基于CFD的村鎮(zhèn)住宅利用天井自然通風(fēng)研究

錢 杰,姚國(guó)梁,鄭國(guó)鑫,王玨蓉,朱 楠

(1.浙江省建筑設(shè)計(jì)研究院,浙江 杭州 310006；2.教育部深空探測(cè)聯(lián)合研究中心,重慶 400030；3.浙江武弘建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司,浙江 杭州 310030)

基于CFD的村鎮(zhèn)住宅利用天井自然通風(fēng)研究

錢 杰1,2,姚國(guó)梁1,鄭國(guó)鑫1,王玨蓉1,朱 楠3

(1.浙江省建筑設(shè)計(jì)研究院,浙江 杭州 310006；2.教育部深空探測(cè)聯(lián)合研究中心,重慶 400030；3.浙江武弘建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司,浙江 杭州 310030)

通過CFD技術(shù)模擬天井對(duì)一種村鎮(zhèn)住宅的自然通風(fēng)效果。通過模擬不同風(fēng)速、風(fēng)向,其結(jié)果顯示：天井為背風(fēng)面房間的自然通風(fēng)提供有利條件；建筑朝向以及外界風(fēng)向?qū)μ炀耐L(fēng)效果有著較大的影響。同時(shí),結(jié)合杭州氣象條件,通過對(duì)有無導(dǎo)流構(gòu)造的通風(fēng)模擬,可以看出導(dǎo)流構(gòu)造對(duì)于天井通風(fēng)的影響。最后得出,結(jié)合恰當(dāng)?shù)慕ㄖ蛞约斑m當(dāng)?shù)膶?dǎo)流構(gòu)造如老虎窗、一定外形的屋面等,結(jié)合天井,可有效改善住宅的自然通風(fēng)狀況。

天井；自然通風(fēng)；村鎮(zhèn)住宅； CFD

1 概 述

被動(dòng)式建筑節(jié)能技術(shù)具有成本低廉、超低能耗的特點(diǎn),因此是建筑節(jié)能的首選方式。天井作為一種院落空間的組合方式,在浙江[1-2]、廣東[3]、安徽[4]、福建等地區(qū)有著廣泛應(yīng)用,是我國(guó)華東、華南等地區(qū)常用的一種建筑構(gòu)造。國(guó)外學(xué)者[5-6]在其論著中對(duì)天井有所提及。根據(jù)相關(guān)研究,天井具有加強(qiáng)通風(fēng)的效果[4,7-9]。其中,肖毅強(qiáng)教授對(duì)廣州竹筒屋天井空間尺度進(jìn)行分析研究,得出天井尺度變化對(duì)室內(nèi)通風(fēng)影響較大[9]；陳秋菊等認(rèn)為徽州民居豎長(zhǎng)型天井通風(fēng)采光綜合效果最佳[10]；劉江喬認(rèn)為天井內(nèi)外聯(lián)系上下貫通的特性,可使其向上通風(fēng)納氣,向下除污滌穢,充分發(fā)揮出氣候調(diào)節(jié)的作用[11]。本文立足于浙江地區(qū)村鎮(zhèn)住宅,將利用天井通風(fēng)作為研究對(duì)象,依托CFD技術(shù),分析其對(duì)住宅通風(fēng)的規(guī)律和原理。

CFD即計(jì)算流體動(dòng)力學(xué),是近代流體力學(xué)數(shù)值數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)結(jié)合的產(chǎn)物。它以電子計(jì)算機(jī)為工具,應(yīng)用各種離散化的數(shù)學(xué)方法,對(duì)流體力學(xué)的各類問題進(jìn)行數(shù)值實(shí)驗(yàn)、計(jì)算機(jī)模擬和分析研究,以解決各種實(shí)際問題。它是研究和解決風(fēng)環(huán)境問題的一種重要工具。

