應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)評(píng)估美國典型居住建筑自然通風(fēng)性能

薛清文，武文濤

(田納西州立大學(xué) 土木與建筑工程系，3500 John Merritt Blvd-Torrence Hall，Nashville，TN 37209，USA)

建筑自然通風(fēng)可以減少能源消耗并改善室內(nèi)空氣質(zhì)量.但自然通風(fēng)的性能會(huì)受到城市布局和建筑設(shè)計(jì)元素的影響[1-2].城市布局因素包括周圍建筑和樹木.Ramponi等[2]發(fā)現(xiàn)考慮周邊建筑時(shí)，建筑自然通風(fēng)量比僅考慮單體建筑低至少30%.樹木對(duì)建筑自然通風(fēng)量的影響在于其本身具有防風(fēng)的作用，會(huì)減少建筑物中的空氣流動(dòng)[3].城市形態(tài)對(duì)單體建筑內(nèi)風(fēng)壓和熱壓共同驅(qū)動(dòng)下自然通風(fēng)的影響還需要進(jìn)一步的研究.

建筑設(shè)計(jì)元素包括窗戶，外遮陽，天窗和內(nèi)門等.Wang等[4]的研究發(fā)現(xiàn)，窗戶類型會(huì)影響自然通風(fēng)量的大小.但是，對(duì)于具有多個(gè)外窗的建筑的自然通風(fēng)性能還需要進(jìn)一步的研究.Lee等[5]的初步研究表明，自然通風(fēng)建筑物中的空氣溫度和氣流模式高度依賴于遮陽裝置的配置.外遮陽裝置對(duì)自然通風(fēng)的影響尚需要深入的探討.Liu等[6]研究證明打開天窗通風(fēng)口可以將風(fēng)速增大到兩倍.內(nèi)門的開啟和關(guān)閉狀態(tài)分別對(duì)應(yīng)多區(qū)域和單區(qū)域通風(fēng)模式.這些建筑元素都對(duì)自然通風(fēng)效率有著重要的影響，很有必要進(jìn)行深入的探討.

評(píng)價(jià)自然通風(fēng)性能最重要的指標(biāo)之一是通風(fēng)量，一般通過壓差法或者示蹤氣體法進(jìn)行測(cè)量獲得[7-8].另一個(gè)預(yù)測(cè)通風(fēng)量的方法是應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)[9-11].本研究應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)評(píng)估美國典型居住建筑的自然通風(fēng)效果.研究目標(biāo)是量化城市布局和建筑設(shè)計(jì)元素對(duì)單體建筑自然通風(fēng)性能的影響.對(duì)城市布局的研究主要關(guān)注周圍建筑和周邊樹木.所研究的建筑設(shè)計(jì)元素包括遮陽，天窗以及內(nèi)門.這項(xiàng)研究的結(jié)果為進(jìn)一步優(yōu)化被動(dòng)式居住建筑設(shè)計(jì)提供理論依據(jù).

1 模型與計(jì)算方法

1.1 建筑模型

本文研究的美國典型居住建筑共三層，面積約120 m2，建筑高度約為10 m.分析建筑中包括5個(gè)主要的房間.房間Room1是一個(gè)較大的起居室，位于一層建筑西南角.房間Room2是一個(gè)臥室，位于二層西南角.房間Room3是一個(gè)臥室，位于二層?xùn)|北角.房間Room4是第二個(gè)較大的起居室，位于二層.房間Room5是臥室，位于三層.為了了解周圍建筑物對(duì)室內(nèi)通風(fēng)率的影響，所構(gòu)建的模型分別包括了半徑為50，100和150 m內(nèi)的相鄰建筑物.計(jì)算流體力學(xué)房屋幾何形狀和網(wǎng)格如圖1(a)所示.

