李崢嶸 李曉彬 趙群

1同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院

2同濟(jì)大學(xué)建筑城市規(guī)劃學(xué)院

1 研究對(duì)象介紹

以浙江省建德市大慈巖鎮(zhèn)新葉村的雙美堂為研究對(duì)象，建筑總高度6.3m，地上兩層，中庭從地上一層開(kāi)始，貫通整個(gè)建筑，雙美堂分別于前廳中央與后廳東側(cè)設(shè)置兩個(gè)與室外相連通的天井，以獲得良好的通風(fēng)采光效果。

2 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

2.1 測(cè)試儀器

本次測(cè)試采用多功能測(cè)量?jī)x和多參數(shù)測(cè)試儀等風(fēng)速測(cè)量?jī)x器分別在白天和夜間于天井，外門(mén)和通道等處布置測(cè)點(diǎn)測(cè)量風(fēng)速的大小，并采用煙氣飄零和繩索懸掛的方法來(lái)確定室內(nèi)風(fēng)向，最終結(jié)合當(dāng)?shù)貧庀髼l件和被測(cè)試對(duì)象建造的格局，得出了此次測(cè)量對(duì)象中白天和夜晚室內(nèi)氣流的走向。測(cè)試所用儀器的具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 測(cè)試參數(shù)及使用儀器

2.2 測(cè)試方案

本次測(cè)試主要是研究天井式傳統(tǒng)民居中的通風(fēng)效果，挑選了夏季正常天氣情況下的某一白天和晚上對(duì)其進(jìn)行了測(cè)量，在主要進(jìn)出口及天井處布置測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)的水平位置見(jiàn)圖1，所有測(cè)點(diǎn)垂直高度均為1.5m。

圖1 雙美堂底層平面風(fēng)速水平測(cè)點(diǎn)布置圖

2.3 結(jié)果分析

由于儀器數(shù)量和人員的限制，在對(duì)雙美堂進(jìn)行通風(fēng)測(cè)試時(shí)，無(wú)法在各測(cè)點(diǎn)同時(shí)配備人員與儀器，所以只能在不同時(shí)間段對(duì)各測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分別測(cè)量，圖2和圖3分別是白天與夜間對(duì)測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)8的風(fēng)量統(tǒng)計(jì)。

圖2 白天測(cè)點(diǎn)1與測(cè)點(diǎn)8通風(fēng)量

圖3 夜間測(cè)點(diǎn)1與測(cè)點(diǎn)8通風(fēng)量

新葉村由于地理形勢(shì)，白天主要刮北風(fēng)。分析數(shù)據(jù)初步可得：白天在風(fēng)壓作用下，雙美堂前庭的前院大門(mén)主要為進(jìn)風(fēng)口，其中一部分風(fēng)量通過(guò)前廳天井流向室外，剩余一部分流過(guò)連接兩廳的通道進(jìn)入后廳，而在實(shí)測(cè)過(guò)程中，由于廚房門(mén)一直處于關(guān)閉狀態(tài)，導(dǎo)致整個(gè)后庭氣流非常微弱，儀器無(wú)法獲得精確的風(fēng)速及風(fēng)向。夜間由于前院大門(mén)和后院大門(mén)均處于進(jìn)風(fēng)狀態(tài)，所以可以初步判斷是由于溫差和高差原因?qū)е碌臒峥諝獠粩嗌仙?，而兩?cè)的冷空氣就通過(guò)沿廊，向天井不斷補(bǔ)充，形成冷熱空氣的溫差對(duì)流。由于通過(guò)實(shí)測(cè)無(wú)法確定風(fēng)壓和熱壓的主導(dǎo)作用，所以借助CFD軟件對(duì)其進(jìn)行深入分析。

