几种典型建筑构造的自然通风特性数值分析研究

李文杰 （ 天津生态城绿色建筑研究院有限公司，天津 300001）

几种典型建筑构造的自然通风特性数值分析研究

Numerical Analysis on Natural Ventilation in Several Typical Building System

李文杰 （ 天津生态城绿色建筑研究院有限公司，天津 300001）

过渡季的建筑自然通风可以有效节约运行能耗，改进室内环境。建筑中的中庭、内庭院等构造方式，不仅使得建筑平面布局更加灵活多变，更能增强建筑的自然通风效果。以 3 个典型建筑为例，通过数值模拟的方法，分析中庭、内庭院几种构造形式的自然通风特性，比较其通风效果及适用条件，为建筑方案设计提供了参考。

自然通风；中庭；数值模拟；内庭院

自然通风是指依靠室外风力造成的风压和室内外空气温度差造成的热压，在不依赖机械设备的情况下，促使空气自然流动的通风形式。自然通风能够排出室内污浊空气，将室外的新鲜空气带入室内，同时不依赖机械设备，减少了电能的消耗。因此，在过渡季节能有效进行自然通风的建筑，可以大大减少运营成本，并改善室内使用人员的舒适度和使用感受。良好的建筑通风，是降低制冷能耗的重要手段，也是最自然的节能措施[1]。

建筑的自然通风分为热压和风压两种。热压自然通风主要与建筑在垂直方向上的形体结构相关，例如中庭、风塔、风帽都可以促进热压自然通风。风压自然通风和建筑的平面布局、建筑的外窗可开启扇数量、朝向相关性较大，同时也和内部门窗布置有关[2]。

“庭院空间”定义为“由建筑物围成并具有一定景象的空间，用以作为人们室内活动场地的扩大与补充，并有组织地完善与自然空间的过渡”[3]。按中国的传统观念，庭是指堂前屋后之空地，院是指围合而成的活动空间。建筑的中庭是指建筑内的庭院空间，而内庭院是指建筑内部围合而成的庭院。两者的区别在于，前者位于建筑内部，顶部为天窗或屋顶；后者位于建筑外部，由建筑外墙合围而成。

由于涉及到建筑造型的变化，风塔、风帽的实际应用受到一定的限制，中庭成为了利用热压自然通风的常见构造之一。由于热压作用在垂直平面上，中庭的热压通风效果和顶部开启形式有较大关联。同时，建筑内部合围而成的建筑内庭院也能促进自然通风，其效果和内庭院的是否封闭有较大关联。综上所述，本文选取典型项目，着重分析以下 4 种构造：① 顶部不可开启中庭；② 顶部可开启中庭；③ 内庭院；④ 半封闭内庭院。

1 技术路线

1.1 热压通风原理

进入建筑内的空气，温度升高，密度变小，形成压差促使空气流动。热压自然通风的热压值可用式(1)表示：

式中：ΔPs——热压压差，Pa；

h——进排风口中心线的垂直距离，m；

g——重力加速度，kg/m2s；

ρe,ρi——室内外空气密度，kg/m3。

由此可见，建筑物进、排气口的高度差及室内外空气的密度差是形成热压必不可少的条件。

1.2 风压通风原理

风压通风就是利用建筑的迎风面和背风面之间的压力差实现空气的流通。压力差的大小和建筑形式、周围环境及建筑与风的夹角有关。同时，风压通风的效果也受到建筑开窗大小、平面布局的影响。风压自然通风的压差可以用下式表示[4]：

式中：ΔPw——风压，Pa；

k——空气动力系数；

ρ——空气密度，kg/m3；

υ——空气速度，m/s。

1.3 数值模拟方法

采用有限体积法对过渡季节各建筑自然通风状况进行模拟，采用三维湍流非稳态模型。室内空气流动采用以下假设：① 室内空气低速流动，看作不可压缩流体，符合Boussinesq 假设；② 假设空气只从送风口进，从回风口出，不考虑回流和门窗漏气的情况；③ 不考虑人为的门窗开关造成的影响；④ 湍流符合 k-ε 假设；⑤ 不考虑人员活动较少、大多数时候为封闭的房间,如机房、设备间、电梯间的通风情况。那么，数值模拟应满足以下控制方程。

