建筑平面布局和朝向?qū)κ覂?nèi)自然通風(fēng)影響的數(shù)值模擬

丁 勇,李百戰(zhàn),沈 艷,蘇瑩瑩

(重慶大學(xué) 三峽庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶400045)

自然通風(fēng)是利用自然資源來(lái)改變室內(nèi)環(huán)境狀態(tài)的一種純“天然”的建筑環(huán)境調(diào)節(jié)手段,合理的自然通風(fēng)組織可有效調(diào)節(jié)建筑室內(nèi)的氣流效果、溫度分布,對(duì)改變室內(nèi)熱環(huán)境的滿意度可以起到明顯的效果[1-6]。然而,由于自然通風(fēng)的實(shí)現(xiàn)是一種依賴于建筑設(shè)計(jì)的被動(dòng)式方法,因此其應(yīng)用效果很大程度上依賴于建筑的朝向、平面布局等設(shè)計(jì)效果。良好的建筑設(shè)計(jì)有助于增強(qiáng)室內(nèi)自然通風(fēng)的效果,同樣,建筑設(shè)計(jì)上的差異,也會(huì)給建筑通風(fēng)效果產(chǎn)生較大的影響[7-9]。正是由于自然通風(fēng)在實(shí)際應(yīng)用中的眾多不確定性,目前關(guān)于自然通風(fēng)在建筑中的應(yīng)用研究仍主要集中在對(duì)技術(shù)理念的研究[10-11],而對(duì)于具體的應(yīng)用效果缺乏相關(guān)的具體數(shù)據(jù)說(shuō)明。這也使得建筑師在建筑設(shè)計(jì)上往往對(duì)如何加強(qiáng)室內(nèi)自然通風(fēng)以及室內(nèi)的實(shí)際通風(fēng)效果尚缺乏客觀的數(shù)據(jù)支撐,僅能根據(jù)感覺(jué)予以設(shè)計(jì),因而實(shí)際的應(yīng)用往往存在些許片面。

在對(duì)重慶住宅建筑自然通風(fēng)實(shí)測(cè)效果研究的基礎(chǔ)上[14],結(jié)合重慶市2008年的最佳戶型評(píng)選活動(dòng)中的部分建筑的平面設(shè)計(jì),利用數(shù)值分析方法,從建筑朝向和建筑室內(nèi)布局兩方面出發(fā),分析了布局設(shè)計(jì)和朝向設(shè)計(jì)的不同對(duì)室內(nèi)通風(fēng)效果的影響,對(duì)不同設(shè)計(jì)下的室內(nèi)自然通風(fēng)環(huán)境的熱舒適度進(jìn)行了定量的分析,利用數(shù)據(jù)的對(duì)比,為建筑設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行建筑自然通風(fēng)策略應(yīng)用時(shí)提供客觀作用效果的指導(dǎo)。

針對(duì)上述戶型在不同朝向和建筑布局時(shí)的室內(nèi)通風(fēng)效果,采用A IRPAK 2.1數(shù)值模擬分析的方法對(duì)不同建筑朝向和不同建筑布局設(shè)計(jì)的情況進(jìn)行了模擬。由于重點(diǎn)是利用對(duì)比的手段,探討不同的建筑布局及朝向?qū)κ覂?nèi)氣流組織的影響,為了簡(jiǎn)化模擬分析的復(fù)雜程度,文中假設(shè)在設(shè)定的條件下,室外環(huán)境狀態(tài)恒定,并且忽略周?chē)h(huán)境對(duì)該戶型室外環(huán)境的影響[12];同時(shí)不考慮室內(nèi)熱源影響。

1 建筑朝向設(shè)計(jì)對(duì)室內(nèi)自然通風(fēng)效果的影響

對(duì)于建筑朝向的分析,我們采用評(píng)選活動(dòng)中評(píng)選出來(lái)的最佳舒適戶型,如圖1,該戶型為3室2廳雙陽(yáng)臺(tái),套內(nèi)面積為83.08 m2,專家對(duì)其評(píng)價(jià)是戶型布局優(yōu)雅大氣,重視起居室和陽(yáng)臺(tái)的功能,強(qiáng)調(diào)產(chǎn)品的舒適性。為了客觀評(píng)價(jià)該產(chǎn)品的室內(nèi)舒適性,我們開(kāi)展了如下研究。

根據(jù)《中國(guó)建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》[13]中的5月～9月的環(huán)境參數(shù)平均值,以及針對(duì)建筑在關(guān)閉門(mén)窗測(cè)試的室內(nèi)溫度平均值[14],確定分析工況為：

工況1：西北風(fēng) 1.5 m/s,環(huán)境溫度27.0℃,相對(duì)濕度78%,室內(nèi)初始溫度30.1℃,戶型本來(lái)朝向如圖1所示。