外墻，內(nèi)墻和窗戶設(shè)置相應(yīng)的數(shù)學(xué)厚度來進(jìn)行傳熱計(jì)算.所有窗戶和天窗都保持25°的開啟角度.計(jì)算域的大小根據(jù)AIJ指南[12]確定.自然通風(fēng)期間盛行風(fēng)向?yàn)槲黠L(fēng)，因此，計(jì)算域的西邊緣到房屋迎風(fēng)面之間的距離是五倍建筑高度，從計(jì)算域的東部邊緣到房屋背風(fēng)面的距離為十倍建筑高度，計(jì)算域的高度為五倍建筑高度.整個(gè)計(jì)算域用混合類型的單元格離散.對(duì)所有室內(nèi)空間和圍繞房屋的小區(qū)域室外空間應(yīng)用四面體網(wǎng)格.遠(yuǎn)離房屋的區(qū)域被離散化為六面體網(wǎng)格.混合網(wǎng)格通過金字塔網(wǎng)格來連接不同區(qū)域.通過65，107和181萬網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證圖1(d).圖1(d)顯示了室內(nèi)某一點(diǎn)空氣流速沿著房間高度方向上的變化，黑色，綠色，紅色曲線分別顯示65萬，107萬以及181萬網(wǎng)格的結(jié)果，綜合考慮計(jì)算精度與計(jì)算時(shí)間，整個(gè)計(jì)算域被最終離散為107萬個(gè)網(wǎng)格.由于建筑尺寸及周邊區(qū)域較大，近壁面網(wǎng)格大小平均約為0.3 m.

圖1 美國典型居住建筑網(wǎng)格(a)計(jì)算流體力學(xué)計(jì)算域(b)樹模型(c)及網(wǎng)格獨(dú)立性分析(d)

1.2 物理模型

由于室內(nèi)外空氣溫差較小，使用Boussinesq近似對(duì)熱浮力進(jìn)行模擬.自然通風(fēng)幾乎不處于穩(wěn)定狀態(tài)，其瞬態(tài)特征要求求解N-S方程的時(shí)間步長足夠小，計(jì)算自然通風(fēng)量需要很長時(shí)間.本研究的目的是評(píng)價(jià)美國典型居住建筑自然通風(fēng)性能，從而為優(yōu)化建筑設(shè)計(jì)提供理論依據(jù).所以使用基于盛行風(fēng)速和風(fēng)向的穩(wěn)態(tài)雷諾平均納維-斯托克斯(RANS)方程.穩(wěn)態(tài)RANS方程已成功用于評(píng)估自然通風(fēng)系統(tǒng)的性能，例如確定窗戶位置，類型以及估算設(shè)計(jì)條件下自然通風(fēng)量[12].采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型來閉合控RANS方程.采用Scalable壁面函數(shù)對(duì)近壁面流動(dòng)進(jìn)行計(jì)算.用SIMPLE算法來關(guān)聯(lián)壓力場(chǎng)和速度場(chǎng).用二階上風(fēng)格式離散RANS方程的對(duì)流項(xiàng).

該住宅建筑具有大面積的窗與門等透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)，所以采用Ansys Fluent中的太陽熱負(fù)荷模型來計(jì)算通過這些透明材料的得熱.太陽熱負(fù)荷模型根據(jù)ASHRAE晴朗天氣條件方法[13]計(jì)算直接輻射量.到達(dá)地面的太陽輻射可分為直射輻射和散射輻射.直射輻射要么入射到不透明的墻壁上，要么通過半透明表面(窗玻璃)進(jìn)行透射，吸收和反射.散射輻射通過半透明表面，與來自直射輻射的散射部分形成總散射輻射負(fù)荷.總散射負(fù)荷均勻分布在所有參與太陽輻射負(fù)荷計(jì)算的表面上.直射和總散射輻射負(fù)荷的分布為壁面熱通量，在能量方程中用作熱源.壁面熱通量通過對(duì)流或輻射傳遞.不同壁面間的輻射采用P-1輻射模型[14]進(jìn)行模擬.

1.3 樹的數(shù)理模型

建筑周圍的樹木會(huì)導(dǎo)致附近房屋的風(fēng)壓下降，且在樹冠內(nèi)會(huì)產(chǎn)生湍流.壓力降主要是形狀阻力造成的.形狀阻力可以作為源項(xiàng)添加到N-S方程中，并按如下方式建模

(1)

公式中：ρ為空氣密度；η為樹木覆蓋面積的一部分；cd是阻力系數(shù)，本研究中為0.2[15]；ζ(z)為植物面積密度，用來表示樹木的形狀；在這項(xiàng)研究中，假設(shè)樹木為圖1(c)中所示的特定四邊形狀，樹干高度為1 m，樹冠高度為19 m.Ui為阻力方向的分速度；負(fù)號(hào)確保阻力的方向始終與風(fēng)向相反.

樹冠中的湍流產(chǎn)生被模擬為[15]

Sk=ηcda(z)(|Ux|3+|Uy|3)，

(2)

公式中：Ux、Uy為水平方向風(fēng)速.公式(2)被添加到湍流動(dòng)能的傳輸方程中作為源項(xiàng).

