幾種典型建筑構(gòu)造的自然通風(fēng)特性數(shù)值分析研究

李文杰 （ 天津生態(tài)城綠色建筑研究院有限公司，天津 300001）

幾種典型建筑構(gòu)造的自然通風(fēng)特性數(shù)值分析研究

Numerical Analysis on Natural Ventilation in Several Typical Building System

李文杰 （ 天津生態(tài)城綠色建筑研究院有限公司，天津 300001）

過渡季的建筑自然通風(fēng)可以有效節(jié)約運行能耗，改進室內(nèi)環(huán)境。建筑中的中庭、內(nèi)庭院等構(gòu)造方式，不僅使得建筑平面布局更加靈活多變，更能增強建筑的自然通風(fēng)效果。以 3 個典型建筑為例，通過數(shù)值模擬的方法，分析中庭、內(nèi)庭院幾種構(gòu)造形式的自然通風(fēng)特性，比較其通風(fēng)效果及適用條件，為建筑方案設(shè)計提供了參考。

自然通風(fēng)；中庭；數(shù)值模擬；內(nèi)庭院

自然通風(fēng)是指依靠室外風(fēng)力造成的風(fēng)壓和室內(nèi)外空氣溫度差造成的熱壓，在不依賴機械設(shè)備的情況下，促使空氣自然流動的通風(fēng)形式。自然通風(fēng)能夠排出室內(nèi)污濁空氣，將室外的新鮮空氣帶入室內(nèi)，同時不依賴機械設(shè)備，減少了電能的消耗。因此，在過渡季節(jié)能有效進行自然通風(fēng)的建筑，可以大大減少運營成本，并改善室內(nèi)使用人員的舒適度和使用感受。良好的建筑通風(fēng)，是降低制冷能耗的重要手段，也是最自然的節(jié)能措施[1]。

建筑的自然通風(fēng)分為熱壓和風(fēng)壓兩種。熱壓自然通風(fēng)主要與建筑在垂直方向上的形體結(jié)構(gòu)相關(guān)，例如中庭、風(fēng)塔、風(fēng)帽都可以促進熱壓自然通風(fēng)。風(fēng)壓自然通風(fēng)和建筑的平面布局、建筑的外窗可開啟扇數(shù)量、朝向相關(guān)性較大，同時也和內(nèi)部門窗布置有關(guān)[2]。

“庭院空間”定義為“由建筑物圍成并具有一定景象的空間，用以作為人們室內(nèi)活動場地的擴大與補充，并有組織地完善與自然空間的過渡”[3]。按中國的傳統(tǒng)觀念，庭是指堂前屋后之空地，院是指圍合而成的活動空間。建筑的中庭是指建筑內(nèi)的庭院空間，而內(nèi)庭院是指建筑內(nèi)部圍合而成的庭院。兩者的區(qū)別在于，前者位于建筑內(nèi)部，頂部為天窗或屋頂；后者位于建筑外部，由建筑外墻合圍而成。

由于涉及到建筑造型的變化，風(fēng)塔、風(fēng)帽的實際應(yīng)用受到一定的限制，中庭成為了利用熱壓自然通風(fēng)的常見構(gòu)造之一。由于熱壓作用在垂直平面上，中庭的熱壓通風(fēng)效果和頂部開啟形式有較大關(guān)聯(lián)。同時，建筑內(nèi)部合圍而成的建筑內(nèi)庭院也能促進自然通風(fēng)，其效果和內(nèi)庭院的是否封閉有較大關(guān)聯(lián)。綜上所述，本文選取典型項目，著重分析以下 4 種構(gòu)造：① 頂部不可開啟中庭；② 頂部可開啟中庭；③ 內(nèi)庭院；④ 半封閉內(nèi)庭院。

1 技術(shù)路線

1.1 熱壓通風(fēng)原理

進入建筑內(nèi)的空氣，溫度升高，密度變小，形成壓差促使空氣流動。熱壓自然通風(fēng)的熱壓值可用式(1)表示：

式中：ΔPs——熱壓壓差，Pa；

h——進排風(fēng)口中心線的垂直距離，m；

g——重力加速度，kg/m2s；

ρe,ρi——室內(nèi)外空氣密度，kg/m3。

由此可見，建筑物進、排氣口的高度差及室內(nèi)外空氣的密度差是形成熱壓必不可少的條件。

1.2 風(fēng)壓通風(fēng)原理

風(fēng)壓通風(fēng)就是利用建筑的迎風(fēng)面和背風(fēng)面之間的壓力差實現(xiàn)空氣的流通。壓力差的大小和建筑形式、周圍環(huán)境及建筑與風(fēng)的夾角有關(guān)。同時，風(fēng)壓通風(fēng)的效果也受到建筑開窗大小、平面布局的影響。風(fēng)壓自然通風(fēng)的壓差可以用下式表示[4]：

