幾種典型建筑構造的自然通風特性數值分析研究

李文杰 （ 天津生態城綠色建筑研究院有限公司，天津 300001）

幾種典型建筑構造的自然通風特性數值分析研究

Numerical Analysis on Natural Ventilation in Several Typical Building System

李文杰 （ 天津生態城綠色建筑研究院有限公司，天津 300001）

過渡季的建筑自然通風可以有效節約運行能耗，改進室內環境。建筑中的中庭、內庭院等構造方式，不僅使得建筑平面布局更加靈活多變，更能增強建筑的自然通風效果。以 3 個典型建筑為例，通過數值模擬的方法，分析中庭、內庭院幾種構造形式的自然通風特性，比較其通風效果及適用條件，為建筑方案設計提供了參考。

自然通風；中庭；數值模擬；內庭院

自然通風是指依靠室外風力造成的風壓和室內外空氣溫度差造成的熱壓，在不依賴機械設備的情況下，促使空氣自然流動的通風形式。自然通風能夠排出室內污濁空氣，將室外的新鮮空氣帶入室內，同時不依賴機械設備，減少了電能的消耗。因此，在過渡季節能有效進行自然通風的建筑，可以大大減少運營成本，并改善室內使用人員的舒適度和使用感受。良好的建筑通風，是降低制冷能耗的重要手段，也是最自然的節能措施[1]。

建筑的自然通風分為熱壓和風壓兩種。熱壓自然通風主要與建筑在垂直方向上的形體結構相關，例如中庭、風塔、風帽都可以促進熱壓自然通風。風壓自然通風和建筑的平面布局、建筑的外窗可開啟扇數量、朝向相關性較大，同時也和內部門窗布置有關[2]。

“庭院空間”定義為“由建筑物圍成并具有一定景象的空間，用以作為人們室內活動場地的擴大與補充，并有組織地完善與自然空間的過渡”[3]。按中國的傳統觀念，庭是指堂前屋后之空地，院是指圍合而成的活動空間。建筑的中庭是指建筑內的庭院空間，而內庭院是指建筑內部圍合而成的庭院。兩者的區別在于，前者位于建筑內部，頂部為天窗或屋頂；后者位于建筑外部，由建筑外墻合圍而成。

由于涉及到建筑造型的變化，風塔、風帽的實際應用受到一定的限制，中庭成為了利用熱壓自然通風的常見構造之一。由于熱壓作用在垂直平面上，中庭的熱壓通風效果和頂部開啟形式有較大關聯。同時，建筑內部合圍而成的建筑內庭院也能促進自然通風，其效果和內庭院的是否封閉有較大關聯。綜上所述，本文選取典型項目，著重分析以下 4 種構造：① 頂部不可開啟中庭；② 頂部可開啟中庭；③ 內庭院；④ 半封閉內庭院。

1 技術路線

1.1 熱壓通風原理

進入建筑內的空氣，溫度升高，密度變小，形成壓差促使空氣流動。熱壓自然通風的熱壓值可用式(1)表示：

式中：ΔPs——熱壓壓差，Pa；

h——進排風口中心線的垂直距離，m；

g——重力加速度，kg/m2s；

ρe,ρi——室內外空氣密度，kg/m3。

由此可見，建筑物進、排氣口的高度差及室內外空氣的密度差是形成熱壓必不可少的條件。

1.2 風壓通風原理

風壓通風就是利用建筑的迎風面和背風面之間的壓力差實現空氣的流通。壓力差的大小和建筑形式、周圍環境及建筑與風的夾角有關。同時，風壓通風的效果也受到建筑開窗大小、平面布局的影響。風壓自然通風的壓差可以用下式表示[4]：

式中：ΔPw——風壓，Pa；

k——空氣動力系數；

ρ——空氣密度，kg/m3；

υ——空氣速度，m/s。

1.3 數值模擬方法

采用有限體積法對過渡季節各建筑自然通風狀況進行模擬，采用三維湍流非穩態模型。室內空氣流動采用以下假設：① 室內空氣低速流動，看作不可壓縮流體，符合Boussinesq 假設；② 假設空氣只從送風口進，從回風口出，不考慮回流和門窗漏氣的情況；③ 不考慮人為的門窗開關造成的影響；④ 湍流符合 k-ε 假設；⑤ 不考慮人員活動較少、大多數時候為封閉的房間,如機房、設備間、電梯間的通風情況。那么，數值模擬應滿足以下控制方程。