3 數(shù)值計(jì)算及分析

3.1 CFD模型

由于本次研究主要是針對(duì)雙美堂地上一層的自然通風(fēng)效果，所以根據(jù)實(shí)際建筑的格局在建立模型的時(shí)候進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，由于不涉及東西兩廂房、南北兩廂房以及地上二層的室內(nèi)氣流走向，所以在CFD模型中統(tǒng)一將不相關(guān)的空間略去，最終根據(jù)測(cè)繪圖紙將模型簡(jiǎn)化如圖4所示。

圖4 CFD簡(jiǎn)化模型

3.2 數(shù)值模擬計(jì)算

建筑物外表面風(fēng)壓的大小和分布是室內(nèi)通風(fēng)數(shù)值模擬不可缺少的資料，由于迄今尚未見(jiàn)到比較系統(tǒng)的反映建筑物外表面風(fēng)壓分布規(guī)律的研究成果，因此筆者采用數(shù)值模擬的方法研究不同風(fēng)速、風(fēng)向下的流場(chǎng)和壓力場(chǎng)，從而求出不同工況下的風(fēng)壓分布規(guī)律，并把研究的結(jié)果作為下一步數(shù)值計(jì)算的邊界條件[1]。

圖5 熱壓引起的風(fēng)速分布矢量圖

夜間熱壓通風(fēng)模擬，由于白天雙美堂圍護(hù)結(jié)構(gòu)通過(guò)天井接受太陽(yáng)的輻射熱，蓄存于圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部，夜間充當(dāng)著一個(gè)發(fā)熱源的角色，本次模擬統(tǒng)一將熱量平均分配于地面，由于無(wú)法測(cè)得精準(zhǔn)的熱流密度，相應(yīng)的以恒定的溫度來(lái)代替，根據(jù)溫濕度計(jì)測(cè)試數(shù)據(jù)獲得夜間地面的平均溫度值為303K，室外的平均空氣溫度為301K，模擬結(jié)果如圖5和表2所示。

表2 進(jìn)出風(fēng)口通風(fēng)效果

根據(jù)模擬結(jié)果從定性的角度分析，夜間單憑熱壓通風(fēng)，氣流組織的大體流向與實(shí)際測(cè)試相符合，前廳天井由于熱空氣的上升所產(chǎn)生的拔風(fēng)作用強(qiáng)于后庭的天井，中間過(guò)道的風(fēng)向指向前廳，但是風(fēng)量與測(cè)試獲得的數(shù)據(jù)卻有一定的差別，分析原因是忽略了風(fēng)壓的抽吸作用，當(dāng)室外空氣以沿著與天井平行的軌道流過(guò)時(shí)，天井口處會(huì)形成微量的負(fù)壓，這時(shí)配合室內(nèi)熱壓的用，總的壓力效果會(huì)有一定程度的加成，室內(nèi)自然通風(fēng)的吹風(fēng)感加強(qiáng)。也有可能是由于整個(gè)建筑群落中的相互遮擋作用，改變了原始風(fēng)向，導(dǎo)致部分空氣流從后院大門(mén)吹入雙美堂后廳，給人以比較強(qiáng)烈的吹風(fēng)感。對(duì)比實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，在測(cè)試時(shí)間段內(nèi)，微弱的室外風(fēng)速抵消了雙美堂后廳的部分熱壓作用，導(dǎo)致整個(gè)后院大門(mén)進(jìn)風(fēng)量有所降低。

在進(jìn)行白天風(fēng)壓作用下室內(nèi)自然通風(fēng)模擬時(shí)，首先根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)，取測(cè)試時(shí)間段內(nèi)正門(mén)處的最大風(fēng)速為1m/s，后院形成微量的負(fù)壓，這時(shí)忽略熱壓的作用，考慮純風(fēng)壓下的一個(gè)室內(nèi)氣流走向，結(jié)果如圖6和表3所示。