式中：ΔPw——風(fēng)壓，Pa；

k——空氣動力系數(shù)；

ρ——空氣密度，kg/m3；

υ——空氣速度，m/s。

1.3 數(shù)值模擬方法

采用有限體積法對過渡季節(jié)各建筑自然通風(fēng)狀況進行模擬，采用三維湍流非穩(wěn)態(tài)模型。室內(nèi)空氣流動采用以下假設(shè)：① 室內(nèi)空氣低速流動，看作不可壓縮流體，符合Boussinesq 假設(shè)；② 假設(shè)空氣只從送風(fēng)口進，從回風(fēng)口出，不考慮回流和門窗漏氣的情況；③ 不考慮人為的門窗開關(guān)造成的影響；④ 湍流符合 k-ε 假設(shè)；⑤ 不考慮人員活動較少、大多數(shù)時候為封閉的房間,如機房、設(shè)備間、電梯間的通風(fēng)情況。那么，數(shù)值模擬應(yīng)滿足以下控制方程。

(1) 連續(xù)性方程：

式中：ui分別為 i 3 個方向上的速度。

(2) 動量方程

式中：ρ——流體密度；

P——靜壓；

ιij——應(yīng)力張量；

gi—— i 方向的體積力。

(3) 能量方程見下：

式中：E——流體內(nèi)能；

λ——流體的導(dǎo)熱系數(shù)；

pdivU——表面力對流體微元體所做功；

Φ——由于粘性作用機械能轉(zhuǎn)化為熱能的部分，稱為耗散系統(tǒng)。

(4) 標(biāo)準(zhǔn) k-ε 方程

其中，G1取 1.44，G2取 1.92，G3取 0.09。

式中：GK——由于平均速度梯度引起的湍動能的產(chǎn)生；

Gb——由于氣流影響引起的湍動能產(chǎn)生；

YM——可壓縮湍流脈動膨脹對總的擴散率的影響。

1.4 典型項目選取及參數(shù)確定

本文對以下 4 種建筑構(gòu)造進行模擬分析：① 頂部不可開啟中庭；② 頂部可開啟中庭；③ 內(nèi)庭院；④ 半封閉內(nèi)庭院。因此，對于每種構(gòu)造，選取典型的建筑進行模擬分析。最終選取的項目情況如下：項目 1：某 4 層辦公建筑，建筑面積 1.29 萬 m2，其中設(shè)有中庭，分別模擬天窗開啟和不開啟的情況。項目 2：某 6 層辦公建筑，建筑面積 2.46萬 m2，中間為封閉式內(nèi)庭院構(gòu)造。項目 3：某 3 層宿舍建筑，建筑面積 0.92 萬 m2，中間為半封閉式內(nèi)庭院構(gòu)造。各項目平面圖見圖 1～3。

圖1 項目1 平臺圖

圖2 項目2 平臺圖

圖3 項目3平臺圖

2 模擬結(jié)果及分析

2.1 頂部不可開啟中庭自然通風(fēng)模擬分析

對項目 1 天窗未開啟的情況進行模擬，選取其 1 層和4 層 1.5 m 高處的平面氣流組織圖見圖 4。

圖4 項目 1 天窗不開啟情況下過渡季自然通風(fēng)氣流組織圖

在以上模擬結(jié)果中可見，空氣由 1 層外窗進入，由 4層外窗排出。可知，這種情況下，在過渡季節(jié)，室外空氣由1 層外窗進入室內(nèi)，受到室內(nèi)設(shè)備、人員散熱的影響，溫度升高，密度降低，形成熱壓壓差。隨后由中庭上升，并經(jīng)過4 層的外窗排出。

