錢 杰,姚國梁,鄭國鑫,王玨蓉,朱 楠

(1.浙江省建筑設計研究院,浙江 杭州 310006；2.教育部深空探測聯(lián)合研究中心,重慶 400030；3.浙江武弘建筑設計研究院有限公司,浙江 杭州 310030)

基于CFD的村鎮(zhèn)住宅利用天井自然通風研究

錢 杰1,2,姚國梁1,鄭國鑫1,王玨蓉1,朱 楠3

(1.浙江省建筑設計研究院,浙江 杭州 310006；2.教育部深空探測聯(lián)合研究中心,重慶 400030；3.浙江武弘建筑設計研究院有限公司,浙江 杭州 310030)

通過CFD技術(shù)模擬天井對一種村鎮(zhèn)住宅的自然通風效果。通過模擬不同風速、風向,其結(jié)果顯示：天井為背風面房間的自然通風提供有利條件；建筑朝向以及外界風向?qū)μ炀耐L效果有著較大的影響。同時,結(jié)合杭州氣象條件,通過對有無導流構(gòu)造的通風模擬,可以看出導流構(gòu)造對于天井通風的影響。最后得出,結(jié)合恰當?shù)慕ㄖ蛞约斑m當?shù)膶Я鳂?gòu)造如老虎窗、一定外形的屋面等,結(jié)合天井,可有效改善住宅的自然通風狀況。

天井；自然通風；村鎮(zhèn)住宅； CFD

1 概 述

被動式建筑節(jié)能技術(shù)具有成本低廉、超低能耗的特點,因此是建筑節(jié)能的首選方式。天井作為一種院落空間的組合方式,在浙江[1-2]、廣東[3]、安徽[4]、福建等地區(qū)有著廣泛應用,是我國華東、華南等地區(qū)常用的一種建筑構(gòu)造。國外學者[5-6]在其論著中對天井有所提及。根據(jù)相關研究,天井具有加強通風的效果[4,7-9]。其中,肖毅強教授對廣州竹筒屋天井空間尺度進行分析研究,得出天井尺度變化對室內(nèi)通風影響較大[9]；陳秋菊等認為徽州民居豎長型天井通風采光綜合效果最佳[10]；劉江喬認為天井內(nèi)外聯(lián)系上下貫通的特性,可使其向上通風納氣,向下除污滌穢,充分發(fā)揮出氣候調(diào)節(jié)的作用[11]。本文立足于浙江地區(qū)村鎮(zhèn)住宅,將利用天井通風作為研究對象,依托CFD技術(shù),分析其對住宅通風的規(guī)律和原理。

CFD即計算流體動力學,是近代流體力學數(shù)值數(shù)學和計算機科學結(jié)合的產(chǎn)物。它以電子計算機為工具,應用各種離散化的數(shù)學方法,對流體力學的各類問題進行數(shù)值實驗、計算機模擬和分析研究,以解決各種實際問題。它是研究和解決風環(huán)境問題的一種重要工具。

2 模型與CFD邊界條件

2.1 模型

選用浙江村鎮(zhèn)常見的一種住宅模型,為半坡建筑,總共3層,局部2層,住宅三維模型見圖1，單層平面見圖2。

住宅模型采用南北向,其中南向3層,北向2層,天井位于建筑平面的中部,貫穿1～3層。

2.2 CFD邊界條件

本文采用PHOENICS 2012軟件通風模擬計算,10 m高度風速選用3 m/s,因住宅模型東西對稱,模擬時風向分別采用北風(NN)、東北風(NE)、東風(EE)、東南風(ES)和南風(SS)5個。

圖1 住宅三維模型

圖2 住宅單層平面圖

3 計算結(jié)果

圖3是本次的計算結(jié)果,依次是北風(NN)、東北風(NE)、東風(EE)、東南風(ES)和南風(SS)。

其中,當刮北風(NN)時,氣流由住宅北面的窗穿透建筑與經(jīng)住宅屋頂老虎窗引流向下的氣流匯集在一起,相互抵消,在天井的上部區(qū)域形成局部渦流和相對靜風區(qū)域,其余氣流在天井內(nèi)從上往下透過住宅南部的1層樓梯向南運動并穿出住宅繼續(xù)向南。

當刮東北風(NE)時,住宅尤其是天井內(nèi)的氣流與北風(NN)時相似。區(qū)別是,在天井內(nèi),老虎窗導流向下的氣流與由北窗進入透過住宅到達天井的氣流匯流,彼此沖突相互抵消的作用減弱,進而匯流向下,通過住宅南部1層樓梯間口向西南方向推進。