圖6 風(fēng)壓引起的風(fēng)速分布矢量圖

表3 進(jìn)出風(fēng)口通風(fēng)效果

對(duì)比風(fēng)壓和熱壓的模擬結(jié)果，可以看出在1m/s風(fēng)速的情況下，后院大門(mén)的出風(fēng)量大于在純熱壓情況下后院大門(mén)的進(jìn)風(fēng)量，中間過(guò)道在兩種壓力的作用情況下氣流走向也截然不同，而且風(fēng)速一直很小，這也正好驗(yàn)證了在實(shí)測(cè)情況下，由于室外風(fēng)速風(fēng)向的不固定性，無(wú)法正確獲得過(guò)道處的風(fēng)速大小及方向，而且后院大門(mén)處的吹風(fēng)感也一直不是很強(qiáng)。

針對(duì)以上的初步分析可以得出，對(duì)于雙美堂前廳來(lái)說(shuō)，無(wú)論是在風(fēng)壓還是在熱壓作用情況下，前院大門(mén)和前廳天井始終扮演著進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口的角色，風(fēng)壓和熱壓的作用力是一個(gè)相互疊加的過(guò)程，所以無(wú)法清晰地判別出是以怎樣的壓力驅(qū)動(dòng)通風(fēng)為主，只能簡(jiǎn)單地通過(guò)過(guò)道進(jìn)出風(fēng)量來(lái)描述。而對(duì)于雙美堂后廳來(lái)說(shuō)，后院大門(mén)在風(fēng)壓和熱壓分別作用的情況下，相對(duì)于室內(nèi)來(lái)說(shuō)，分別是處于出風(fēng)和進(jìn)風(fēng)的狀態(tài)，風(fēng)壓和熱壓的作用力相反，所以單單針對(duì)后廳來(lái)說(shuō)，可以通過(guò)后院大門(mén)的進(jìn)出風(fēng)狀態(tài)來(lái)判別其是以怎樣的壓力驅(qū)動(dòng)通風(fēng)為主的[2]。

從圖7及表4可以看出，當(dāng)室外風(fēng)速達(dá)到0.8m/s的時(shí)候，雙美堂后院大門(mén)的進(jìn)出風(fēng)量近似相等，可以說(shuō)明此時(shí)對(duì)于雙美堂后廳而言，熱壓和風(fēng)壓的作用力是相等的。

圖7 風(fēng)壓引起的風(fēng)速分布矢量圖

表4 進(jìn)出風(fēng)口通風(fēng)效果

4 結(jié)論

本篇論文只針對(duì)新葉村雙美堂單幢建筑而言，在實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，借助CFD軟件分析其室內(nèi)在熱壓和風(fēng)壓作用下的自然通風(fēng)流向，天井作為引風(fēng)口，起著組織和樞紐的作用。當(dāng)風(fēng)速較大，風(fēng)向正常時(shí)，風(fēng)從前院大門(mén)吹向廳堂，進(jìn)入沿廊，從天井、庭院回歸自然，形成對(duì)流。如果夜間風(fēng)力極為輕微，甚至靜止時(shí)，天井與沿廊的引風(fēng)、出風(fēng)職能剛好相反。天井處的氣流存在溫差和高差，熱空氣不斷上升，而兩側(cè)的冷空氣就通過(guò)沿廊，向天井不斷補(bǔ)充，形成冷熱空氣的溫差對(duì)流[3]。

由于缺乏整個(gè)村落的建筑布局及當(dāng)?shù)氐臍庀髤?shù)，無(wú)法描述雙美堂位于整個(gè)建筑群落里時(shí)的室內(nèi)自然通風(fēng)情況，這也是以后在研究自然通風(fēng)時(shí)需要考慮和關(guān)注的一個(gè)問(wèn)題。

[1]謝浩.嶺南民居的自然通風(fēng)[J].城鎮(zhèn)風(fēng)貌與建筑設(shè)計(jì),2007,(12):58-62

[2]王戰(zhàn)友.自然通風(fēng)技術(shù)在建筑中的應(yīng)用探析[J].建筑節(jié)能,2007,(7):20-23

[3]林波榮,譚剛.皖南民居夏季熱環(huán)境實(shí)測(cè)分析[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào),2002,(8):1071-1074