2 模型與CFD邊界條件

2.1 模型

選用浙江村鎮(zhèn)常見的一種住宅模型,為半坡建筑,總共3層,局部2層,住宅三維模型見圖1，單層平面見圖2。

住宅模型采用南北向,其中南向3層,北向2層,天井位于建筑平面的中部,貫穿1～3層。

2.2 CFD邊界條件

本文采用PHOENICS 2012軟件通風(fēng)模擬計(jì)算,10 m高度風(fēng)速選用3 m/s,因住宅模型東西對(duì)稱,模擬時(shí)風(fēng)向分別采用北風(fēng)(NN)、東北風(fēng)(NE)、東風(fēng)(EE)、東南風(fēng)(ES)和南風(fēng)(SS)5個(gè)。

圖1 住宅三維模型

圖2 住宅單層平面圖

3 計(jì)算結(jié)果

圖3是本次的計(jì)算結(jié)果,依次是北風(fēng)(NN)、東北風(fēng)(NE)、東風(fēng)(EE)、東南風(fēng)(ES)和南風(fēng)(SS)。

其中,當(dāng)刮北風(fēng)(NN)時(shí),氣流由住宅北面的窗穿透建筑與經(jīng)住宅屋頂老虎窗引流向下的氣流匯集在一起,相互抵消,在天井的上部區(qū)域形成局部渦流和相對(duì)靜風(fēng)區(qū)域,其余氣流在天井內(nèi)從上往下透過住宅南部的1層樓梯向南運(yùn)動(dòng)并穿出住宅繼續(xù)向南。

當(dāng)刮東北風(fēng)(NE)時(shí),住宅尤其是天井內(nèi)的氣流與北風(fēng)(NN)時(shí)相似。區(qū)別是,在天井內(nèi),老虎窗導(dǎo)流向下的氣流與由北窗進(jìn)入透過住宅到達(dá)天井的氣流匯流,彼此沖突相互抵消的作用減弱,進(jìn)而匯流向下,通過住宅南部1層樓梯間口向西南方向推進(jìn)。

刮東風(fēng)(EE)時(shí),天井內(nèi)部為相對(duì)靜風(fēng)區(qū)域。天井上方的氣流水平流向西北方向,與天井沒有產(chǎn)生交互。北側(cè)3層房間有氣流進(jìn)入天井,以及建筑西側(cè)有少量氣流流入西側(cè)走廊,天井內(nèi)部的氣流流動(dòng)較少較緩。因此可以得出,該建筑模型的天井在風(fēng)向?yàn)闁|風(fēng)時(shí),基本沒有通風(fēng)效果。

東南風(fēng)(ES)時(shí),來流通過南窗進(jìn)入住宅室內(nèi),由于住宅南面僅有一層樓梯間門洞與天井相連,因此氣流進(jìn)入室內(nèi)后沿墻體向下運(yùn)動(dòng),經(jīng)過一層樓梯間門洞進(jìn)入天井,隨之氣流沿天井向上,與經(jīng)住宅屋頂老虎窗導(dǎo)流躍起的氣流匯合后向西北方向運(yùn)動(dòng)。因?yàn)樘炀畠?nèi)氣流向上形成的負(fù)壓,將住宅南部室內(nèi)氣流牽引進(jìn)天井,在住宅南部室內(nèi)形成與室外氣流相反的運(yùn)動(dòng),從而也促進(jìn)了住宅南部室內(nèi)的通風(fēng)。

南風(fēng)(SS)時(shí)的通風(fēng)效果與東南風(fēng)相似,但是風(fēng)量和風(fēng)速較東南風(fēng)小。因?yàn)閬砹髋c墻體垂直相交,經(jīng)與墻體碰撞方向相反的氣流互相抵消,形成較多的渦流區(qū)域或者靜風(fēng)區(qū)域,從而造成進(jìn)入天井的氣流相對(duì)減少。通風(fēng)效果沒有東南風(fēng)(ES)好。

4 屋面構(gòu)造導(dǎo)流分析

建筑屋面的構(gòu)造形式對(duì)天井內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)有較大的影響,因此對(duì)此作進(jìn)一步分析。以原始住宅模型作為對(duì)比,重新模擬計(jì)算取消老虎窗后的住宅模型的風(fēng)環(huán)境,比較兩者差別。圖4是老虎窗取消后的模擬計(jì)算結(jié)果。