根據(jù)豎直剖面溫度云圖(圖 5)，可見熱空氣由中庭上升后，經(jīng)過 4 層的外窗排出，溫度最高、最為污濁的空氣積累在 4 層的靠近外窗的位置。

圖5 項目 1 天窗不開啟情況下過渡季自然通風(fēng)溫度云圖

2.2 頂部可開啟中庭自然通風(fēng)模擬分析

對項目 1 天窗未開啟的情況進行模擬，選取其 1 層和4 層 1.5 m 高處的平面氣流組織圖(圖 6)。

圖6 項目1天窗開啟情況下過渡季自然通風(fēng)氣流組織圖

從以上模擬結(jié)果中可見，當(dāng)天窗開啟時，1 層和 4 層外窗均有空氣進入，而從天窗排出。同時，相比天窗未開啟的情況，1 層進入的空氣量有所增加。在這樣的情況下，4 層的空氣質(zhì)量有所改善。根據(jù)豎直剖面溫度云圖可見，在天窗開啟時，上升氣流不再經(jīng)由 4 層外窗排出，3、4 層的空氣質(zhì)量有所改善。

2.3 內(nèi)庭院自然通風(fēng)模擬分析

對于有內(nèi)庭院的項目，其內(nèi)庭院位于建筑外墻之外，因此不受建筑內(nèi)人員、設(shè)備散熱的影響，較難形成熱壓通風(fēng)。但在自然通風(fēng)條件下，建筑迎風(fēng)面形成正壓，背風(fēng)面形成負(fù)壓，空氣實際上由迎風(fēng)一側(cè)經(jīng)內(nèi)庭院輸送到背風(fēng)一側(cè)。

2.4 半封閉內(nèi)庭院自然通風(fēng)模擬分析

對于內(nèi)庭院為半封閉的項目 3，其內(nèi)庭院側(cè)外窗的表面風(fēng)壓受室外場地風(fēng)環(huán)境影響較大，當(dāng)內(nèi)庭院的開口側(cè)正對室外風(fēng)方向時，內(nèi)庭院外窗成為室內(nèi)空氣入口，而其他外窗成為了空氣出口。

2.5 綜合比較分析

綜上所述，以上幾種建筑構(gòu)造的自然通風(fēng)狀況可用圖 7表示。

圖7 幾種不同構(gòu)造的自然通風(fēng)狀況示意圖

由此可知：(1) 中庭雖然有利于建筑自然通風(fēng)，但在沒有可開啟天窗的情況下，污濁空氣由較高樓層的外窗排出，實際上影響了較高樓層外窗側(cè)空間的空氣品質(zhì)。因此，在有條件的情況下，設(shè)置可開啟天窗可以有效改善自然通風(fēng)狀況。

(2) 建筑內(nèi)庭院的形式雖然比較大進深的布局更能促進自然通風(fēng)，但根據(jù)壓差來模擬，庭院內(nèi)的空氣還是會再次進入建筑內(nèi)部，實際上影響了下風(fēng)向側(cè)建筑空間的空氣品質(zhì)。半封閉式的內(nèi)庭院布局在這個問題上相對純封閉的內(nèi)庭院布局有一定改善。

3 結(jié) 語

自然通風(fēng)對降低公共建筑能耗至關(guān)重要。本文運用數(shù)值模擬方法，對中庭、內(nèi)庭院布局的自然通風(fēng)特性進行了分析，為建筑設(shè)計提供了一定的參考。

[1]薛志峰,楊秀,江億.超低能耗建筑技術(shù)及其應(yīng)用[M] .北京:中國建筑工業(yè)出版社,2005.

[2]李文杰.天津某公共建筑室內(nèi)自然通風(fēng)模擬優(yōu)化研究[J] .綠色建筑,2013,3(5):25-27.

[3]肖劍.小議庭院空間[J].山西建筑,2001,27(8):24-25.

[4]郭春梅,陳旭東. CFD技術(shù)在綠色建筑自然通風(fēng)設(shè)計中的應(yīng)用[J].潔凈與空調(diào)技術(shù),2012,6(2):5-8.

TU50

A

1674-814X(2017)02-0051-04

中新天津生態(tài)城中新科技合作計劃課題：“室內(nèi)通風(fēng)凈化系統(tǒng)(PM2.5)關(guān)鍵技術(shù)研究”

2016-12-25

李文杰，現(xiàn)供職于天津生態(tài)城綠色建筑研究院有限公司。作者通信地址：天津市濱海新區(qū)生態(tài)城科技園低碳體驗中心二樓，郵編：300001。