刮東風(EE)時,天井內(nèi)部為相對靜風區(qū)域。天井上方的氣流水平流向西北方向,與天井沒有產(chǎn)生交互。北側(cè)3層房間有氣流進入天井,以及建筑西側(cè)有少量氣流流入西側(cè)走廊,天井內(nèi)部的氣流流動較少較緩。因此可以得出,該建筑模型的天井在風向為東風時,基本沒有通風效果。

東南風(ES)時,來流通過南窗進入住宅室內(nèi),由于住宅南面僅有一層樓梯間門洞與天井相連,因此氣流進入室內(nèi)后沿墻體向下運動,經(jīng)過一層樓梯間門洞進入天井,隨之氣流沿天井向上,與經(jīng)住宅屋頂老虎窗導流躍起的氣流匯合后向西北方向運動。因為天井內(nèi)氣流向上形成的負壓,將住宅南部室內(nèi)氣流牽引進天井,在住宅南部室內(nèi)形成與室外氣流相反的運動,從而也促進了住宅南部室內(nèi)的通風。

南風(SS)時的通風效果與東南風相似,但是風量和風速較東南風小。因為來流與墻體垂直相交,經(jīng)與墻體碰撞方向相反的氣流互相抵消,形成較多的渦流區(qū)域或者靜風區(qū)域,從而造成進入天井的氣流相對減少。通風效果沒有東南風(ES)好。

4 屋面構(gòu)造導流分析

建筑屋面的構(gòu)造形式對天井內(nèi)氣流運動有較大的影響,因此對此作進一步分析。以原始住宅模型作為對比,重新模擬計算取消老虎窗后的住宅模型的風環(huán)境,比較兩者差別。圖4是老虎窗取消后的模擬計算結(jié)果。

將圖3和圖4比較發(fā)現(xiàn),當吹北風(NN)時,取消老虎窗后,老虎窗對由北向南氣流的引入天井作用消失,因此,一部分氣流經(jīng)過住宅北面空間后進入天井并向上運動,最后并入屋頂由北向南的氣流,造成由天井向下運動并通過住宅南面房間的氣流減少,風速也略有減弱。當吹東北風(NE)時,上述的作用更加明顯。

當吹東風(EE)時,老虎窗和建筑屋頂與氣流基本平行,住宅亦沒有相關的通風口允許氣流穿透,因此,模擬計算結(jié)果比較紊亂,天井對于自然通風的作用不明顯。

當吹東南風(ES)時,取消老虎窗之后,由東南向西北方向的氣流首先經(jīng)過住宅南面的區(qū)域,然后經(jīng)過一層的門洞進入天井,在天井內(nèi)向上運動。此時與掠過住宅屋面,經(jīng)由屋面導流由上向下的氣流匯集,兩者相互抵消后,最終呈現(xiàn)以較弱的速度在天井上方向西北方向運動,天井內(nèi)的氣流方向紊亂,且風速低。而有老虎窗的模型,由于老虎窗將屋頂?shù)臍饬饕龑кS起,越過天井向西北方向運動,使天井頂部到老虎窗頂部的水平區(qū)間形成相對負壓區(qū),起到抽引天井內(nèi)氣流向上的作用,因此天井內(nèi)氣流方向一致,且風速較高。當南風(SS)時,基本與東南風(ES)一致,相對影響減弱。

圖4 無老虎窗的模擬計算結(jié)果

5 模擬應用分析

將以上模擬計算結(jié)果作為參考,采用杭州氣象參數(shù),將住宅模型的通風效果做模擬計算。杭州的主要氣象參數(shù)見表1(出自中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集)。

根據(jù)上文論述,朝向?qū)ㄖ淖匀煌L狀況有重要影響。因此,根據(jù)杭州的氣象條件,本次計算模型選用南北朝向(朝向1)和東北—西南朝向(朝向2)兩種。在上文模型中的老虎窗,具有將北風引入天井的作用,促進自然通風?？紤]冬季防風且杭州冬季主導風向為北風,所以在本次模擬計算中,將老虎窗取消。

圖5為朝向1模擬計算結(jié)果。

表1 杭州氣象參數(shù)

圖5 朝向1通風模擬圖(杭州)