將圖3和圖4比較發(fā)現(xiàn),當(dāng)吹北風(fēng)(NN)時(shí),取消老虎窗后,老虎窗對(duì)由北向南氣流的引入天井作用消失,因此,一部分氣流經(jīng)過住宅北面空間后進(jìn)入天井并向上運(yùn)動(dòng),最后并入屋頂由北向南的氣流,造成由天井向下運(yùn)動(dòng)并通過住宅南面房間的氣流減少,風(fēng)速也略有減弱。當(dāng)吹東北風(fēng)(NE)時(shí),上述的作用更加明顯。

當(dāng)吹東風(fēng)(EE)時(shí),老虎窗和建筑屋頂與氣流基本平行,住宅亦沒有相關(guān)的通風(fēng)口允許氣流穿透,因此,模擬計(jì)算結(jié)果比較紊亂,天井對(duì)于自然通風(fēng)的作用不明顯。

當(dāng)吹東南風(fēng)(ES)時(shí),取消老虎窗之后,由東南向西北方向的氣流首先經(jīng)過住宅南面的區(qū)域,然后經(jīng)過一層的門洞進(jìn)入天井,在天井內(nèi)向上運(yùn)動(dòng)。此時(shí)與掠過住宅屋面,經(jīng)由屋面導(dǎo)流由上向下的氣流匯集,兩者相互抵消后,最終呈現(xiàn)以較弱的速度在天井上方向西北方向運(yùn)動(dòng),天井內(nèi)的氣流方向紊亂,且風(fēng)速低。而有老虎窗的模型,由于老虎窗將屋頂?shù)臍饬饕龑?dǎo)躍起,越過天井向西北方向運(yùn)動(dòng),使天井頂部到老虎窗頂部的水平區(qū)間形成相對(duì)負(fù)壓區(qū),起到抽引天井內(nèi)氣流向上的作用,因此天井內(nèi)氣流方向一致,且風(fēng)速較高。當(dāng)南風(fēng)(SS)時(shí),基本與東南風(fēng)(ES)一致,相對(duì)影響減弱。

圖4 無老虎窗的模擬計(jì)算結(jié)果

5 模擬應(yīng)用分析

將以上模擬計(jì)算結(jié)果作為參考,采用杭州氣象參數(shù),將住宅模型的通風(fēng)效果做模擬計(jì)算。杭州的主要?dú)庀髤?shù)見表1(出自中國(guó)建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集)。

根據(jù)上文論述,朝向?qū)ㄖ淖匀煌L(fēng)狀況有重要影響。因此,根據(jù)杭州的氣象條件,本次計(jì)算模型選用南北朝向(朝向1)和東北—西南朝向(朝向2)兩種。在上文模型中的老虎窗,具有將北風(fēng)引入天井的作用,促進(jìn)自然通風(fēng)。考慮冬季防風(fēng)且杭州冬季主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)楸憋L(fēng),所以在本次模擬計(jì)算中,將老虎窗取消。

圖5為朝向1模擬計(jì)算結(jié)果。

表1 杭州氣象參數(shù)

圖5 朝向1通風(fēng)模擬圖(杭州)

從圖5中春季部分可以看出,天井內(nèi)部呈相對(duì)靜風(fēng)區(qū)域。南南西風(fēng)(SSW)吹過建筑,從天井上方直接流過,并對(duì)天井產(chǎn)生輕微的拔風(fēng)效果。但是拔風(fēng)效果相對(duì)于有老虎窗時(shí)小了很多。3層西側(cè)走廊對(duì)天井有相對(duì)較好的通風(fēng)作用,但是其余部分則基本沒有通風(fēng)。

夏季的主導(dǎo)風(fēng)是東風(fēng),平均風(fēng)速為2.93 m/s。從夏季圖中可以看出,天井內(nèi)部和春季時(shí)相差不大,整體呈現(xiàn)為一個(gè)相對(duì)靜風(fēng)區(qū)域。區(qū)別于春季,天井在夏季有微弱的進(jìn)風(fēng),但影響不大,整體通風(fēng)效果較差。

