意圖，圖3（b）為三維示意圖。室內(nèi)包含一張辦公桌，三張辦公椅，一個(gè)沙發(fā)，一個(gè)書柜，兩個(gè)茶幾，兩個(gè)盆栽。如圖4（a）所示，為辦公室建筑南立面圖，4（b）為窗尺寸圖。

1.3 邊界條件與工況

根據(jù)實(shí)際氣象條件，將來流風(fēng)速設(shè)置為2.8m／s，風(fēng)向?yàn)闁|偏南45°，迎風(fēng)面以及建筑物側(cè)面風(fēng)壓為＋1.2Pa，背風(fēng)面風(fēng)壓為－1.2Pa。為了很好的觀測(cè)室內(nèi)風(fēng)環(huán)境對(duì)人體舒適性滿足情況，將監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置在辦公桌處，坐標(biāo)為（x＝7m，y＝3.5m，z＝1.2m）?？傆?jì)算網(wǎng)格數(shù)為100×100×60，房間內(nèi)部總網(wǎng)格數(shù)為80×80×40，網(wǎng)格設(shè)置如圖5所示。計(jì)算迭代步數(shù)為2000。工況設(shè)置如表1所示。

表1 工況設(shè)置

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 室內(nèi)氣流組織分析

通過對(duì)表1中十一種工況的模擬，由其風(fēng)速矢量圖可以看出，對(duì)于本文中設(shè)置的辦公室布局，以及在設(shè)置的邊界條件下，在百葉傾角從15°～165°區(qū)間變化時(shí)，房間內(nèi)都有局部渦流存在。設(shè)置的風(fēng)向固定為東偏南45°，規(guī)定風(fēng)向與百葉傾角θ之間的夾角為θ′，并規(guī)定θ＜45°時(shí)，θ′為負(fù)，因此統(tǒng)計(jì)十一種工況的θ′值如表2所示。

表2 θ′值

由計(jì)算結(jié)果可得，當(dāng)θ′為負(fù)值時(shí)，室內(nèi)氣流均出現(xiàn)3個(gè)渦流區(qū)，且隨著θ′的增大，第三個(gè)渦流區(qū)就越明顯，如圖6所示。其中，右上角為一個(gè)大的渦流區(qū)，區(qū)域面積約為整個(gè)房間面積的三分之一。左下方有兩個(gè)渦流區(qū)，總面積也大約為整個(gè)房間面積的三分之一。中間部分為穿堂風(fēng)經(jīng)過區(qū)域，來流風(fēng)主要從C2窗進(jìn)入室內(nèi)，由于百葉對(duì)氣流的導(dǎo)向和阻擋作用，我們從圖中可以看到，氣流又從C1窗口流向室外，此時(shí)，門和C1窗都變成了出風(fēng)口。另外，隨著θ′逐漸增大且趨于零時(shí)，室內(nèi)穿堂風(fēng)區(qū)域隨之變大，室內(nèi)左下方渦流增強(qiáng)。

當(dāng)θ′＝0°時(shí)，即百葉傾角為45°時(shí)，來流風(fēng)向與百葉傾角一致，室內(nèi)氣流環(huán)境出現(xiàn)明顯的變化。如圖7所示，此時(shí)，C1窗口有部分氣流是從室外進(jìn)入室內(nèi)，左下方區(qū)域的兩個(gè)渦流區(qū)變?yōu)橐粋€(gè)大的渦流區(qū)，右上方渦流區(qū)域面積呈增大趨勢(shì)。我們可以看到，C1窗口的出風(fēng)量減少，室內(nèi)氣流方向基本是與來流風(fēng)向一致。左下方的渦流區(qū)1和渦流區(qū)2形成一個(gè)新的渦流區(qū)，并且此時(shí)新的渦流區(qū)域較小，室內(nèi)整體氣流較均勻。

當(dāng)θ′值為正時(shí)，室內(nèi)氣流分為左下角、右上角及中間三部分，如圖8所示。工況1與工況4中相同，工況2與工況5的也相同。對(duì)比工況1、4和工況2、5的氣流組織圖，工況4、5的室內(nèi)氣流都比工況1、2均勻。中間部分氣流方向與來流風(fēng)向一致，形成很好的“穿堂風(fēng)”，左下角與右上角部分均為渦流區(qū)。

當(dāng)θ′＝45°時(shí)，左下角渦流消失，與中間部分的穿堂風(fēng)風(fēng)向一致，使得室內(nèi)氣流均勻性增大，如圖9所示。

2.2 室內(nèi)風(fēng)速分析

采集計(jì)算結(jié)果監(jiān)測(cè)點(diǎn)顯示的值，如表3，隨著百葉傾角與風(fēng)向之間夾角θ′的變化，室內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速呈波動(dòng)變化。在所研究的十一個(gè)工況中，風(fēng)速v總共出現(xiàn)四個(gè)波峰、三個(gè)波谷，如圖10所示。觀察整個(gè)曲線，當(dāng)θ′＝－15°時(shí)，v（x＝7，y＝3.5，z＝1.2）達(dá)到最大值2.09m／s。整個(gè)曲線走勢(shì)中，第三個(gè)波峰點(diǎn)為異常點(diǎn)，除去該點(diǎn)（θ′＝75°），其他三個(gè)波峰點(diǎn)隨著θ′的增大而減小，而波谷的值卻隨著θ′的值增大而增大；分段觀察整個(gè)曲線，在θ′＜0°曲線段內(nèi)，vmax＝2.09m／s，vmin＝1.18m／s；在θ′＞0°曲線段內(nèi)，vmax＝1.94m／s，vmin＝0.39m／s。