(1) 连续性方程：

式中：ui分别为 i 3 个方向上的速度。

(2) 动量方程

式中：ρ——流体密度；

P——静压；

ιij——应力张量；

gi—— i 方向的体积力。

(3) 能量方程见下：

式中：E——流体内能；

λ——流体的导热系数；

pdivU——表面力对流体微元体所做功；

Φ——由于粘性作用机械能转化为热能的部分，称为耗散系统。

(4) 标准 k-ε 方程

其中，G1取 1.44，G2取 1.92，G3取 0.09。

式中：GK——由于平均速度梯度引起的湍动能的产生；

Gb——由于气流影响引起的湍动能产生；

YM——可压缩湍流脉动膨胀对总的扩散率的影响。

1.4 典型项目选取及参数确定

本文对以下 4 种建筑构造进行模拟分析：① 顶部不可开启中庭；② 顶部可开启中庭；③ 内庭院；④ 半封闭内庭院。因此，对于每种构造，选取典型的建筑进行模拟分析。最终选取的项目情况如下：项目 1：某 4 层办公建筑，建筑面积 1.29 万 m2，其中设有中庭，分别模拟天窗开启和不开启的情况。项目 2：某 6 层办公建筑，建筑面积 2.46万 m2，中间为封闭式内庭院构造。项目 3：某 3 层宿舍建筑，建筑面积 0.92 万 m2，中间为半封闭式内庭院构造。各项目平面图见图 1～3。

图1 项目1 平台图

图2 项目2 平台图

图3 项目3平台图

2 模拟结果及分析

2.1 顶部不可开启中庭自然通风模拟分析

对项目 1 天窗未开启的情况进行模拟，选取其 1 层和4 层 1.5 m 高处的平面气流组织图见图 4。

图4 项目 1 天窗不开启情况下过渡季自然通风气流组织图

在以上模拟结果中可见，空气由 1 层外窗进入，由 4层外窗排出。可知，这种情况下，在过渡季节，室外空气由1 层外窗进入室内，受到室内设备、人员散热的影响，温度升高，密度降低，形成热压压差。随后由中庭上升，并经过4 层的外窗排出。

根据竖直剖面温度云图(图 5)，可见热空气由中庭上升后，经过 4 层的外窗排出，温度最高、最为污浊的空气积累在 4 层的靠近外窗的位置。

图5 项目 1 天窗不开启情况下过渡季自然通风温度云图

2.2 顶部可开启中庭自然通风模拟分析

对项目 1 天窗未开启的情况进行模拟，选取其 1 层和4 层 1.5 m 高处的平面气流组织图(图 6)。

图6 项目1天窗开启情况下过渡季自然通风气流组织图

从以上模拟结果中可见，当天窗开启时，1 层和 4 层外窗均有空气进入，而从天窗排出。同时，相比天窗未开启的情况，1 层进入的空气量有所增加。在这样的情况下，4 层的空气质量有所改善。根据竖直剖面温度云图可见，在天窗开启时，上升气流不再经由 4 层外窗排出，3、4 层的空气质量有所改善。

2.3 内庭院自然通风模拟分析

对于有内庭院的项目，其内庭院位于建筑外墙之外，因此不受建筑内人员、设备散热的影响，较难形成热压通风。但在自然通风条件下，建筑迎风面形成正压，背风面形成负压，空气实际上由迎风一侧经内庭院输送到背风一侧。

2.4 半封闭内庭院自然通风模拟分析

对于内庭院为半封闭的项目 3，其内庭院侧外窗的表面风压受室外场地风环境影响较大，当内庭院的开口侧正对室外风方向时，内庭院外窗成为室内空气入口，而其他外窗成为了空气出口。

2.5 综合比较分析

综上所述，以上几种建筑构造的自然通风状况可用图 7表示。

图7 几种不同构造的自然通风状况示意图

由此可知：(1) 中庭虽然有利于建筑自然通风，但在没有可开启天窗的情况下，污浊空气由较高楼层的外窗排出，实际上影响了较高楼层外窗侧空间的空气品质。因此，在有条件的情况下，设置可开启天窗可以有效改善自然通风状况。

(2) 建筑内庭院的形式虽然比较大进深的布局更能促进自然通风，但根据压差来模拟，庭院内的空气还是会再次进入建筑内部，实际上影响了下风向侧建筑空间的空气品质。半封闭式的内庭院布局在这个问题上相对纯封闭的内庭院布局有一定改善。

3 结 语

自然通风对降低公共建筑能耗至关重要。本文运用数值模拟方法，对中庭、内庭院布局的自然通风特性进行了分析，为建筑设计提供了一定的参考。

[1]薛志峰,杨秀,江亿.超低能耗建筑技术及其应用[M] .北京:中国建筑工业出版社,2005.

[2]李文杰.天津某公共建筑室内自然通风模拟优化研究[J] .绿色建筑,2013,3(5):25-27.

[3]肖剑.小议庭院空间[J].山西建筑,2001,27(8):24-25.

[4]郭春梅,陈旭东. CFD技术在绿色建筑自然通风设计中的应用[J].洁净与空调技术,2012,6(2):5-8.

TU50

A

1674-814X(2017)02-0051-04

中新天津生态城中新科技合作计划课题：“室内通风净化系统(PM2.5)关键技术研究”

2016-12-25

李文杰，现供职于天津生态城绿色建筑研究院有限公司。作者通信地址：天津市滨海新区生态城科技园低碳体验中心二楼，邮编：300001。