從圖5中春季部分可以看出,天井內(nèi)部呈相對靜風區(qū)域。南南西風(SSW)吹過建筑,從天井上方直接流過,并對天井產(chǎn)生輕微的拔風效果。但是拔風效果相對于有老虎窗時小了很多。3層西側(cè)走廊對天井有相對較好的通風作用,但是其余部分則基本沒有通風。

夏季的主導風是東風,平均風速為2.93 m/s。從夏季圖中可以看出,天井內(nèi)部和春季時相差不大,整體呈現(xiàn)為一個相對靜風區(qū)域。區(qū)別于春季,天井在夏季有微弱的進風,但影響不大,整體通風效果較差。

秋季主導風向是北西北風(NNW),平均風速在2.66 m/s左右。從圖5可以看出,以三層地板為界,天井上下部的氣流方向相反。由透過窗進入天井內(nèi)的氣流向上與屋頂?shù)臍饬鲄R合后向北前進,天井內(nèi)形成向上及較高的風速。天井下部則是一個氣流向下的低風速區(qū)域,在靠近南側(cè)天井墻壁的位置氣流流速相對較大。

因此,朝向1在春季和夏季通風效果不佳。

圖6為朝向2模擬計算結(jié)果,朝向2為東北—西南朝向,即將朝向1旋轉(zhuǎn)-45°。相對于朝向1,春季天井頂部有較弱的拔風效果,但是其效果相對有老虎窗時較差。天井其他部分的通風效果則仍舊與朝向1相似?？傮w而言,天井在建筑變動后的通風效果仍舊偏差。

夏季天井的通風效果有了一定的提升,尤其是3層的通風。從圖6夏季部分中可見,氣流從北部房間涌入天井,然后從天井頂部離開,相對于朝向1幾近靜風狀態(tài)有了較好地改善,天井中下部則改善不大。

秋季天井的通風效果,與朝向1相對比,天井北側(cè)3層的通風較強,2層的通風較弱。而天井對于兩側(cè)走道的通風有較好地改善,其拔風效果也有輕微地增強。

圖6 朝向2通風模擬圖(杭州)

因此,為了冬季防風,將老虎窗取消,導致模擬計算結(jié)果的春季、夏季以及秋季通風效果均有不同程度的減弱,所以為了冬季防風將老虎窗取消得不償失,冬季的防風可通風關閉門窗實現(xiàn)。另外,當建筑旋轉(zhuǎn)22.5°后,其夏季和秋季自然通風效果均有所改善,所以通盤考慮全年風向,選用合適的建筑朝向有利于建筑的自然通風。

6 分 析

對于一個村鎮(zhèn)單棟3層住宅,建筑造型和當?shù)氐娜觑L速、風向是決定其自然通風狀況好壞的重要因素。同時建筑的外立面形狀,對其自然通風也有重要影響。另外,天井為室外氣流流入提供了空間,為背風面房間的自然通風提供了基礎條件。

建筑外立面對氣流影響的基本規(guī)律如下(圖7)：

1)與來流垂直的墻體起到阻擋氣流的作用,氣流受到墻體阻擋后向上下兩個方向前進,且氣流速度降低；

2)與來流成一定角度的墻體能起到改變氣流方向引導氣流的作用；

3)屋面利用貼附原理可以引導氣流向下；

4)天井和老虎窗等結(jié)合,將氣流引入天井并向下,向建筑背風面提供新鮮空氣,可以優(yōu)化背風面的自然通風效果。

本次分析的模型,包括老虎窗、天井以及屋面等對氣流組織的影響見圖8。

圖7 氣流組織基本規(guī)律

圖8 氣流組織規(guī)律

根據(jù)圖8,有利于通風的狀況有b、c、d、f、g、h。其中通風狀況最好的是c和g,住宅的前后部分均能良好自然通風。只有部分自然通風的是b、d、f、h。

其中d和f,均在天井內(nèi)形成方向一致的氣流,d在模型迎風面區(qū)域不通風的情況下,利用屋面和老虎窗,將室外氣流引入天井內(nèi),并送入背風面區(qū)域,促進其自然通風,但是這種情況建筑迎風面應避免設置污染物排放,否則會將污染物送入背風區(qū)域；f則是氣流通過模型迎風面區(qū)域后,經(jīng)過模型天井老虎窗的拔風和導流,從模型背風區(qū)域的屋面高度排出,這種情況污染氣體無論放在哪個部位都合適。

b和h的自然通風均較弱。對于b,通過模型迎風區(qū)域的氣流與經(jīng)屋面和老虎窗引導在天井由上往下的氣流匯集在一起,因為氣流方向相反,在天井內(nèi)形成渦流,且氣流速度慢,長時間滯留在天井內(nèi),不利于污染氣體通過天井排放和擴散。對于h,由于老虎窗的拔風,屋面的引流,背風區(qū)域形成一個自由的內(nèi)循環(huán),一方面促進了模型背風區(qū)域的自然通風,另一方面又因為循環(huán)作用力弱,且自循環(huán),不利于污染氣體排放。

