传统岭南民居自然通风数值模拟研究

高 娜 胡文斌 吴晨晨

华南理工大学建筑设计研究院

传统岭南民居自然通风数值模拟研究

高 娜 胡文斌 吴晨晨

华南理工大学建筑设计研究院

岭南地区气候湿热，城镇建筑密度高，因此民居空间通风性能尤为重要。本文以岭南地区传统民居形式竹筒屋为研究对象，对其自然通风模式进行CFD数值模拟分析，重点研究室内通风性能随天井尺寸的变化规律。

传统民居 自然通风 热压拔风 CFD

0 引言

竹筒屋为传统岭南民居建筑的典型代表，由于建筑结构紧凑，在岭南地区高聚集度城镇得到广泛应用。竹筒屋平面通常为单开间，进深大，主建筑依照“街巷/庭院—厅堂—主屋—天井”的顺序从前向后依次排列，形如竹节，故名“竹筒屋”。

竹筒屋以其独特的内部空间组织形式，对当地湿热气候具有良好的适应性，营造了明亮而阴凉的居住环境[1]：其纵向延伸的布局可减少太阳热辐射进入室内；庭院及天井具有一定采光作用，避免了室内光线过暗；天井受到太阳辐射而在其内部形成热压拔风，与连通主屋的内走廊（俗称“冷巷”）相连，可有效改善住户通风环境。

作为被动式通风建筑，竹筒屋的通风效果受到建筑朝向、建筑规模、当日气候等多种因素影响。天井热压拔风作为室内通风的“原动力”，其优化设计对于建筑的通风效果具有至关重要的作用。本文拟采用CFD模拟方法对竹筒屋热压通风模式进行定量分析，重点研究天井尺寸对室内通风性能的影响。

1 CFD模型与研究方法

1.1 研究对象

本文以广州地区某竹筒屋民宅为研究对象，该民宅朝向坐北朝南，面宽4m，进深13.5m，设有前庭院及后天井，高度分别为4m、7.5m，宽度分别为4m、1.5m，二者以冷巷连接，如图1（a）所示。其中前庭院、后天井及冷巷可构成一个完整的热压通风体系，如图1（b）所示。

图1 竹筒屋热压通风物理模型

1.2 计算方法与条件

本文采用商用CFD软件Fluent对竹筒屋通风性能进行定量研究。为简化计算过程，模拟研究分为两步进行：首先根据图1（a）所示竹筒屋模型计算夏季典型时刻（夏至日15:00）天井及庭院内墙面平均温度，再以此计算结果作为热边界条件，对图1（b）所示简化模型进行通风模拟。冷巷为室内空间，未直接接收太阳辐射，故在计算中近似为绝热壁面。进出风口均设置为压力入口，以模拟静风环境下竹筒屋自然通风性能。

1.3 天井尺寸选取

根据热压拔风原理[2]，拔风效应的强度与进出风口中心高度差、室内外空气密度差成正比。对于竹筒屋，进出风口中心高度差即天井高度，室内外空气密度差则与天井接收的太阳辐射相关，通常取决于天井高度及横截面积大小。换句话说，在竹筒屋面宽不变的情况下，天井高度h及平面进深a的选取对其热压通风性能起着决定性作用。

传统竹筒屋一般为2～3层，为保证各楼层室内采光，天井高度通常低于建筑高度。天井进深方面，有文献指出[3]，平面进深与宽度比一般在1/1.45～1/3之间。结合本文研究对象实际情况，分别选取“高度/进深”为4m/1.5m、6m/1.5m、7.5m/1.5m 以及 7.5m/1.5m、7.5m/ 2.3m、7.5m/3m共六个天井尺寸作为对比组进行模拟研究。

2 模拟结果分析

通过对图1（a）所示竹筒屋进行太阳辐射模拟，得到天井及庭院热边界条件如图2所示。可以看出，随着天井尺寸变化，其地面和内墙温度有较明显改变。由于庭院尺寸没有变化，其内部温度分布基本维持不变。另外，天井及庭院东墙温度较其它朝向内墙温度高，这是由所选取的典型时刻太阳方位角引起的，随着不同时刻太阳方位角变化，内墙温度分布也会有所不同，但平均温度随天井尺寸变化的规律是类似的。

图2 天井及庭院热边界条件

图2（a）所示为天井固定进深a=1.5m的情况下，天井热边界条件随其高度的变化规律。可以看出，h=4m时，天井内墙及地面温度最高，随着天井高度增加，内墙及地面温度均明显降低。其原因在于，h=4m时，天井内墙可接收到的太阳辐射较多，地面亦可接受到部分太阳辐射直射，当天井高度增加，天井内墙开始受自身遮挡，使大部分内墙及整个地面位于阴影区，仅在其顶端接收少量太阳辐射，因此温度明显降低。

图2（b）所示为天井固定高度h=7.5m的情况下，天井热边界条件随其进深的变化规律。随着天井进深增加，地面温度维持不变，天井内墙温度则有所提高。这是由于天井高度7.5m时，三种进深尺寸下，地面均无法得到太阳辐射直射。另一方面，进深增加使得天井横截面积增大，更多太阳辐射进入天井内部，引起天井内部温度小幅度提高。

