深圳市居住建筑自然通风模拟分析

闫自成 杨帅

【摘要】以ANSYS Fluent作为模拟软件，对某住宅楼室内外自然通风进行模拟，分别以不同朝向的主卧、客厅和厨房、电梯厅为对象，分析在自然通风情况下室内气流组织、空气流速以及自然通风的节能潜力。

【关键词】自然通风，模拟，风速，节能

0.引言

自然通风可以在不消耗能源的情况下降低室内温度，带走潮湿气体，达到人体热舒适，有利于减少建筑能耗。对一般的舒适性空调系统而言，室内的冷热负荷在一年四季内受室外气候影响较大，在一年内的许多时间内，空调系统的运行是不必要的，利用通风就可以满足过渡季节的需要 [1]。

《国务院关于加强节能工作的决定》中要求只有当室内温度高于26℃时才能开启空调，但其实室内温度在26～29℃之间时通过开窗通风换气，还是可以忍受，因为自然通风能明显提高人体舒适温度上限值，研究表明，处于风速1m/s，相对湿度50%的环境时，人体热舒适温度能达到29℃；当风速增加为2m/s，相对湿度50%时，人体热舒适温度能提高到30℃[2]。本文选取深圳市某住宅楼5个不同朝向的户型，模拟在夏季主导风向下，室内风速和气流组织分布，发掘自然通风对室内降温的节能潜力。

1.模拟验证

目前国际上自然通风设计方法主要有两大类，即：网络法和CFD（ComputatinalFluldDynamics中文计算流体力学）方法。本文将采用目前国际上计算空气流动比较流行的CFD软件ANSYS Fluent，对深圳市某户型进行室内自然通风模拟。计算湍流模型采用RNG k-ε模型，压力和速度耦合方式采用SIMPLE算法，计算中各项残差设置为10-6。

1.1 建筑外表面压力分布

选取一栋30层标准户型楼栋，建筑总高度87m，楼栋朝向为南偏东32°。根据《中国建筑热环境分析专用气象数据集》提供的数据：设定夏季主导风向为东南，基准高度处（10m）平均风速取为2.2m/s，在夏季主导风向和风速下，该楼栋表面压力分布如图2-1和圖2-2所示。

图2-1 建筑迎风面压力分布 图2-2 建筑背风面压力分布

为方便户型研究，根据楼栋室外风压分布情况，选取第15层户型进行室内自然通风模拟分析，选取户型模型及周围压力分布如图2-3和图2-4所示。

图2-3 标准层户型模型 图2-4 标准层周围压力分布

做室内自然通风模拟时，根据外窗（包括阳台门）上压力值大小，分别设置压力进口（Pressure-inlet）和压力出口（Pressure-outlet）。

1.2 主卧自然通风模拟

本项目为优化室内通风及采光效果，在所有户型（a、b、c、d、e）主卧墙上增加侧窗（1200×900），当主卧门关闭后，卧室内通过外窗和侧窗形成独立的通风路径，通风效果如图2-5所示。

图2-5 主卧独立自然通风风速图

如图所示，由于增加侧窗，在主卧门关闭时，主卧内能形成独立的有效通风路径，其中b、d户型通风效果较好，平均风速为0.8～1.0m/s，a、c、e户型平均风速为0.5～0.8m/s。

1.3客厅与厨房自然通风模拟

当所有卧室门关闭后，室内空气流场会发生变化。此时客厅与开启的厨房门连通起来，且通过阳台门和厨房外窗形成通风路径。各户型客厅与厨房通风效果如图2-6所示。

图2-6 客厅与厨房通风风速图

如图所示，c户型通风效果较好，平均风速为0.8～1.2m/s，其余户型平均风速为0.5～0.8m/s。

2.结论

通过对本户型室内外自然通风模拟分析，可得到以下结论：

（1）通过合理的规划，优化建筑朝向和户型，保证最多的外窗迎向夏季主导风向，可形成更多的穿堂风。

（2）在夏季主导风向和风速下开启门窗时，主卧平均风速能达到0.8m/s，客厅平均风速能达到1.0m/s。此时人体热舒适温度为29℃。研究表明，在夏季，室内设计温度每升高1℃，空调系统约将减少能耗5～7%[3]。充分利用自然通风，在不开空调或少开空调的情况下可节约空调能耗15%～20%。

参考文献：

[1]胡晓峰. 深圳市居住建筑自然通风热舒适与节能效果研究[D]. 广州大学，2007.05：1～2.

[2]Tanabe，S，Kimura，K. Effect of air temperature， humidity， and air movement on thermal comfort under hot and humid condition[J].ASHRAE Transactions，1994，100（2）：953-969

[3]嵆赟喆. 空气流速对人体热舒适影响的研究[D]. 天津大学，2002.02：6.