在計(jì)算中，將樹冠占據(jù)的區(qū)域列為一個(gè)單獨(dú)的計(jì)算域，然后應(yīng)用用戶自定義函數(shù)將公式(1)和公式(2)設(shè)定為動(dòng)量和湍流動(dòng)能的源項(xiàng).

1.4 邊界條件

計(jì)算域入口風(fēng)速設(shè)置為對(duì)數(shù)分布，主要輸入?yún)?shù)為地面10 m高度的參考風(fēng)速值.參考風(fēng)速為春季主導(dǎo)風(fēng)速，即5.00 m/s，主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲黠L(fēng).入口處的空氣溫度設(shè)置為20 ℃.出口處壓力設(shè)置為固定值.在計(jì)算域的頂部和側(cè)面，法向速度和所有變量的法向梯度設(shè)置為零.所有墻壁表面遵守不滑移條件.利用5月10日13時(shí)的太陽輻射得熱來計(jì)算各壁面的太陽熱通量.

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 鄰近建筑物的影響

不同房間的預(yù)測(cè)自然通風(fēng)量與CFD計(jì)算域半徑之間的關(guān)系如圖2所示.在域半徑為零即不考慮周圍建筑物的情況下，大多數(shù)房間的通風(fēng)量被高估了.原因是鄰近建筑物降低了目標(biāo)建筑物周圍的空氣速度.關(guān)于應(yīng)該包括多少相鄰的建筑物以提高通風(fēng)量估計(jì)的準(zhǔn)確性的問題，童等[1]得出的結(jié)論是，要模擬單一空間的立方體建筑，至少需要三層相鄰的建筑.對(duì)于本研究中的美國典型居住建筑，其多個(gè)內(nèi)部空間造成了一定的復(fù)雜性，沒有發(fā)現(xiàn)線性或簡單的關(guān)系.對(duì)于房間1，通風(fēng)量與包括相鄰建筑物的計(jì)算域半徑呈線性相關(guān).與孤立建筑的情況相比，考慮距離目標(biāo)建筑50 m，100 m和150 m半徑范圍內(nèi)的建筑物，通風(fēng)率分別降低了21%，39%和66%.對(duì)于房間3，隨著計(jì)算域半徑的增加，通風(fēng)量未發(fā)生明顯改變.對(duì)于房間4，隨著計(jì)算域半徑的增加，通風(fēng)量先顯著降低而后緩慢增加.房間之間的變化趨勢(shì)不一致說明擴(kuò)大計(jì)算域半徑會(huì)導(dǎo)致目標(biāo)建筑物附近的流場(chǎng)分布變化.考慮某一范圍內(nèi)的周邊建筑，目標(biāo)建筑附近的氣流形式有利于某些房間的自然通風(fēng)，但會(huì)阻礙其他房間的通風(fēng).然而，考慮更大范圍的周邊建筑所形成的氣流模式可能對(duì)促進(jìn)或阻礙通風(fēng)產(chǎn)生相反的影響.為了提高估算自然通風(fēng)量的準(zhǔn)確性，最佳做法可能是僅考慮最相鄰的周邊建筑物.

圖2 自然通風(fēng)量與計(jì)算域半徑的關(guān)系.

2.2 周圍樹木的影響

周圍樹木距離目標(biāo)建筑1 m，樹冠覆蓋面積為125 m2.本研究僅考慮樹木位于逆風(fēng)方向的情況.在沒有樹木和有樹木的情況下通風(fēng)量的百分比差異如圖3所示.不考慮周圍樹木的情況下，目標(biāo)建筑中所有房間的通風(fēng)量均被高估了10%～22%.樹冠產(chǎn)生的阻力減緩了目標(biāo)建筑附近的風(fēng)速，導(dǎo)致流入窗戶的空氣減少.對(duì)于迎風(fēng)面的房間(Room1，Room2，Room4)和橫向的房間(Room5)，在考慮樹木的情況下通風(fēng)量減少約10%.受影響最大的是反而是背風(fēng)側(cè)的房間(Room3).原因是樹冠的壓降導(dǎo)致目標(biāo)建筑背風(fēng)面的停滯區(qū)更大，進(jìn)入背風(fēng)側(cè)房間的氣流相對(duì)減少了.因此，建議在使用CFD模擬自然通風(fēng)時(shí)考慮由建筑物周圍樹木引起的阻力效應(yīng).

