過渡季室內(nèi)自然通風(fēng)模擬分析與評價
——以合肥地區(qū)高層住宅為例

黃小萍，柯瑞 （安徽省城建設(shè)計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230051）

1 引言

近年來，隨著我國城鎮(zhèn)化步伐不斷加快，城市中高層住宅成為人們居住的主要場所。高層住宅室內(nèi)熱濕環(huán)境及舒適度的優(yōu)劣直接影響到人們的居住體驗。夏熱冬冷地區(qū)主要包含長江下游及其周邊地區(qū)，該區(qū)域人口密度大，經(jīng)濟發(fā)達，人們對居住環(huán)境的要求也相對較高[1]。夏熱冬冷地區(qū)夏季高溫高濕，冬季低溫干燥，大部分住宅安裝了分體式空調(diào)夏季防暑降溫，冬季抗寒取暖；而過渡季溫濕度適宜，安裝了分體式空調(diào)的住宅在過渡季普遍采用開窗通風(fēng)的方式來調(diào)節(jié)室內(nèi)環(huán)境[2]。自然通風(fēng)是利用建筑物的門、窗處存在的空氣壓力差，引入室外新鮮空氣，改善室內(nèi)熱濕環(huán)境，提高室內(nèi)舒適度，減少住宅空調(diào)的使用[3]。本文以合肥地區(qū)為例，通過PHOENICS軟件，對過渡季主導(dǎo)風(fēng)向下不同高層住宅室內(nèi)自然通風(fēng)情況進行數(shù)值模擬，分析比較了不同住宅戶型室內(nèi)自然通風(fēng)情況。

2 研究對象

本文研究對象為合肥某小區(qū)高層住宅的標(biāo)準(zhǔn)層，包含A、B、C三個戶型，如圖1所示。各戶型正南朝向，為市面上常見的高層戶型。其中邊戶A、C戶型南北外墻均有開窗，室內(nèi)可形成貫穿南北的空氣通路；中間戶B戶型，僅南側(cè)外墻有開窗，無法形成貫穿建筑室內(nèi)的空氣通路。

圖1 某高層住宅的標(biāo)準(zhǔn)層

3 數(shù)值模擬

自然通風(fēng)的研究方法主要有風(fēng)洞試驗、現(xiàn)場實測和計算流體力學(xué)(CFD)模擬方法[4]。CFD方法以其方便操作、結(jié)果準(zhǔn)確、成本低廉等優(yōu)點，得到了廣泛的應(yīng)用，本文采用PHOENICS軟件推出的FLAIR模塊用于高層住宅室內(nèi)自然通風(fēng)的數(shù)值模擬分析。

3.1 物理模型及邊界條件

物理模型處理成室外和室內(nèi)兩部分，如圖1、圖2所示。室內(nèi)模型建立時對樓梯間、前室等公共部位進行填充，各戶型入戶門關(guān)閉。室外模型建立時將所研究建筑處理成樓體含室內(nèi)模型，室內(nèi)模型位于樓體的首層，再將該建筑置于住區(qū)模型中。數(shù)值模擬計算過程中，室外氣流通過窗戶進入室內(nèi)，可以較為準(zhǔn)確地模擬實際建筑自然通風(fēng)時進出口狀況。

入口邊界條件采用速度入口邊界條件，出口邊界條件定義為自由出流，其他邊界條件均定義為無滑移的壁面條件。采用標(biāo)準(zhǔn)的K～ε湍流模型進行模擬[5]。

圖2 室內(nèi)模型

圖3 室外模型

3.2 模擬參數(shù)

合肥市風(fēng)環(huán)境條件

合肥市位于夏熱冬冷地區(qū)，常年盛行風(fēng)為東北到南向風(fēng)，其年平均風(fēng)速為2.35m/s。由于合肥地區(qū)過渡季節(jié)室外風(fēng)頻在南到東風(fēng)向范圍較高，故研究的室外風(fēng)向為S、E風(fēng)向，具體參數(shù)詳見上表。