表3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)值

如圖11中空氣齡隨θ′變化曲線，與風(fēng)速變化曲線相反，間接表明風(fēng)速隨θ′變化的性質(zhì)。圖10反映的是辦公室內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速變化，即反映的是辦公人員辦公位置的風(fēng)速情況。根據(jù)人體對(duì)室內(nèi)環(huán)境舒適性的要求，人體舒適風(fēng)速大約在0.3m／s。冬季可以適當(dāng)降低風(fēng)速，夏季可以適當(dāng)提高風(fēng)速，以此來滿足人們對(duì)室內(nèi)舒適性的要求。從該模擬當(dāng)中監(jiān)測(cè)點(diǎn)風(fēng)速值來看，當(dāng)θ′＞0°時(shí)，θ′每變化30°，監(jiān)測(cè)點(diǎn)風(fēng)速值約相同，即當(dāng)θ′＝15°，30°，60°，75°，90°，120°這些值時(shí)，風(fēng)速都約為0.3m／s。

為了進(jìn)一步研究監(jiān)測(cè)點(diǎn)風(fēng)速v（x＝7，y＝3.5，z＝1.2）的變化規(guī)律，我們將在室內(nèi)布置其他5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。我們將辦公桌位置定義為監(jiān)測(cè)點(diǎn)1，其他5個(gè)分別為監(jiān)測(cè)點(diǎn)1～5。它們各自的位置如下圖12所示。它們的坐標(biāo)分別為：監(jiān)測(cè)點(diǎn)2（x＝4，y＝3.5，z＝1.2），監(jiān)測(cè)點(diǎn)3（x＝5，y＝3.5，z＝1.2），監(jiān)測(cè)點(diǎn)4（x＝6，y＝3.5，z＝1.2），監(jiān)測(cè)點(diǎn)5（x＝3.2，y＝6，z＝1.2）。其中，監(jiān)測(cè)點(diǎn)5位于出風(fēng)口位置。監(jiān)測(cè)點(diǎn)2～監(jiān)測(cè)點(diǎn)5處的風(fēng)速值如表4。

表4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)2、3、4、5的風(fēng)速

根據(jù)以上四個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速值可以看出，在十一種工況下，隨著百葉傾角的增大，4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速值都是呈波形變化，且變化趨勢(shì)基本一致。在圖13中，當(dāng)θ′＝－15°，15°時(shí)，v監(jiān)測(cè)點(diǎn)2基本相同；當(dāng)θ′＝30°，60°，90°時(shí)，v監(jiān)測(cè)點(diǎn)2也基本相同。在圖14中，θ′＝－15°，15°，45°，105°時(shí)，v監(jiān)測(cè)點(diǎn)3相同；θ′＝0°，30°，60°，時(shí)v監(jiān)測(cè)點(diǎn)3基本相同。同樣的情況，在圖15與圖16當(dāng)中，我們可以看到，v監(jiān)測(cè)點(diǎn)4（θ′＝－15°，15°，45°）≈3.8m／s，v監(jiān)測(cè)點(diǎn)5（θ′＝－15°，15°，45°，105°）≈3.45m／s，v監(jiān)測(cè)點(diǎn)5（θ′＝0°，30°）≈3.16m／s，v監(jiān)測(cè)點(diǎn)5（θ′＝60°，90°）≈3.00m／s。這四個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)在11種工況下的風(fēng)速值所呈現(xiàn)的規(guī)律與監(jiān)測(cè)點(diǎn)1的規(guī)律基本一致，反映了隨著百葉傾角的變化，百葉傾角與來流風(fēng)風(fēng)向之間的夾角跟著變化，而室內(nèi)環(huán)境當(dāng)中各點(diǎn)的風(fēng)速值呈波動(dòng)變化。

3 結(jié) 論

（1）當(dāng)θ′＜0°時(shí)，百葉傾角越接近來流風(fēng)向，室內(nèi)氣流越均勻；

（2）隨著θ′的增大，室內(nèi)風(fēng)速呈波形變化，且最大風(fēng)速值與最小風(fēng)速值越來越接近。

（3）當(dāng)θ′＞0°時(shí)，隨著θ′的增大，室內(nèi)較大風(fēng)速區(qū)域面積逐漸減小、較小風(fēng)速區(qū)域面積逐漸增加；當(dāng)θ′＝45°時(shí)，室內(nèi)渦流區(qū)域面積最小。

1 湯民.百葉外遮陽對(duì)建筑自然通風(fēng)影響的研究［D］.上海：同濟(jì)大學(xué)，2007.

2 于玉龍.公共建筑大空間自然通風(fēng)氣流的探討［D］..北京：北方工業(yè)大學(xué)，2010.

3 雒婉.辦公建筑自然通風(fēng)條件下室內(nèi)熱環(huán)境模擬與分析［D］.山東：山東建筑大學(xué)，2013.

4 James O.P.Cheung；Chun－Ho Liu.CFD simulations of natural ventilation behaviour in high－rise buildings in regularand staggered arrangements at various spacings［J］.Energy and Buildings，2011 （43） ：1149-1158.

5 AdiAinurzamanJamaludin； HazreenaHussein； Ati Rosemary MohdAriffin；NilaKeumala.A study on different natural ventilation approaches at a residentialcollege building with the internal courtyard arrangement［J］.Energy and Buildings，2010（72）：340－352.

6 楊暉.綠色建筑中的自然通風(fēng)［J］.節(jié)能與環(huán)保，2003（5）：36－40.