工況2：西北風(fēng) 1.5 m/s,環(huán)境溫度27.0℃,相對(duì)濕度78%,室內(nèi)初始溫度 30.1℃,改變戶型朝向,將原朝向逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°。

圖1 戶型平面圖

1.1 風(fēng)壓分布

工況1為戶型的本來(lái)朝向,其壓力分布圖如圖2(a)所示。圖2(b)為改變戶型朝向之后的工況2的壓力分布圖。

從圖2(a)可以看出,迎風(fēng)面風(fēng)壓為正,由于建筑的結(jié)構(gòu)原因,西向的書(shū)房和廚房為負(fù)壓。主臥室的窗戶處由于氣流組織的回流,其內(nèi)外產(chǎn)生壓差,使主臥窗戶成為進(jìn)風(fēng)口。而客廳和次臥的窗戶內(nèi)外壓力分布顏色幾乎一致,這說(shuō)明其壓差非常小,不易形成明顯的氣流組織。當(dāng)改變建筑朝向,使大多數(shù)的開(kāi)口處于迎風(fēng)面時(shí),得到圖2(b)。從圖可以看出,迎風(fēng)面形成正壓,背風(fēng)面為負(fù)壓,客廳陽(yáng)臺(tái)壓力處壓力大于其它房間壓力,而在書(shū)房?jī)?nèi)形成負(fù)壓,這樣更容易形成良好的氣流組織。

1.2 風(fēng)速分布矢量

圖3為更改朝向前后的速度矢量分布圖,由圖可見(jiàn),工況1中戶型沒(méi)有任何開(kāi)口處于迎風(fēng)面,進(jìn)風(fēng)口位于背風(fēng)面的主臥室以及次臥室的窗戶口。工況2中,氣流主要從客廳陽(yáng)臺(tái)及次臥的開(kāi)口處進(jìn)入,從書(shū)房和主臥室的窗戶處流出,其氣流組織情況明顯優(yōu)于工況1。

圖3 風(fēng)速分布矢量圖

1.3 速度大小分布

圖4 速度分布云圖

圖4為更改朝向前后的速度分布云圖,由圖可知,工況1中室內(nèi)形成的最大風(fēng)速位于書(shū)房的門(mén)口處,為0.47 m/s。在主臥室內(nèi)產(chǎn)生的風(fēng)速最大為0.22 m/s,次臥室的窗戶處產(chǎn)生了 0.25 m/s的風(fēng)速,但其突變較快,未能在室內(nèi)形成良好的氣流形式。而陽(yáng)臺(tái)處風(fēng)速幾乎為零,此處較大的開(kāi)口形同虛設(shè)。工況2中室內(nèi)最大的風(fēng)速產(chǎn)生于過(guò)道和書(shū)房入口處,達(dá)到了0.78 m/s。陽(yáng)臺(tái)為風(fēng)速最大的進(jìn)風(fēng)口,窗戶口產(chǎn)生的風(fēng)速為0.90 m/s,次臥室窗口的進(jìn)風(fēng)速度也達(dá)到了0.82 m/s。而書(shū)房和主臥窗口為氣流出口,使得這2個(gè)房間內(nèi)的平均風(fēng)速比較大。

1.4 溫度分布

自然通風(fēng)的其中一個(gè)很重要的作用是當(dāng)室外溫度高于室內(nèi)溫度時(shí),能起到降低室內(nèi)溫度的作用,這從更改朝向前后的室內(nèi)溫度分布云圖5可以看出來(lái)。從前面的分析中,我們知道,工況2的自然通風(fēng)氣流組織是優(yōu)于工況 1的,因此,當(dāng)室外溫度為27.0℃,室內(nèi)溫度為30.1℃,在良好的氣流組織下,工況2各房間溫度降低比較快,室內(nèi)溫度的分布更均勻,室內(nèi)平均溫度更接近于室外溫度。工況1中客廳的溫度降低最慢,這與前面分析的客廳室內(nèi)外壓差較小、風(fēng)速較小的結(jié)論相符合,2種工況室內(nèi)溫度相差0.9℃。

圖5 溫度場(chǎng)分布情況

1.5 PMV分布

在進(jìn)行PMV計(jì)算的過(guò)程中,參數(shù)的選取主要是參照ANSI/ASH RAE Standard55-2004[15],對(duì)計(jì)算值也作了相應(yīng)的修正[16]。圖6為2種工況的PMV值分布,綜合體現(xiàn)了各因素對(duì)人體熱舒適的影響情況。對(duì)比圖6(a)、(b)2圖可以看出,工況1中僅有主臥室房間部分的PMV值較接近于零,而工況2的客廳、書(shū)房、主臥和次臥的PMV值更多的接近于零。從對(duì)人體熱舒適的影響來(lái)看,工況2更利于創(chuàng)造良好的室內(nèi)熱環(huán)境。

