基于CFD的村镇住宅利用天井自然通风研究

钱 杰,姚国梁,郑国鑫,王珏蓉,朱 楠

(1.浙江省建筑设计研究院,浙江 杭州 310006；2.教育部深空探测联合研究中心,重庆 400030；3.浙江武弘建筑设计研究院有限公司,浙江 杭州 310030)

基于CFD的村镇住宅利用天井自然通风研究

钱 杰1,2,姚国梁1,郑国鑫1,王珏蓉1,朱 楠3

(1.浙江省建筑设计研究院,浙江 杭州 310006；2.教育部深空探测联合研究中心,重庆 400030；3.浙江武弘建筑设计研究院有限公司,浙江 杭州 310030)

通过CFD技术模拟天井对一种村镇住宅的自然通风效果。通过模拟不同风速、风向,其结果显示：天井为背风面房间的自然通风提供有利条件；建筑朝向以及外界风向对天井的通风效果有着较大的影响。同时,结合杭州气象条件,通过对有无导流构造的通风模拟,可以看出导流构造对于天井通风的影响。最后得出,结合恰当的建筑朝向以及适当的导流构造如老虎窗、一定外形的屋面等,结合天井,可有效改善住宅的自然通风状况。

天井；自然通风；村镇住宅； CFD

1 概 述

被动式建筑节能技术具有成本低廉、超低能耗的特点,因此是建筑节能的首选方式。天井作为一种院落空间的组合方式,在浙江[1-2]、广东[3]、安徽[4]、福建等地区有着广泛应用,是我国华东、华南等地区常用的一种建筑构造。国外学者[5-6]在其论著中对天井有所提及。根据相关研究,天井具有加强通风的效果[4,7-9]。其中,肖毅强教授对广州竹筒屋天井空间尺度进行分析研究,得出天井尺度变化对室内通风影响较大[9]；陈秋菊等认为徽州民居竖长型天井通风采光综合效果最佳[10]；刘江乔认为天井内外联系上下贯通的特性,可使其向上通风纳气,向下除污涤秽,充分发挥出气候调节的作用[11]。本文立足于浙江地区村镇住宅,将利用天井通风作为研究对象,依托CFD技术,分析其对住宅通风的规律和原理。

CFD即计算流体动力学,是近代流体力学数值数学和计算机科学结合的产物。它以电子计算机为工具,应用各种离散化的数学方法,对流体力学的各类问题进行数值实验、计算机模拟和分析研究,以解决各种实际问题。它是研究和解决风环境问题的一种重要工具。

2 模型与CFD边界条件

2.1 模型

选用浙江村镇常见的一种住宅模型,为半坡建筑,总共3层,局部2层,住宅三维模型见图1，单层平面见图2。

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

2.2 CFD边界条件

本文采用PHOENICS 2012软件通风模拟计算,10 m高度风速选用3 m/s,因住宅模型东西对称,模拟时风向分别采用北风(NN)、东北风(NE)、东风(EE)、东南风(ES)和南风(SS)5个。

图1 住宅三维模型

图2 住宅单层平面图

3 计算结果

图3是本次的计算结果,依次是北风(NN)、东北风(NE)、东风(EE)、东南风(ES)和南风(SS)。

其中,当刮北风(NN)时,气流由住宅北面的窗穿透建筑与经住宅屋顶老虎窗引流向下的气流汇集在一起,相互抵消,在天井的上部区域形成局部涡流和相对静风区域,其余气流在天井内从上往下透过住宅南部的1层楼梯向南运动并穿出住宅继续向南。

当刮东北风(NE)时,住宅尤其是天井内的气流与北风(NN)时相似。区别是,在天井内,老虎窗导流向下的气流与由北窗进入透过住宅到达天井的气流汇流,彼此冲突相互抵消的作用减弱,进而汇流向下,通过住宅南部1层楼梯间口向西南方向推进。

刮东风(EE)时,天井内部为相对静风区域。天井上方的气流水平流向西北方向,与天井没有产生交互。北侧3层房间有气流进入天井,以及建筑西侧有少量气流流入西侧走廊,天井内部的气流流动较少较缓。因此可以得出,该建筑模型的天井在风向为东风时,基本没有通风效果。

东南风(ES)时,来流通过南窗进入住宅室内,由于住宅南面仅有一层楼梯间门洞与天井相连,因此气流进入室内后沿墙体向下运动,经过一层楼梯间门洞进入天井,随之气流沿天井向上,与经住宅屋顶老虎窗导流跃起的气流汇合后向西北方向运动。因为天井内气流向上形成的负压,将住宅南部室内气流牵引进天井,在住宅南部室内形成与室外气流相反的运动,从而也促进了住宅南部室内的通风。

