浙中传统民居自然通风实测及数值模拟分析

李峥嵘 李晓彬 赵群

1同济大学机械与能源工程学院

2同济大学建筑城市规划学院

1 研究对象介绍

以浙江省建德市大慈岩镇新叶村的双美堂为研究对象，建筑总高度6.3m，地上两层，中庭从地上一层开始，贯通整个建筑，双美堂分别于前厅中央与后厅东侧设置两个与室外相连通的天井，以获得良好的通风采光效果。

2 实测数据分析

2.1 测试仪器

本次测试采用多功能测量仪和多参数测试仪等风速测量仪器分别在白天和夜间于天井，外门和通道等处布置测点测量风速的大小，并采用烟气飘零和绳索悬挂的方法来确定室内风向，最终结合当地气象条件和被测试对象建造的格局，得出了此次测量对象中白天和夜晚室内气流的走向。测试所用仪器的具体参数见表1。

表1 测试参数及使用仪器

2.2 测试方案

本次测试主要是研究天井式传统民居中的通风效果，挑选了夏季正常天气情况下的某一白天和晚上对其进行了测量，在主要进出口及天井处布置测点，测点的水平位置见图1，所有测点垂直高度均为1.5m。

图1 双美堂底层平面风速水平测点布置图

2.3 结果分析

由于仪器数量和人员的限制，在对双美堂进行通风测试时，无法在各测点同时配备人员与仪器，所以只能在不同时间段对各测点进行分别测量，图2和图3分别是白天与夜间对测点1和测点8的风量统计。

图2 白天测点1与测点8通风量

图3 夜间测点1与测点8通风量

新叶村由于地理形势，白天主要刮北风。分析数据初步可得：白天在风压作用下，双美堂前庭的前院大门主要为进风口，其中一部分风量通过前厅天井流向室外，剩余一部分流过连接两厅的通道进入后厅，而在实测过程中，由于厨房门一直处于关闭状态，导致整个后庭气流非常微弱，仪器无法获得精确的风速及风向。夜间由于前院大门和后院大门均处于进风状态，所以可以初步判断是由于温差和高差原因导致的热空气不断上升，而两侧的冷空气就通过沿廊，向天井不断补充，形成冷热空气的温差对流。由于通过实测无法确定风压和热压的主导作用，所以借助CFD软件对其进行深入分析。

3 数值计算及分析

3.1 CFD模型

由于本次研究主要是针对双美堂地上一层的自然通风效果，所以根据实际建筑的格局在建立模型的时候进行了适当的简化，由于不涉及东西两厢房、南北两厢房以及地上二层的室内气流走向，所以在CFD模型中统一将不相关的空间略去，最终根据测绘图纸将模型简化如图4所示。

图4 CFD简化模型

3.2 数值模拟计算

建筑物外表面风压的大小和分布是室内通风数值模拟不可缺少的资料，由于迄今尚未见到比较系统的反映建筑物外表面风压分布规律的研究成果，因此笔者采用数值模拟的方法研究不同风速、风向下的流场和压力场，从而求出不同工况下的风压分布规律，并把研究的结果作为下一步数值计算的边界条件[1]。

图5 热压引起的风速分布矢量图

夜间热压通风模拟，由于白天双美堂围护结构通过天井接受太阳的辐射热，蓄存于围护结构内部，夜间充当着一个发热源的角色，本次模拟统一将热量平均分配于地面，由于无法测得精准的热流密度，相应的以恒定的温度来代替，根据温湿度计测试数据获得夜间地面的平均温度值为303K，室外的平均空气温度为301K，模拟结果如图5和表2所示。

表2 进出风口通风效果

根据模拟结果从定性的角度分析，夜间单凭热压通风，气流组织的大体流向与实际测试相符合，前厅天井由于热空气的上升所产生的拔风作用强于后庭的天井，中间过道的风向指向前厅，但是风量与测试获得的数据却有一定的差别，分析原因是忽略了风压的抽吸作用，当室外空气以沿着与天井平行的轨道流过时，天井口处会形成微量的负压，这时配合室内热压的用，总的压力效果会有一定程度的加成，室内自然通风的吹风感加强。也有可能是由于整个建筑群落中的相互遮挡作用，改变了原始风向，导致部分空气流从后院大门吹入双美堂后厅，给人以比较强烈的吹风感。对比实测数据，在测试时间段内，微弱的室外风速抵消了双美堂后厅的部分热压作用，导致整个后院大门进风量有所降低。

在进行白天风压作用下室内自然通风模拟时，首先根据测试数据，取测试时间段内正门处的最大风速为1m/s，后院形成微量的负压，这时忽略热压的作用，考虑纯风压下的一个室内气流走向，结果如图6和表3所示。

图6 风压引起的风速分布矢量图

表3 进出风口通风效果

对比风压和热压的模拟结果，可以看出在1m/s风速的情况下，后院大门的出风量大于在纯热压情况下后院大门的进风量，中间过道在两种压力的作用情况下气流走向也截然不同，而且风速一直很小，这也正好验证了在实测情况下，由于室外风速风向的不固定性，无法正确获得过道处的风速大小及方向，而且后院大门处的吹风感也一直不是很强。

针对以上的初步分析可以得出，对于双美堂前厅来说，无论是在风压还是在热压作用情况下，前院大门和前厅天井始终扮演着进风口和出风口的角色，风压和热压的作用力是一个相互叠加的过程，所以无法清晰地判别出是以怎样的压力驱动通风为主，只能简单地通过过道进出风量来描述。而对于双美堂后厅来说，后院大门在风压和热压分别作用的情况下，相对于室内来说，分别是处于出风和进风的状态，风压和热压的作用力相反，所以单单针对后厅来说，可以通过后院大门的进出风状态来判别其是以怎样的压力驱动通风为主的[2]。

从图7及表4可以看出，当室外风速达到0.8m/s的时候，双美堂后院大门的进出风量近似相等，可以说明此时对于双美堂后厅而言，热压和风压的作用力是相等的。

图7 风压引起的风速分布矢量图

表4 进出风口通风效果

4 结论

本篇论文只针对新叶村双美堂单幢建筑而言，在实测数据的基础上，借助CFD软件分析其室内在热压和风压作用下的自然通风流向，天井作为引风口，起着组织和枢纽的作用。当风速较大，风向正常时，风从前院大门吹向厅堂，进入沿廊，从天井、庭院回归自然，形成对流。如果夜间风力极为轻微，甚至静止时，天井与沿廊的引风、出风职能刚好相反。天井处的气流存在温差和高差，热空气不断上升，而两侧的冷空气就通过沿廊，向天井不断补充，形成冷热空气的温差对流[3]。

由于缺乏整个村落的建筑布局及当地的气象参数，无法描述双美堂位于整个建筑群落里时的室内自然通风情况，这也是以后在研究自然通风时需要考虑和关注的一个问题。

[1]谢浩.岭南民居的自然通风[J].城镇风貌与建筑设计,2007,(12):58-62

[2]王战友.自然通风技术在建筑中的应用探析[J].建筑节能,2007,(7):20-23

[3]林波荣,谭刚.皖南民居夏季热环境实测分析[J].清华大学学报,2002,(8):1071-1074