秋季主導(dǎo)風(fēng)向是北西北風(fēng)(NNW),平均風(fēng)速在2.66 m/s左右。從圖5可以看出,以三層地板為界,天井上下部的氣流方向相反。由透過窗進(jìn)入天井內(nèi)的氣流向上與屋頂?shù)臍饬鲄R合后向北前進(jìn),天井內(nèi)形成向上及較高的風(fēng)速。天井下部則是一個(gè)氣流向下的低風(fēng)速區(qū)域,在靠近南側(cè)天井墻壁的位置氣流流速相對(duì)較大。

因此,朝向1在春季和夏季通風(fēng)效果不佳。

圖6為朝向2模擬計(jì)算結(jié)果,朝向2為東北—西南朝向,即將朝向1旋轉(zhuǎn)-45°。相對(duì)于朝向1,春季天井頂部有較弱的拔風(fēng)效果,但是其效果相對(duì)有老虎窗時(shí)較差。天井其他部分的通風(fēng)效果則仍舊與朝向1相似?？傮w而言,天井在建筑變動(dòng)后的通風(fēng)效果仍舊偏差。

夏季天井的通風(fēng)效果有了一定的提升,尤其是3層的通風(fēng)。從圖6夏季部分中可見,氣流從北部房間涌入天井,然后從天井頂部離開,相對(duì)于朝向1幾近靜風(fēng)狀態(tài)有了較好地改善,天井中下部則改善不大。

秋季天井的通風(fēng)效果,與朝向1相對(duì)比,天井北側(cè)3層的通風(fēng)較強(qiáng),2層的通風(fēng)較弱。而天井對(duì)于兩側(cè)走道的通風(fēng)有較好地改善,其拔風(fēng)效果也有輕微地增強(qiáng)。

圖6 朝向2通風(fēng)模擬圖(杭州)

因此,為了冬季防風(fēng),將老虎窗取消,導(dǎo)致模擬計(jì)算結(jié)果的春季、夏季以及秋季通風(fēng)效果均有不同程度的減弱,所以為了冬季防風(fēng)將老虎窗取消得不償失,冬季的防風(fēng)可通風(fēng)關(guān)閉門窗實(shí)現(xiàn)。另外,當(dāng)建筑旋轉(zhuǎn)22.5°后,其夏季和秋季自然通風(fēng)效果均有所改善,所以通盤考慮全年風(fēng)向,選用合適的建筑朝向有利于建筑的自然通風(fēng)。

6 分 析

對(duì)于一個(gè)村鎮(zhèn)單棟3層住宅,建筑造型和當(dāng)?shù)氐娜觑L(fēng)速、風(fēng)向是決定其自然通風(fēng)狀況好壞的重要因素。同時(shí)建筑的外立面形狀,對(duì)其自然通風(fēng)也有重要影響。另外,天井為室外氣流流入提供了空間,為背風(fēng)面房間的自然通風(fēng)提供了基礎(chǔ)條件。

建筑外立面對(duì)氣流影響的基本規(guī)律如下(圖7)：

1)與來流垂直的墻體起到阻擋氣流的作用,氣流受到墻體阻擋后向上下兩個(gè)方向前進(jìn),且氣流速度降低；

2)與來流成一定角度的墻體能起到改變氣流方向引導(dǎo)氣流的作用；

3)屋面利用貼附原理可以引導(dǎo)氣流向下；

4)天井和老虎窗等結(jié)合,將氣流引入天井并向下,向建筑背風(fēng)面提供新鮮空氣,可以優(yōu)化背風(fēng)面的自然通風(fēng)效果。

本次分析的模型,包括老虎窗、天井以及屋面等對(duì)氣流組織的影響見圖8。

圖7 氣流組織基本規(guī)律

圖8 氣流組織規(guī)律

根據(jù)圖8,有利于通風(fēng)的狀況有b、c、d、f、g、h。其中通風(fēng)狀況最好的是c和g,住宅的前后部分均能良好自然通風(fēng)。只有部分自然通風(fēng)的是b、d、f、h。

