董成杰 劉 鵬

室內(nèi)空氣環(huán)境質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響人體的健康，室內(nèi)熱濕環(huán)境同樣影響人的舒適性。近年來，人們對舒適性要求的提高，節(jié)能環(huán)保意識的增強(qiáng)，使得自然通風(fēng)這種傳統(tǒng)的通風(fēng)手段在建筑中得到廣泛的應(yīng)用。自然通風(fēng)是依靠風(fēng)壓或熱壓為動力的，是人們廣泛應(yīng)用的一種通風(fēng)方式。一般的居住建筑的室內(nèi)空氣品質(zhì)主要依靠自然通風(fēng)來保證[1]。文中從自然通風(fēng)的基本原理入手，采用計(jì)算流體力學(xué)方法對典型居住建筑的自然通風(fēng)效果進(jìn)行模擬，并以此來分析建筑戶型對戶內(nèi)自然通風(fēng)效果的影響，以期建筑戶型更加合理，最大限度地利用自然通風(fēng)來改善室內(nèi)空氣品質(zhì)。在我國的氣候條件下，自然通風(fēng)可以有效地為建筑的使用者提供健康和舒適的環(huán)境，是可持續(xù)發(fā)展必須采用的一種節(jié)能方式[2]。

1 自然通風(fēng)的工作原理

在具有良好的外部風(fēng)環(huán)境的地區(qū)，風(fēng)壓是實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng)的主要手段。當(dāng)風(fēng)吹向建筑時(shí)，因受到建筑的阻擋，會在建筑的迎風(fēng)面產(chǎn)生正壓力，同時(shí)，氣流繞過建筑的各個側(cè)面及背面，會在相應(yīng)位置產(chǎn)生負(fù)壓力，風(fēng)壓通風(fēng)就是利用建筑的迎風(fēng)面和背風(fēng)面之間的壓差實(shí)現(xiàn)空氣的流通。壓差的大小與建筑的形式、建筑與風(fēng)的夾角以及建筑周圍的環(huán)境有關(guān)。在建筑四周由風(fēng)力產(chǎn)生附加壓力值按下式計(jì)算[1]:

在此風(fēng)壓的作用下，具有正壓的一側(cè)進(jìn)風(fēng)，具有負(fù)壓的一側(cè)排風(fēng)，在建筑內(nèi)部形成“穿堂風(fēng)”，有利于增強(qiáng)室內(nèi)的自然通風(fēng)效果。

2 數(shù)學(xué)模型及計(jì)算方法

采用計(jì)算流體力學(xué)方法(CFD)進(jìn)行模擬分析室內(nèi)自然通風(fēng)效果。分析軟件采用Phoenics3.5。該軟件是世界上第一套計(jì)算流體動力學(xué)與傳熱學(xué)的商用軟件[3]。CFD方法是針對流體流動的質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒建立數(shù)學(xué)控制方程，其通用的控制方程為[4]:

其中，ρ為密度;Γφ為廣義擴(kuò)散系數(shù);Sφ為廣義源項(xiàng);U為速度矢量;φ為通用因變量，代表速度 u，運(yùn)動粘性系數(shù) v，湍流粘度w，溫度 t，湍流動能 k，湍流動能耗散率 ε，特征尺寸 l。本項(xiàng)目只是計(jì)算室內(nèi)速度場和壓力場，故不計(jì)算能量方程。

3 物理模型

選擇兩個典型戶型進(jìn)行模擬，見圖1。在模擬室內(nèi)自然通風(fēng)效果時(shí)，房間的洞口尺寸參照實(shí)際情況做了如下設(shè)定:

1)戶內(nèi)各房間的門均按照實(shí)際尺寸，同時(shí)開啟率為100%，考慮到室內(nèi)空氣環(huán)境質(zhì)量，衛(wèi)生間的門認(rèn)為全年關(guān)閉;2)外墻上的門和窗戶按照實(shí)際尺寸建模，可開啟面積按照建筑施工圖所示來確定實(shí)際的開啟面積;考慮戶主的隱私，戶門認(rèn)為全年關(guān)閉;3)戶型前后壓差從小區(qū)室外風(fēng)環(huán)境分析中取得，重點(diǎn)根據(jù)石家莊市主導(dǎo)風(fēng)向和主導(dǎo)風(fēng)速下建筑風(fēng)場確定模擬所需的邊界條件。

4 結(jié)果及分析

從圖2所示結(jié)果可以看出該戶型通風(fēng)效果良好。西側(cè)墻開的外窗很好地改善了起居室的氣流組織，廚房空氣速度大，便于排除油煙，且煙氣幾乎不會蔓延到室內(nèi);氣流進(jìn)入西北角次臥房間的路徑比較曲折，且在房間門口形成氣流漩渦;南向大房間有一大的漩渦存在，但側(cè)墻的開啟很好的改善了此處的局部氣流。門窗洞口的位置最好可以對著，這樣可以使氣流暢通。

從如圖3所示結(jié)果可以看出該戶型主要房間位于“穿堂風(fēng)”的風(fēng)路上，通風(fēng)效果較好。但是在南向主臥，主臥更衣間以及北向廚房內(nèi)有大的漩渦，容易積灰;北向書房由于無南向內(nèi)墻窗戶，氣流尤其不好。應(yīng)該增加衣帽間可開啟面積以利于通風(fēng)。

5 結(jié)語

從理論分析和實(shí)際計(jì)算可知，當(dāng)室外環(huán)境，小區(qū)建筑布局確定的前提下，若想室內(nèi)獲得很好的氣流組織效果，必須組織好有效的“穿堂風(fēng)”，因此可以從各方面改進(jìn)戶內(nèi)布局以改進(jìn)自然通風(fēng)效果，最大限度的實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

1)為了不影響南向采光，南向的窗口面積不變，可以通過增加北向窗口的開啟面積來增加自然通風(fēng)量，提高其通風(fēng)效果;

2)建筑內(nèi)衣帽間多為小直角或者死角，氣流不順暢，對衣物的收藏不利，應(yīng)該增加衣帽間可開啟面積以利于通風(fēng);

3)主要房間要位于“穿堂風(fēng)”的風(fēng)路上，房間內(nèi)盡量減少突出的隔墻和拐角，避免氣流穿行不暢;

4)為了減小大開間房間的通風(fēng)效果，盡量將可開啟的窗口位于房間墻體中間位置，以減小由于氣流不均勻產(chǎn)生的漩渦所帶來的影響。

自然通風(fēng)是無動力的空調(diào)方式，是廉價(jià)的節(jié)能技術(shù)，因此應(yīng)當(dāng)從多方面改進(jìn)其影響因素，最大限度的利用自然通風(fēng)改變室內(nèi)空氣品質(zhì)。

[1] 陸亞俊，馬最良，鄒平華.暖通空調(diào)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2002:196-199.

[2] 張金萍，李安桂.自然通風(fēng)的研究應(yīng)用現(xiàn)狀與問題探討[J].暖通空調(diào) ，2005 ，35(8):32-38.

[3] 龍?zhí)煊澹K亞欣.計(jì)算流體力學(xué)[M].重慶:重慶大學(xué)出版社，2007:7-8.

[4] 帕坦卡SV.傳熱與流體流動的數(shù)值計(jì)算[M].北京:科學(xué)出版社，1984:206-247.

[5] 吳志勇，王智超.住宅房間通風(fēng)氣流模型試驗(yàn)相似理論研究[J].山西建 筑 ，2009 ，35(10):180-181.