黃琳瑜 廖航進(jìn) 趙 彬 卓啟明

(溫州大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，浙江溫州 325005)

1 概述

隨著建筑節(jié)能以及綠色建筑概念的提出，減少住戶在房屋內(nèi)使用電器的頻率，同時保證住戶居住的舒適性，發(fā)展自然通風(fēng)越來越受到重視。國家和地方的綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)及節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)中都對自然通風(fēng)提出明確的要求。自然通風(fēng)是利用自然資源來改變室內(nèi)環(huán)境狀態(tài)的一種純天然的建筑環(huán)境調(diào)節(jié)手段，合理的自然通風(fēng)組織可有效調(diào)節(jié)建筑室內(nèi)的氣流效果、溫度分布，對改變室內(nèi)熱環(huán)境的滿意度可以起到明顯的效果［1，2］。

目前，計(jì)算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，簡稱CFD)的發(fā)展，使現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)中越來越多的采用CFD模擬來評價建筑節(jié)能，本文利用這個軟件，對住宅的自然通風(fēng)情況作模擬。討論普通單體建筑的房間布置開窗位置與方式高效利用自然通風(fēng)，望能對建筑通風(fēng)設(shè)計(jì)提供一個可視化的應(yīng)用及結(jié)論。

2 研究方法

室內(nèi)通風(fēng)的影響因素較多，為了便于本次研究，一律采用簡化模型進(jìn)行相關(guān)研究，單一空間在其中加入墻體的可變因素，不同的開窗位置對室內(nèi)風(fēng)環(huán)境的影響。通過數(shù)值模擬法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論應(yīng)用到本地的實(shí)體建筑中，同時進(jìn)行研究優(yōu)化。

根據(jù)Beaufort風(fēng)力等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)風(fēng)速低于0.2 m/s時人體基本無感覺，ASHRAE5中也指出，當(dāng)風(fēng)速大于0.2 m/s時會提高熱舒適的上邊界［3］。根據(jù)熱舒適圖，活動量為1 met，內(nèi)衣熱阻為0.6 clo，空氣濕度為80%，氣溫為30℃，室內(nèi)風(fēng)速為0.5 m/s以上時，70%的人認(rèn)為室內(nèi)比較舒適。因此在自然通風(fēng)條件下，室內(nèi)風(fēng)速0.5 m/s的區(qū)域比較舒適。根據(jù)以上的研究結(jié)果，在這里定義室內(nèi)風(fēng)速低于0.2 m/s的區(qū)域?yàn)殪o風(fēng)區(qū)即不會對人體熱舒適產(chǎn)生影響，定義風(fēng)速介于0.2 m/s～0.5 m/s為中風(fēng)區(qū)，對人體熱舒適有一定影響。在氣溫不是很高時可滿足人體熱舒適要求，定義風(fēng)速大于0.5 m/s的為高風(fēng)區(qū)［4］。

靜風(fēng)區(qū)的范圍越少，中風(fēng)區(qū)及高風(fēng)區(qū)的范圍越大，自然通風(fēng)情況越好。本次計(jì)算分別統(tǒng)計(jì)靜風(fēng)區(qū)，中風(fēng)區(qū)及高風(fēng)區(qū)的百分比作為評價室內(nèi)通風(fēng)效果的標(biāo)準(zhǔn)。本次分析，以坐姿頭部位置的風(fēng)速作為分析標(biāo)準(zhǔn)，即1.1 m 高度處［5］。

3 各參數(shù)對室內(nèi)通風(fēng)效果的影響

3.1 幾何建模及網(wǎng)格劃分

根據(jù)需要建立尺寸為:長×寬×高=8 m×4 m×3 m的單元空間體作為模擬房間單元對象，并在該房間單元垂直長邊對半分設(shè)置分隔墻，在分隔墻靠一側(cè)設(shè)置有:高×寬=2 m×0.9 m的門洞，房間單元兩側(cè)短邊墻上離地高H=0.9 m處設(shè)置開口作為房間的窗洞口，為方便計(jì)算各組模型在相同室外風(fēng)壓條件下的室內(nèi)各處通風(fēng)效果，在計(jì)算模型中，將室內(nèi)空間網(wǎng)格尺寸劃分為0.1 m×0.1 m的網(wǎng)格，通過專業(yè)的STAR-CCM+等軟件計(jì)算得到室內(nèi)風(fēng)速云圖。

3.2 邊界條件的設(shè)定

定義進(jìn)風(fēng)口為前窗(右側(cè))，出風(fēng)口為后窗(左側(cè))，窗外兩側(cè)設(shè)置為1.5 Pa的風(fēng)壓差，在室內(nèi)劃分空間體網(wǎng)格后截取高度Z=1.1 m水平面的高度計(jì)算風(fēng)在室內(nèi)流通風(fēng)速(m/s)，計(jì)算中忽略窗口處與墻面摩擦對風(fēng)的影響。

相關(guān)參數(shù)設(shè)定:開窗面積比為S;前窗開窗面積與后窗開窗面積之比為β;窗洞口高度為h;窗口寬度為l;風(fēng)向與窗洞口法線的夾角為θ。

研究1，窗戶可開啟面積比對室內(nèi)通風(fēng)效果的影響。

第一組模型模擬計(jì)算五種不同開窗比例在相同風(fēng)壓下的室內(nèi)通風(fēng)情況。

設(shè)定不變參數(shù)為:前后窗面積比 β=1，窗臺高 H=0.9，窗洞口高度h=1.2 m，風(fēng)向與窗洞口法線的夾角θ=0°，計(jì)算平面前后窗處于正對位置，并且位于墻體的中間位置。變量參數(shù)為:窗寬l(分別為500 mm，1 050 mm，1 600 mm，2 150 mm，2 700 mm)對應(yīng)開窗面積比(分別為10%，15%，20%，25%，30%)，計(jì)算結(jié)果如圖1所示。