基于上述太阳辐射模拟得到的热边界条件，对图1（b）所示竹筒屋通风模型进行热压通风模拟，得到竹筒屋内部热压、风速分布如图3、图4所示。可以看出，“天井—冷巷—庭院”组合形成了完整的“拔风—风道—补风”式热压通风体系：天井顶端与底部受太阳辐射不均匀导致天井内部形成垂直方向较为显著的热压差，进而产生热压拔风，同时上开口庭院将室外新鲜空气引入室内作为补充，冷巷作为连通天井与庭院间的通道，由于尺寸窄小而产生狭缝作用，使冷巷内风速大幅提高。该通风体系从后到前纵贯整栋竹筒屋，通过冷巷与主屋各房间连通，冷巷内高风速可诱导室内热空气排出，实现各房间有效通风。

图3 不同天井高度情况下热压比较（Pa）

图4 不同天井高度情况下通风风速比较（m/s）

图3、图4所示分别为天井固定进深a=1.5m，高度分别为h=4m、h=6m、h=7.5m时的通风模拟结果。当h=4m时，天井及庭院内空气流动方向杂乱，冷巷内部流速几乎为零，这是由于天井与庭院高度相当时，二者在高度方向产生的热压差数值相当，使得两侧拔风作用相互抵消所致。对比图中不同高度天井内热压分布可知，随着天井高度增加，其内部竖直方向热压差逐渐增大，而庭院内热压分布则基本不变。换句话说，随着天井高度增加，天井拔风作用逐渐增强，通风效果随之改善。值得注意的是，随着天井高度增加，天井内平均温度有一定程度下降（如图2（a）所示），导致天井内外空气密度差降低，对热压拔风产生一定消极影响，但由于出入风口高程差同时增加，热压差仍得到明显提高。当h值达到7.5m时，天井、庭院内空气流速均达到0.5m/s以上，而冷巷内流速在狭缝效应下更是达到1m/s以上。

图5 不同天井宽度情况下热压比较（Pa）

图5、图6所示分别为天井固定高度h=7.5m，宽度分别为a=1.5m、a=2.3m、a=3m时的通风模拟结果。可以看出，在h=7.5m条件下，三种尺寸的天井内均产生较强的热压拔风作用，随着天井宽度增加，天井内部平均温度逐渐提高（如图2（b）所示），天井内外空气密度差增大，竖直方向热压拔风风速得到小幅度提高，而天井宽度达到2.3m时，其宽度增加对拔风效应的影响不再明显。对比图4、图6可知，增加天井宽度对建筑通风的改善效果远差于提高天井高度，且广州城镇地区用地紧张，增加天井宽度不利于节地需求，因此设计中应以提高天井高度作为改善竹筒屋通风的首选方式。

图6 不同天井宽度情况下通风风速比较（m/s）

3 结论

本文通过对不同天井尺度的竹筒屋模型进行通风性能分析，得到主要结论如下：

1）室外无风环境下，竹筒屋依靠“天井—冷巷—庭院”组合构成的热压通风体系可实现室内良好通风。

2）增加天井高度可显著改善竹筒屋热压通风，通常情况下，可作为提高室内通风性能的首选方式。

3）增加天井宽度对竹筒屋热压通风性能有小幅度提升作用，在用地紧张的城镇密集区，增加天井宽度具有一定局限性。

传统岭南竹筒屋采用被动式方法提高建筑通风性能，其中蕴涵的绿色通风智慧，对于现代建筑设计具有重要的借鉴意义。由于模拟条件限制，本文模拟并未考虑太阳高度角变化及围护结构蓄热对模型热边界条件的影响。进一步工作将考虑各方面外部因素，进行更详尽、精确的模拟研究。

[1] 肖毅强,林瀚坤.广州竹筒屋的气候适应性空间尺度模型研究[J].建筑论坛,2013,(2):82～86

[2] 王汉青.通风工程[M].北京:机械工业出版社,2007

[3] 余欣婷.广府地区传统民居自然通风技术研究[D].广州:华南理工大学,2011

Numerical Simulation of Natural Ventilation in a Traditional Dwelling Located in Lingnan Region

GAO Na,HU Wen-bin,WU Chen-chen
Architectural Design&Research Institute,South China University of Technology

Good ventilation performance is especially important for dwelling in Lingnan region,adapting the humid subtropical climate and high urban density.Natural ventilation mode in the traditional dwelling called bamboo-tube house was numerically investigated by Computational Fluid Dynamics (CFD),and a change behavior of ventilation performance with patio dimensions was focused studied.

traditional dwelling,natural ventilation,bamboo-tube house,CFD

1003-0344（2015）04-076-4

2014-4-13

高娜（1988～），女，硕士；广州市华南理工大学建筑设计研究院（510641）；020-22238228；E-mail:gao_na_0424@163.com

广东省重大科技专项（2012A010800028）