圖3 周圍樹木對(duì)自然通風(fēng)量的影響Q和Qtree分別為沒有和有周圍樹木的通風(fēng)量

2.3 外遮陽的影響

在東，西，南立面的窗戶上設(shè)計(jì)外遮陽，以降低進(jìn)入目標(biāo)建筑的多余的太陽輻射負(fù)荷.外遮陽對(duì)自然通風(fēng)量的影響.縱坐標(biāo)為迎風(fēng)側(cè)窗戶的平均通風(fēng)量如圖4所示.沒有外遮陽時(shí)的通風(fēng)量比有遮陽低21%.該結(jié)論與Lee等[5]的研究結(jié)果一致.這證明了目標(biāo)建筑中的外遮陽設(shè)計(jì)形成了一個(gè)連通室外并能提高進(jìn)入窗戶的空氣流速的短通道，有助于增強(qiáng)自然通風(fēng)效果.

圖4 外遮陽對(duì)自然通風(fēng)量的影響

2.5 天窗的影響

房間4有可控制的天窗，開啟天窗可以將通風(fēng)率從3.39 m3·s-1增加到5.22 m3·s-1，如圖5所示.三樓南側(cè)的房間6隨著天窗打開，通風(fēng)量從接近0增加到0.80 m3·s-1.同一樓層房間7的通風(fēng)量在天窗的作用下從0.20 m3·s-1增加到0.80 m3·s-1.天窗的設(shè)計(jì)可以增強(qiáng)煙囪效應(yīng)，斜屋頂上的天窗增強(qiáng)了熱壓驅(qū)動(dòng)的自然通風(fēng).對(duì)于房間7，天窗作為進(jìn)風(fēng)口，增強(qiáng)室內(nèi)空氣循環(huán)，導(dǎo)致房間自然通風(fēng)量增加.二層的房間4，迎風(fēng)面天窗是進(jìn)風(fēng)口，背風(fēng)面天窗作為出風(fēng)口.天窗的打開增強(qiáng)了房間4背風(fēng)側(cè)的空氣運(yùn)動(dòng).綜上所述，天窗的設(shè)計(jì)有利于提高自然通風(fēng)性能.

圖5 關(guān)閉和打開天窗時(shí)不同房間的通風(fēng)量比較

2.5 內(nèi)門的影響

內(nèi)門運(yùn)行狀態(tài)(開啟或關(guān)閉)對(duì)自然通風(fēng)性能的影響如圖6所示.內(nèi)門關(guān)閉形成單區(qū)域通風(fēng)模式，每個(gè)房間獨(dú)立通風(fēng).所有內(nèi)門均打開則會(huì)形成多區(qū)域通風(fēng)模式.房間4和房間5的空間沒有內(nèi)門，始終與樓梯相連，這類空間的通風(fēng)量在多區(qū)域通風(fēng)模式下提高了4%～6%.房間1和房間3在內(nèi)門打開時(shí)，通風(fēng)量提高了30%以上.結(jié)果表明，除了外部建筑設(shè)計(jì)元素和外窗控制外，適當(dāng)?shù)慕ㄖ\(yùn)營策略也可以增強(qiáng)自然通風(fēng).

圖6 內(nèi)門對(duì)自然通風(fēng)量的影響Q和Qm是內(nèi)門關(guān)閉和內(nèi)門開啟情況下的通風(fēng)量.

3 結(jié) 論

本研究評(píng)估了美國典型居住建筑的自然通風(fēng)效果.研究目標(biāo)是量化城市布局和建筑設(shè)計(jì)元素對(duì)單體建筑自然通風(fēng)性能的影響.主要發(fā)現(xiàn)總結(jié)如下：

(1)與只考慮單一建筑相比，考慮周圍建筑物會(huì)降低目標(biāo)建筑物21%～66%自然通風(fēng)量.自然通風(fēng)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮城市建筑配置.

(2)周邊樹木會(huì)使自然通風(fēng)量降低10%～22%.

(3)外遮陽設(shè)計(jì)可提高21%的自然通風(fēng)量.

(4)天窗可加強(qiáng)自然通風(fēng)，改善室內(nèi)空氣混合.

(5)打開內(nèi)門可使通風(fēng)量提高36%.

這項(xiàng)研究的結(jié)果可為優(yōu)化建筑門窗控制算法提供參考，為進(jìn)一步研究居住建筑被動(dòng)式節(jié)能技術(shù)提供了有用的信息.