南风(SS)时的通风效果与东南风相似,但是风量和风速较东南风小。因为来流与墙体垂直相交,经与墙体碰撞方向相反的气流互相抵消,形成较多的涡流区域或者静风区域,从而造成进入天井的气流相对减少。通风效果没有东南风(ES)好。

4 屋面构造导流分析

建筑屋面的构造形式对天井内气流运动有较大的影响,因此对此作进一步分析。以原始住宅模型作为对比,重新模拟计算取消老虎窗后的住宅模型的风环境,比较两者差别。图4是老虎窗取消后的模拟计算结果。

将图3和图4比较发现,当吹北风(NN)时,取消老虎窗后,老虎窗对由北向南气流的引入天井作用消失,因此,一部分气流经过住宅北面空间后进入天井并向上运动,最后并入屋顶由北向南的气流,造成由天井向下运动并通过住宅南面房间的气流减少,风速也略有减弱。当吹东北风(NE)时,上述的作用更加明显。

当吹东风(EE)时,老虎窗和建筑屋顶与气流基本平行,住宅亦没有相关的通风口允许气流穿透,因此,模拟计算结果比较紊乱,天井对于自然通风的作用不明显。

当吹东南风(ES)时,取消老虎窗之后,由东南向西北方向的气流首先经过住宅南面的区域,然后经过一层的门洞进入天井,在天井内向上运动。此时与掠过住宅屋面,经由屋面导流由上向下的气流汇集,两者相互抵消后,最终呈现以较弱的速度在天井上方向西北方向运动,天井内的气流方向紊乱,且风速低。而有老虎窗的模型,由于老虎窗将屋顶的气流引导跃起,越过天井向西北方向运动,使天井顶部到老虎窗顶部的水平区间形成相对负压区,起到抽引天井内气流向上的作用,因此天井内气流方向一致,且风速较高。当南风(SS)时,基本与东南风(ES)一致,相对影响减弱。

图4 无老虎窗的模拟计算结果

5 模拟应用分析

将以上模拟计算结果作为参考,采用杭州气象参数,将住宅模型的通风效果做模拟计算。杭州的主要气象参数见表1(出自中国建筑热环境分析专用气象数据集)。

根据上文论述,朝向对建筑的自然通风状况有重要影响。因此,根据杭州的气象条件,本次计算模型选用南北朝向(朝向1)和东北—西南朝向(朝向2)两种。在上文模型中的老虎窗,具有将北风引入天井的作用,促进自然通风。考虑冬季防风且杭州冬季主导风向为北风,所以在本次模拟计算中,将老虎窗取消。

图5为朝向1模拟计算结果。

表1 杭州气象参数

图5 朝向1通风模拟图(杭州)

从图5中春季部分可以看出,天井内部呈相对静风区域。南南西风(SSW)吹过建筑,从天井上方直接流过,并对天井产生轻微的拔风效果。但是拔风效果相对于有老虎窗时小了很多。3层西侧走廊对天井有相对较好的通风作用,但是其余部分则基本没有通风。

夏季的主导风是东风,平均风速为2.93 m/s。从夏季图中可以看出,天井内部和春季时相差不大,整体呈现为一个相对静风区域。区别于春季,天井在夏季有微弱的进风,但影响不大,整体通风效果较差。

秋季主导风向是北西北风(NNW),平均风速在2.66 m/s左右。从图5可以看出,以三层地板为界,天井上下部的气流方向相反。由透过窗进入天井内的气流向上与屋顶的气流汇合后向北前进,天井内形成向上及较高的风速。天井下部则是一个气流向下的低风速区域,在靠近南侧天井墙壁的位置气流流速相对较大。

因此,朝向1在春季和夏季通风效果不佳。

图6为朝向2模拟计算结果,朝向2为东北—西南朝向,即将朝向1旋转-45°。相对于朝向1,春季天井顶部有较弱的拔风效果,但是其效果相对有老虎窗时较差。天井其他部分的通风效果则仍旧与朝向1相似。总体而言,天井在建筑变动后的通风效果仍旧偏差。

夏季天井的通风效果有了一定的提升,尤其是3层的通风。从图6夏季部分中可见,气流从北部房间涌入天井,然后从天井顶部离开,相对于朝向1几近静风状态有了较好地改善,天井中下部则改善不大。