4 結(jié)果分析

本文以合肥地區(qū)為例，模擬分析春季和秋季主導(dǎo)風(fēng)向下不同高層住宅戶型室內(nèi)自然通風(fēng)情況。距地面1.0m是考慮人在室內(nèi)靜坐狀態(tài)下所對應(yīng)的呼吸高度，本文選取室內(nèi)1.0m高度處的氣流速度和空氣齡兩個指標(biāo)，分析在風(fēng)壓作用下，住宅各戶型室內(nèi)各房間的通風(fēng)換氣情況，以及整體的通風(fēng)效果[6]。

4.1 不同住宅戶型室內(nèi)氣流速度分析

如圖4、圖5所示分別為過渡S風(fēng)向和E風(fēng)向條件下A、B、C三個戶型室內(nèi)1.0m高度處風(fēng)速分布矢量圖、云圖。風(fēng)速矢量圖和云圖可展示氣流組織的走向和流場中的風(fēng)速分布情況。S風(fēng)向條件下，A、C戶型陽臺、客廳、餐廳呈南北直線布置，且南北外墻均有外窗，可形成一個空氣通路，部分氣流可直接穿過，另一部分氣流遇到墻體改變方向進入臥室，A戶型三個臥室呈南北直線布置，C戶型主臥朝南，兩個次臥朝北，各房間之間均有隔墻，空氣通路相對不暢，臥室內(nèi)風(fēng)速相對較??；B戶型僅南側(cè)外墻開有外窗，氣流無法在室內(nèi)形成貫穿風(fēng)，從南側(cè)窗口上部流入的風(fēng)隨進深的增加速度逐漸降低，氣流遇到墻體會形成渦流現(xiàn)象，最終從南側(cè)窗口下部流出。E風(fēng)向條件下，A戶型為東邊戶，其中有個臥室在東側(cè)外墻有開窗，氣流可從外窗進入室內(nèi)，而B、C戶型在迎風(fēng)側(cè)外墻沒有外墻，室內(nèi)氣流流速較小。

圖4 室內(nèi)1.0m高度處風(fēng)速矢量圖

圖5 室內(nèi)1.0m高度處風(fēng)速云圖

4.2 不同住宅戶型室內(nèi)空氣齡分析

如圖6所示為過渡季S風(fēng)向和E風(fēng)向條件下A、B、C三個戶型室內(nèi)1.0m 高度處空氣齡分布云圖?？諝恺g云圖可展示室內(nèi)空氣新鮮程度。S風(fēng)向條件下，由于A、C戶型南北通透，呈現(xiàn)迎風(fēng)側(cè)房間空氣齡較小，空氣新鮮，處于背風(fēng)位置的房間空氣齡較大，新鮮空氣分布不如迎風(fēng)側(cè)房間均勻；B戶型由于僅南側(cè)開窗，室內(nèi)氣流容易形成渦流，室內(nèi)空氣新鮮度明顯不如A、C戶型。E風(fēng)向條件下，A戶型由于東側(cè)外墻有開窗，迎風(fēng)側(cè)氣流可從外窗直接進入室內(nèi)，而B、C戶型在迎風(fēng)側(cè)外墻未設(shè)置外窗，南北側(cè)外窗進入室內(nèi)的氣流流速較小，室內(nèi)空氣齡較大。

圖6 室內(nèi)1.0m高度處空氣齡云圖

5 結(jié)語

本文通過對合肥地區(qū)過渡季主導(dǎo)風(fēng)向下不同高層住宅室內(nèi)自然通風(fēng)情況進行數(shù)值模擬，分析比較了不同住宅戶型室內(nèi)自然通風(fēng)情況，總結(jié)出同一樓層三種戶型各自的自然通風(fēng)特點。

對比結(jié)果表明，S風(fēng)向下，邊戶A、C戶型南北通透，有利于室內(nèi)自然通風(fēng)，室內(nèi)通風(fēng)效果明顯優(yōu)于南北不通透的中間戶B戶型。在E風(fēng)向下，東邊戶A戶型迎風(fēng)側(cè)墻面有開窗，有利于室內(nèi)自然通風(fēng)，室內(nèi)通風(fēng)效果明顯優(yōu)于背風(fēng)側(cè)的B、C戶型。利用CFD計算手段可以對高層住宅室內(nèi)的通風(fēng)環(huán)境有較為直觀的了解，有助于進一步提高戶型適應(yīng)性改造和節(jié)能設(shè)計。