不利于通風的是a和e。兩者的區(qū)別是：對于a,天井內(nèi)的氣流是由上往下；而對于e,天井內(nèi)的氣流是由下往上。同樣在冬季有助于防風,但是e的情況更有利于污染氣體排放。

7 結(jié) 語

綜上所述,可以得到以下結(jié)論：

1)對于村鎮(zhèn)多層住宅,在建筑平面的中間部位設置通風天井,有利于背風面房間的通風,尤其是當迎風面建筑不開窗和門等的時候,室外空氣無法經(jīng)由穿透迎風面房間再進入背風面房間,通風天井可以將室外新鮮空氣引入天井內(nèi)部,并送入背風面房間。

2)住宅建筑屋面外形以及老虎窗等構(gòu)造,能起到阻擋或者引導氣流的作用,在設計階段應充分結(jié)合當?shù)貧庀髼l件和建筑自然通風需求,選用合適的屋面形狀和構(gòu)造,引導天井內(nèi)氣流方向一致通風或者天井底部和頂部氣流方向相反防風,以達到過渡季節(jié)和夏季夜晚等部分時間的通風和冬季防風。

3)建筑墻體等與來流垂直相交能起到阻擋氣流的作用,而當墻體與來流成一定角度(如45°)能起到導流作用,且效果明顯,因此通盤考慮全年風向,設定一定的建筑朝向角有利于建筑自然通風。

4)在新建村鎮(zhèn)住宅中,合理設置通風天井,有利于住宅的自然通風。

因此,在多層住宅建筑平面中部設置天井,并科學合理地設計氣流組織,對房間的自然通風有較大作用。

[1] 唐葆亨. 浙江地域的傳統(tǒng)和建筑形式[J]. 建筑學報,1987(1)：40-45．

[2] 唐葆亨. 義烏傳統(tǒng)民居建筑文化初議[J]. 建筑學報,1990(5)：56-59．

[3] 高云飛,趙立華,陳海銘. 殿堂式客家民居自然通風實測[J]. 南方建筑,2012(1)：72-74．

[4] 宋冰, 白魯建,楊柳,等. 徽州傳統(tǒng)民居夏季室內(nèi)熱環(huán)境研究[J]. 建筑節(jié)能,2015(4)：69-73．

[5] J H Park. Numerical properties of Rudolph Michael Schindler′s houses in the Los Angeles area[J]. The Mathematical Intelligencer,2006, 28(1)：40-49．

[6] Maatouk Khoukhi, Na?ma Fezzioui. Thermal comfort design of traditional houses in hot dry region of Algeria[J].International Journal of Energy and Environmental Engineering ,2012(3):5-14．

[7] 曾志輝. 廣府傳統(tǒng)民居通風方法及其現(xiàn)代建筑應用[D]. 廣州:華南理工大學,2010．

[8] 陳曉揚,仲德崑. 宏村徽州傳統(tǒng)民居過渡季節(jié)室內(nèi)環(huán)境分析[J]. 建筑學報,2009(1)：68-70．

[9] 肖毅強,林瀚坤. 廣州竹筒屋的氣候適應性空間尺度模型研究[J]. 南方建筑,2013(2)：82-86．

[10] 陳秋菊,陳曉揚.徽州民居自然通風優(yōu)化設計方法[J].建筑實踐,2012(11)：56-59．

[11] 劉江喬. 基于巴渝傳統(tǒng)民居被動式降溫模式的村鎮(zhèn)住區(qū)設計研究[D]. 重慶:重慶大學,2014．

Study on the Natural Draught Using Courtyard by the Rural Residence Based on CFD

QIANJie1,2,YAOGuoliang1,ZHENGGuoxin1,WANGJuerong1,ZHUNan3

2016-10-25

科技部“十二五”課題,華東村鎮(zhèn)集約綠色小康住宅建造技術(shù)與集成示范(2013BAJ10B05)

錢 杰(1983—),男，浙江寧波人，工程師，從事建筑節(jié)能和人體熱舒適(常重力、微重力)研究。

TU834.1

A

1008-3707(2017)02-0049-07