圖6 PMV分布云圖

根據(jù)上述數(shù)值分析的對(duì)比研究,我們可以看出,在建筑中有效利用自然通風(fēng),可以在過(guò)渡季節(jié)有效改善室內(nèi)熱環(huán)境,溫度降低幅度接近1℃,室內(nèi)熱環(huán)境舒適度更趨于均勻。但是,這一功效不是僅僅依靠在建筑上多開(kāi)口、開(kāi)大口就可以實(shí)現(xiàn)的,合理有效的室內(nèi)自然通風(fēng),必須結(jié)合建筑的朝向予以合理設(shè)計(jì),建筑的開(kāi)口應(yīng)充分結(jié)合風(fēng)向,使建筑的開(kāi)口在風(fēng)向的作用下,有效形成正、負(fù)壓位置,從而滿足自然風(fēng)的流通。

2 建筑布局設(shè)計(jì)對(duì)室內(nèi)自然通風(fēng)效果的影響

對(duì)于建筑布局改變的分析戶型來(lái)源于評(píng)選活動(dòng)中評(píng)選出來(lái)的最佳舒適戶型,如圖7的平面圖,為5室2廳雙陽(yáng)衛(wèi)生,套內(nèi)面積為138.96m2,專家對(duì)其評(píng)價(jià)空間設(shè)計(jì)開(kāi)敞、流動(dòng)的,采光明亮充足、細(xì)部做工精致,房間功能齊全,通風(fēng)采光使生活舒適愜意。同樣,為了客觀衡量該戶型的通風(fēng)舒適性,我們開(kāi)展了如下研究。

圖7 戶型平面圖

按照與前相同的分析思路,首先確定分析的工況如下：

工況1：西北風(fēng) 1.5 m/s,環(huán)境溫度27.0 ℃,相對(duì)濕度78%,室內(nèi)初始溫度 30.1℃,戶型本來(lái)布局。

工況2：西北風(fēng) 1.5 m/s,環(huán)境溫度27.0 ℃,相對(duì)濕度78%,室內(nèi)初始溫度30.1℃,改變戶型細(xì)部布局。

按照上述設(shè)定的工況,通過(guò)計(jì)算分析,得到在工況1的狀態(tài)下,該戶型室內(nèi)的壓力分布、風(fēng)速分布、速度分布以及PMV值的分布圖,如圖8。

圖8 工況1模擬結(jié)果

從圖8中我們可以做出以下分析：

1)該戶型的迎風(fēng)面西向和北向?yàn)檎龎?因此主臥、北向次臥及客廳窗口為進(jìn)風(fēng)口,南向次臥和南向衛(wèi)生間窗口為出風(fēng)口,在圖中顯示為負(fù)壓區(qū)。主臥窗口處為最大正壓區(qū),南向次臥為最大負(fù)壓區(qū),有利于強(qiáng)化自然通風(fēng)。

2)從風(fēng)速矢量圖可以看到,建筑室內(nèi)的氣流由主臥、北向次臥及客廳窗口流入,從房間門(mén)口流出,再流入南向次臥和南向衛(wèi)生間,從其窗戶口流出。書(shū)房窗戶口有少量氣流進(jìn)入,未形成明顯氣流組織。

3)住宅最大氣流產(chǎn)生于主臥窗戶口和南向臥室出風(fēng)口處,風(fēng)速大小達(dá)到1.2 m/s,室內(nèi)最大風(fēng)速為0.8 m/s,平均風(fēng)速為0.24 m/s,其次為客廳和南向衛(wèi)生間。由于衛(wèi)生間為出風(fēng)口,所以不會(huì)與室內(nèi)產(chǎn)生串味現(xiàn)象,說(shuō)明此設(shè)計(jì)中就自然通風(fēng)方面設(shè)計(jì)者考慮得比較細(xì)致。

4)主臥室、客廳、南向臥室的室內(nèi)熱環(huán)境最佳,廚房和衛(wèi)生間為人員短暫時(shí)間停留的地方,可不用著重考慮。整個(gè)戶型中PMV值接近零的區(qū)域比較大,但遺憾的是書(shū)房為人員長(zhǎng)時(shí)間停留的地方,但該房間內(nèi)氣流組織情況欠佳,造成其熱舒適環(huán)境較其他房間要差。

綜合以上分析,我們可以看到該戶型的氣流組織形式較之第一種戶型要好,房間布局設(shè)計(jì)強(qiáng)化了大多數(shù)房間的自然通風(fēng)。但書(shū)房的窗戶開(kāi)口雖然比較大,卻沒(méi)起到強(qiáng)化自然通風(fēng)的作用,客廳西向的小窗戶處也可以考慮加大面積以強(qiáng)化面積較大的客廳的自然通風(fēng)效果。因此,針對(duì)上述戶型的細(xì)部稍作改進(jìn)后,得到了以下模擬結(jié)果,如圖9所示。