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表1。

表1 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)(一) %

從圖1可以看出，開窗面積由10%開始增大到30%時，室內(nèi)平均風(fēng)速逐漸增大，靜風(fēng)區(qū)比例逐漸降低，高風(fēng)區(qū)比例逐漸增大，低風(fēng)區(qū)比例略有增加，但變化不明顯。同時由圖1可以看出，當(dāng)開窗面積為20%再逐級遞升的時候，各通風(fēng)情況增長不明顯，再增大開窗面積，對通風(fēng)效果意義不大。

研究2，窗戶開口相對位置對室內(nèi)通風(fēng)效果的影響。

第二組模型模擬計(jì)算五種不同開窗相對位置在相同風(fēng)壓下的室內(nèi)通風(fēng)情況。

設(shè)定不變參數(shù)為:前后窗面積比 β=1，窗臺高 H=0.9，窗洞口高度h=1.2 m，窗洞口寬度l=2.15 m，風(fēng)向與窗洞口法線夾角θ=0°。變量參數(shù)為:前后窗相對位置分別為左—左、右—左、中—中、左—右、右—右，計(jì)算結(jié)果如圖2所示，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表2所示。

圖1 不同開窗面積時，室內(nèi)風(fēng)速分布云圖

表2 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)(二)

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)(三) %

進(jìn)風(fēng)口與出風(fēng)口存在風(fēng)壓差，在此情況下，通風(fēng)效果最好，但為了模擬實(shí)際情況，對空間進(jìn)行一定的劃分，由圖2可以看出，工況四和工況五的中風(fēng)區(qū)和高風(fēng)區(qū)明顯高于其他三個工況。圖2風(fēng)速分布云圖同樣表明，工況四以及工況五室內(nèi)的中、高風(fēng)區(qū)所占比例比其他的要低，同時，室內(nèi)風(fēng)流動的室內(nèi)較均勻，有較好的通風(fēng)效果。

根據(jù)以上的數(shù)據(jù)結(jié)合工況四以及工況五的開窗位置可知，如果進(jìn)風(fēng)口的窗與門位置處于同側(cè)時，通風(fēng)效果較好，當(dāng)進(jìn)風(fēng)口與門還有出風(fēng)口位于同一側(cè)時，效果最佳。

圖2 窗戶開口相對位置對室內(nèi)通風(fēng)的影響

研究3，風(fēng)的入射角對室內(nèi)通風(fēng)效果的影響。

第三組模型模擬計(jì)算五種不同開窗相對位置在相同風(fēng)壓下的室內(nèi)通風(fēng)情況。

設(shè)定不變參數(shù)為:前后窗面積比 β=1，窗臺高 H=0.9，窗洞口高度h=1.2 m，窗洞口寬度l=2.15 m，風(fēng)向與窗洞口法線夾角θ=0°。變量參數(shù)為:風(fēng)的入射角分別為 30°，45°，60°，計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

由圖3可以看出，當(dāng)風(fēng)向與窗戶法線呈45°時，通風(fēng)效果較佳，當(dāng)風(fēng)向與窗戶法線呈20°時，通風(fēng)效果較差。由此可以判定，當(dāng)風(fēng)向與窗戶法線夾角為45°時，風(fēng)向與窗戶保持一個夾角，有利于促進(jìn)室內(nèi)的自然通風(fēng)。但夾角超過60°時，該夾角將抑制室內(nèi)的自然通風(fēng)。

圖3 不同風(fēng)向情況下室內(nèi)風(fēng)區(qū)變化

4 結(jié)語

本文利用流體力學(xué)的軟件對4 m×8 m×3 m的房間模型進(jìn)行了室內(nèi)通風(fēng)模擬，并對比分析了進(jìn)出口面積比例，窗戶相對位置以及風(fēng)向的氣流流動對室內(nèi)風(fēng)環(huán)境影響這些情況，初步得出了以下結(jié)論:

1)窗戶面積低于20%時，增大開窗比例對通風(fēng)效果有較大影響，增加高風(fēng)區(qū)和低風(fēng)區(qū)。

2)進(jìn)風(fēng)口與門的位置處于同一側(cè)時易獲得較好的通風(fēng)效果，當(dāng)進(jìn)風(fēng)口與出風(fēng)口都與門位于同側(cè)時，通風(fēng)效果最好。

3)前后窗開窗面積比一定時，前后窗面積較接近時，通風(fēng)效果最佳。

4)風(fēng)向與窗戶法線夾角為45°時，風(fēng)向與窗戶法線保持一個夾角有利于促進(jìn)室內(nèi)自然通風(fēng)，但當(dāng)夾角超過60°時，將抑制室內(nèi)自然通風(fēng)。

［1］楊 玲.對建筑物自然通風(fēng)設(shè)計(jì)的探討［J］.建筑與裝飾，2008(5):9-10.

［2］朱 唯.室內(nèi)環(huán)境與自然通風(fēng)［J］.建筑科學(xué)與工程學(xué)報，2006(7):19-20.

［3］人們居所的自然環(huán)境條件［Z］.2004.

［4］黃 晨.建筑環(huán)境學(xué)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［5］林 晨.自然通風(fēng)條件下傳統(tǒng)民居室內(nèi)外風(fēng)環(huán)境研究［D］.西安:西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，2006.