其中d和f,均在天井內(nèi)形成方向一致的氣流,d在模型迎風(fēng)面區(qū)域不通風(fēng)的情況下,利用屋面和老虎窗,將室外氣流引入天井內(nèi),并送入背風(fēng)面區(qū)域,促進(jìn)其自然通風(fēng),但是這種情況建筑迎風(fēng)面應(yīng)避免設(shè)置污染物排放,否則會(huì)將污染物送入背風(fēng)區(qū)域；f則是氣流通過模型迎風(fēng)面區(qū)域后,經(jīng)過模型天井老虎窗的拔風(fēng)和導(dǎo)流,從模型背風(fēng)區(qū)域的屋面高度排出,這種情況污染氣體無論放在哪個(gè)部位都合適。

b和h的自然通風(fēng)均較弱。對(duì)于b,通過模型迎風(fēng)區(qū)域的氣流與經(jīng)屋面和老虎窗引導(dǎo)在天井由上往下的氣流匯集在一起,因?yàn)闅饬鞣较蛳喾?在天井內(nèi)形成渦流,且氣流速度慢,長(zhǎng)時(shí)間滯留在天井內(nèi),不利于污染氣體通過天井排放和擴(kuò)散。對(duì)于h,由于老虎窗的拔風(fēng),屋面的引流,背風(fēng)區(qū)域形成一個(gè)自由的內(nèi)循環(huán),一方面促進(jìn)了模型背風(fēng)區(qū)域的自然通風(fēng),另一方面又因?yàn)檠h(huán)作用力弱,且自循環(huán),不利于污染氣體排放。

不利于通風(fēng)的是a和e。兩者的區(qū)別是：對(duì)于a,天井內(nèi)的氣流是由上往下；而對(duì)于e,天井內(nèi)的氣流是由下往上。同樣在冬季有助于防風(fēng),但是e的情況更有利于污染氣體排放。

7 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述,可以得到以下結(jié)論：

1)對(duì)于村鎮(zhèn)多層住宅,在建筑平面的中間部位設(shè)置通風(fēng)天井,有利于背風(fēng)面房間的通風(fēng),尤其是當(dāng)迎風(fēng)面建筑不開窗和門等的時(shí)候,室外空氣無法經(jīng)由穿透迎風(fēng)面房間再進(jìn)入背風(fēng)面房間,通風(fēng)天井可以將室外新鮮空氣引入天井內(nèi)部,并送入背風(fēng)面房間。

2)住宅建筑屋面外形以及老虎窗等構(gòu)造,能起到阻擋或者引導(dǎo)氣流的作用,在設(shè)計(jì)階段應(yīng)充分結(jié)合當(dāng)?shù)貧庀髼l件和建筑自然通風(fēng)需求,選用合適的屋面形狀和構(gòu)造,引導(dǎo)天井內(nèi)氣流方向一致通風(fēng)或者天井底部和頂部氣流方向相反防風(fēng),以達(dá)到過渡季節(jié)和夏季夜晚等部分時(shí)間的通風(fēng)和冬季防風(fēng)。

3)建筑墻體等與來流垂直相交能起到阻擋氣流的作用,而當(dāng)墻體與來流成一定角度(如45°)能起到導(dǎo)流作用,且效果明顯,因此通盤考慮全年風(fēng)向,設(shè)定一定的建筑朝向角有利于建筑自然通風(fēng)。

4)在新建村鎮(zhèn)住宅中,合理設(shè)置通風(fēng)天井,有利于住宅的自然通風(fēng)。

因此,在多層住宅建筑平面中部設(shè)置天井,并科學(xué)合理地設(shè)計(jì)氣流組織,對(duì)房間的自然通風(fēng)有較大作用。

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Study on the Natural Draught Using Courtyard by the Rural Residence Based on CFD

QIANJie1,2,YAOGuoliang1,ZHENGGuoxin1,WANGJuerong1,ZHUNan3

2016-10-25

科技部“十二五”課題,華東村鎮(zhèn)集約綠色小康住宅建造技術(shù)與集成示范(2013BAJ10B05)

錢 杰(1983—),男，浙江寧波人，工程師，從事建筑節(jié)能和人體熱舒適(常重力、微重力)研究。

TU834.1

A

1008-3707(2017)02-0049-07