(1) 連續性方程：

式中：ui分別為 i 3 個方向上的速度。

(2) 動量方程

式中：ρ——流體密度；

P——靜壓；

ιij——應力張量；

gi—— i 方向的體積力。

(3) 能量方程見下：

式中：E——流體內能；

λ——流體的導熱系數；

pdivU——表面力對流體微元體所做功；

Φ——由于粘性作用機械能轉化為熱能的部分，稱為耗散系統。

(4) 標準 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動能的產生；

Gb——由于氣流影響引起的湍動能產生；

YM——可壓縮湍流脈動膨脹對總的擴散率的影響。

1.4 典型項目選取及參數確定

本文對以下 4 種建筑構造進行模擬分析：① 頂部不可開啟中庭；② 頂部可開啟中庭；③ 內庭院；④ 半封閉內庭院。因此，對于每種構造，選取典型的建筑進行模擬分析。最終選取的項目情況如下：項目 1：某 4 層辦公建筑，建筑面積 1.29 萬 m2，其中設有中庭，分別模擬天窗開啟和不開啟的情況。項目 2：某 6 層辦公建筑，建筑面積 2.46萬 m2，中間為封閉式內庭院構造。項目 3：某 3 層宿舍建筑，建筑面積 0.92 萬 m2，中間為半封閉式內庭院構造。各項目平面圖見圖 1～3。

圖1 項目1 平臺圖

圖2 項目2 平臺圖

圖3 項目3平臺圖

2 模擬結果及分析

2.1 頂部不可開啟中庭自然通風模擬分析

對項目 1 天窗未開啟的情況進行模擬，選取其 1 層和4 層 1.5 m 高處的平面氣流組織圖見圖 4。

圖4 項目 1 天窗不開啟情況下過渡季自然通風氣流組織圖

在以上模擬結果中可見，空氣由 1 層外窗進入，由 4層外窗排出。可知，這種情況下，在過渡季節，室外空氣由1 層外窗進入室內，受到室內設備、人員散熱的影響，溫度升高，密度降低，形成熱壓壓差。隨后由中庭上升，并經過4 層的外窗排出。

根據豎直剖面溫度云圖(圖 5)，可見熱空氣由中庭上升后，經過 4 層的外窗排出，溫度最高、最為污濁的空氣積累在 4 層的靠近外窗的位置。

圖5 項目 1 天窗不開啟情況下過渡季自然通風溫度云圖

2.2 頂部可開啟中庭自然通風模擬分析

對項目 1 天窗未開啟的情況進行模擬，選取其 1 層和4 層 1.5 m 高處的平面氣流組織圖(圖 6)。

圖6 項目1天窗開啟情況下過渡季自然通風氣流組織圖

從以上模擬結果中可見，當天窗開啟時，1 層和 4 層外窗均有空氣進入，而從天窗排出。同時，相比天窗未開啟的情況，1 層進入的空氣量有所增加。在這樣的情況下，4 層的空氣質量有所改善。根據豎直剖面溫度云圖可見，在天窗開啟時，上升氣流不再經由 4 層外窗排出，3、4 層的空氣質量有所改善。

2.3 內庭院自然通風模擬分析

對于有內庭院的項目，其內庭院位于建筑外墻之外，因此不受建筑內人員、設備散熱的影響，較難形成熱壓通風。但在自然通風條件下，建筑迎風面形成正壓，背風面形成負壓，空氣實際上由迎風一側經內庭院輸送到背風一側。

2.4 半封閉內庭院自然通風模擬分析

對于內庭院為半封閉的項目 3，其內庭院側外窗的表面風壓受室外場地風環境影響較大，當內庭院的開口側正對室外風方向時，內庭院外窗成為室內空氣入口，而其他外窗成為了空氣出口。

2.5 綜合比較分析

綜上所述，以上幾種建筑構造的自然通風狀況可用圖 7表示。

圖7 幾種不同構造的自然通風狀況示意圖

由此可知：(1) 中庭雖然有利于建筑自然通風，但在沒有可開啟天窗的情況下，污濁空氣由較高樓層的外窗排出，實際上影響了較高樓層外窗側空間的空氣品質。因此，在有條件的情況下，設置可開啟天窗可以有效改善自然通風狀況。

(2) 建筑內庭院的形式雖然比較大進深的布局更能促進自然通風，但根據壓差來模擬，庭院內的空氣還是會再次進入建筑內部，實際上影響了下風向側建筑空間的空氣品質。半封閉式的內庭院布局在這個問題上相對純封閉的內庭院布局有一定改善。

3 結 語

自然通風對降低公共建筑能耗至關重要。本文運用數值模擬方法，對中庭、內庭院布局的自然通風特性進行了分析，為建筑設計提供了一定的參考。

[1]薛志峰,楊秀,江億.超低能耗建筑技術及其應用[M] .北京:中國建筑工業出版社,2005.

[2]李文杰.天津某公共建筑室內自然通風模擬優化研究[J] .綠色建筑,2013,3(5):25-27.

[3]肖劍.小議庭院空間[J].山西建筑,2001,27(8):24-25.

[4]郭春梅,陳旭東. CFD技術在綠色建筑自然通風設計中的應用[J].潔凈與空調技術,2012,6(2):5-8.

TU50

A

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

中新天津生態城中新科技合作計劃課題：“室內通風凈化系統(PM2.5)關鍵技術研究”

2016-12-25

李文杰，現供職于天津生態城綠色建筑研究院有限公司。作者通信地址：天津市濱海新區生態城科技園低碳體驗中心二樓，郵編：300001。