秋季天井的通风效果,与朝向1相对比,天井北侧3层的通风较强,2层的通风较弱。而天井对于两侧走道的通风有较好地改善,其拔风效果也有轻微地增强。

图6 朝向2通风模拟图(杭州)

因此,为了冬季防风,将老虎窗取消,导致模拟计算结果的春季、夏季以及秋季通风效果均有不同程度的减弱,所以为了冬季防风将老虎窗取消得不偿失,冬季的防风可通风关闭门窗实现。另外,当建筑旋转22.5°后,其夏季和秋季自然通风效果均有所改善,所以通盘考虑全年风向,选用合适的建筑朝向有利于建筑的自然通风。

6 分 析

对于一个村镇单栋3层住宅,建筑造型和当地的全年风速、风向是决定其自然通风状况好坏的重要因素。同时建筑的外立面形状,对其自然通风也有重要影响。另外,天井为室外气流流入提供了空间,为背风面房间的自然通风提供了基础条件。

建筑外立面对气流影响的基本规律如下(图7)：

1)与来流垂直的墙体起到阻挡气流的作用,气流受到墙体阻挡后向上下两个方向前进,且气流速度降低；

2)与来流成一定角度的墙体能起到改变气流方向引导气流的作用；

3)屋面利用贴附原理可以引导气流向下；

4)天井和老虎窗等结合,将气流引入天井并向下,向建筑背风面提供新鲜空气,可以优化背风面的自然通风效果。

本次分析的模型,包括老虎窗、天井以及屋面等对气流组织的影响见图8。

图7 气流组织基本规律

图8 气流组织规律

根据图8,有利于通风的状况有b、c、d、f、g、h。其中通风状况最好的是c和g,住宅的前后部分均能良好自然通风。只有部分自然通风的是b、d、f、h。

其中d和f,均在天井内形成方向一致的气流,d在模型迎风面区域不通风的情况下,利用屋面和老虎窗,将室外气流引入天井内,并送入背风面区域,促进其自然通风,但是这种情况建筑迎风面应避免设置污染物排放,否则会将污染物送入背风区域；f则是气流通过模型迎风面区域后,经过模型天井老虎窗的拔风和导流,从模型背风区域的屋面高度排出,这种情况污染气体无论放在哪个部位都合适。

b和h的自然通风均较弱。对于b,通过模型迎风区域的气流与经屋面和老虎窗引导在天井由上往下的气流汇集在一起,因为气流方向相反,在天井内形成涡流,且气流速度慢,长时间滞留在天井内,不利于污染气体通过天井排放和扩散。对于h,由于老虎窗的拔风,屋面的引流,背风区域形成一个自由的内循环,一方面促进了模型背风区域的自然通风,另一方面又因为循环作用力弱,且自循环,不利于污染气体排放。

不利于通风的是a和e。两者的区别是：对于a,天井内的气流是由上往下；而对于e,天井内的气流是由下往上。同样在冬季有助于防风,但是e的情况更有利于污染气体排放。

7 结 语

综上所述,可以得到以下结论：

1)对于村镇多层住宅,在建筑平面的中间部位设置通风天井,有利于背风面房间的通风,尤其是当迎风面建筑不开窗和门等的时候,室外空气无法经由穿透迎风面房间再进入背风面房间,通风天井可以将室外新鲜空气引入天井内部,并送入背风面房间。

2)住宅建筑屋面外形以及老虎窗等构造,能起到阻挡或者引导气流的作用,在设计阶段应充分结合当地气象条件和建筑自然通风需求,选用合适的屋面形状和构造,引导天井内气流方向一致通风或者天井底部和顶部气流方向相反防风,以达到过渡季节和夏季夜晚等部分时间的通风和冬季防风。

3)建筑墙体等与来流垂直相交能起到阻挡气流的作用,而当墙体与来流成一定角度(如45°)能起到导流作用,且效果明显,因此通盘考虑全年风向,设定一定的建筑朝向角有利于建筑自然通风。

4)在新建村镇住宅中,合理设置通风天井,有利于住宅的自然通风。

因此,在多层住宅建筑平面中部设置天井,并科学合理地设计气流组织,对房间的自然通风有较大作用。

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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”课题,华东村镇集约绿色小康住宅建造技术与集成示范(2013BAJ10B05)

钱 杰(1983—),男，浙江宁波人，工程师，从事建筑节能和人体热舒适(常重力、微重力)研究。

TU834.1

A

1008-3707(2017)02-0049-07