圖9是在上述戶型的基礎(chǔ)上在書(shū)房南外墻上添加了一面1.2m寬的窗戶開(kāi)口(此處不考慮其他建筑因素),由于建筑在客廳西外墻處產(chǎn)生回流,因此將客廳西外墻的小窗戶口加寬0.3 m,如圖中橢圓圈處。從圖 9(a)、(b)可以看到,改動(dòng)之后,室內(nèi)更大的面積有良好的氣流組織,主要表現(xiàn)在從主臥的進(jìn)風(fēng)口流入的氣流部分流入書(shū)房?jī)?nèi),從新增的窗戶口流出,強(qiáng)化了書(shū)房?jī)?nèi)的氣流組織。原來(lái)的書(shū)房窗口此時(shí)也形成了進(jìn)風(fēng)口,不再形同虛設(shè)。客廳的小窗戶面積加大后,產(chǎn)生了積極的作用,利用了建筑拐角處的回流,達(dá)到了強(qiáng)化自然通風(fēng)的目的。從圖9(c)可以看到,通過(guò)改進(jìn)后,房間內(nèi)的主要區(qū)域的PMV值均低于0.391,即不滿意率在8%以內(nèi)。

圖9 工況2模擬結(jié)果

根據(jù)上述分析我們可以看到,建筑中的自然通風(fēng)效果的實(shí)現(xiàn),除了合理考慮朝向的因素外,還應(yīng)科學(xué)合理的開(kāi)設(shè)建筑開(kāi)口。而這里的開(kāi)口絕不是僅憑借感性就可以確定的,大開(kāi)口不一定有大效果,而小開(kāi)口可能會(huì)帶來(lái)大收益。在本例的分析中,書(shū)房的原開(kāi)口并未起到通風(fēng)的目的,而增設(shè)的書(shū)房和客廳外墻開(kāi)口,則有效的實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)的通風(fēng)作用。

3 結(jié) 論

對(duì)比分析了通過(guò)改變建筑布局和建筑朝向更好的利用自然通風(fēng)來(lái)改善室內(nèi)環(huán)境的數(shù)值模擬分析,得到了如下主要結(jié)論：

1)建筑朝向的選擇對(duì)于室內(nèi)自然通風(fēng)的效果有著顯著的影響,選擇合適的建筑朝向,使建筑的主要開(kāi)口在自然通風(fēng)情況下位于合理的正、負(fù)壓位置,形成有組織的有效進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口,將會(huì)使建筑室內(nèi)形成良好的氣流流場(chǎng),在相同條件下,對(duì)比更利于自然通風(fēng)的建筑朝向與原建筑朝向(圖1)的情況下,室內(nèi)產(chǎn)生的最大氣流從0.24m/s增強(qiáng)到0.82m/s,半小時(shí)后室內(nèi)溫度較原朝向低0.9℃,使得室內(nèi)的PMV值更接近舒適。

2)在進(jìn)行自然通風(fēng)設(shè)計(jì)時(shí),需進(jìn)行流場(chǎng)數(shù)值分析,以確定不同建筑體型的正壓區(qū)和負(fù)壓區(qū),以判斷開(kāi)口處是否能產(chǎn)生良好的通風(fēng)作用,以免建筑開(kāi)口形同虛設(shè)。通過(guò)對(duì)建筑布局的室內(nèi)通風(fēng)效果分析,進(jìn)行建筑局部開(kāi)窗位置和大小的改動(dòng)后,可使室內(nèi)形成更通暢的氣流流場(chǎng),有效避免了氣流渦流區(qū)的產(chǎn)生,大大改善了對(duì)室內(nèi)熱舒適的滿意程度。

3)自然通風(fēng)對(duì)室內(nèi)環(huán)境的影響雖然顯而易見(jiàn),然而在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中,由于建筑設(shè)計(jì)人員對(duì)所設(shè)計(jì)的建筑在整個(gè)速度場(chǎng)中的相對(duì)位置不太了解,因而造成了建筑朝向不能滿足氣流貫穿、建筑平面布局阻礙室內(nèi)氣流流通、建筑開(kāi)口所處風(fēng)壓位置不能有效產(chǎn)生通風(fēng)效果等問(wèn)題的出現(xiàn),從而使得貌似通風(fēng)良好的建筑實(shí)際的通風(fēng)卻不容樂(lè)觀。通過(guò)文章的分析研究,有助于建筑設(shè)計(jì)人員提高對(duì)自然通風(fēng)效果的認(rèn)識(shí),并為設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)時(shí)合理組織室內(nèi)自然通風(fēng)提供參考手段。

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