基于FLUENT模擬的通風屋頂流場分析

胡曉蕾　高　巖

(北京建筑大學環境與能源工程學院，北京　100044)

0　引言

近年來，隨著綠色建筑的大力發展，人們越來越關注室內環境的舒適度，建筑節能日益受到廣泛的關注。在這樣的大趨勢下，空調技術不斷發展，而空調技術帶來的能源消耗和“空調病”等現狀也日益突出。面對現今能源緊張、節能壓力增大、空氣品質下降、建筑綜合癥等狀況，自然通風這一傳統的氣候適宜性技術開始受到人們的青睞[1]。本文首先介紹了通風屋頂的結構、原理等，之后通過運用流場模擬軟件FLUENT來模擬分析其內部的溫度和流速分布。

1　建筑通風

1.1　建筑通風的目的

建筑自然通風的目的主要有兩個:一是使用建筑手法營造一個良好的自然通風室內環境；二是采用科學技術，使夏季在室內人們可以感受到涼爽而冬季又不會感覺潮濕[2]。它在很大的程度上降低人們對空調的使用率從而降低電耗，節約能源。另一方面，自然通風又可提供充足的新風量，從而改善室內的空氣品質，降低呼吸道疾病的發病率。

1.2　自然通風的形成原因

自然通風包括完全自然通風和機械輔助的人文通風。而完全自然通風的形成主要由兩個方面決定，即“壓力差”和“溫度差”。具體來說是風速流動形成壓力差和墻壁溫度不同造成的室內外溫差引發了室內外空氣的流動[3]。

1.3　屋頂結構在自然通風中的作用

隨著空間高度的上升而溫度越來越高的現象使得由于高度差帶來了溫度的差異，整個建筑物自上而下縱向會形成一個類似“豎井”的結構，由溫度的差異來加速了氣流的運動，總而言之，概括為就是“溫差產生熱壓，熱壓帶動氣流,氣流引發通風”[2]。

2　通風屋頂

屋頂作為建筑圍護結構的重要組成部分，尤其是在炎熱的夏季，屋頂的隔熱性能對室內的環境溫度具有很大的影響。常見的屋頂隔熱措施有:反射涂料屋面、綠化屋面、蓄水屋面、通風隔熱屋頂[4]。

2.1　通風屋頂的結構

我國南部夏季大部分為炎熱多雨的氣候特征，通風屋頂作為一種傳統的屋頂構造形式，一般有上下兩層結構，下層是主要的通風屋面，而上層大多采用輕薄的材料或大階磚，形成通風道，其間增添通風天橋來加強換熱，結構如圖1所示。

2.2　通風屋頂的原理

通風屋頂一方面利用上層的遮陽裝置攔截直射到屋頂的太陽輻射，使屋頂由一次傳熱變成了兩次傳熱，減少了直接屋頂的得熱量。另一方面，通風屋面通過兩層屋面之間的孔隙通道，利用風壓和熱壓的作用，將屋面接收的太陽輻射熱轉移到空氣中，被自然風帶走，減少室外的溫度對室內溫度的影響。風速越大，帶走的熱量越多，隔熱效果也越好[5]。

3　軟件建模

3.1　物理模型

通風屋頂的尺寸為1 300 cm×800 cm,上層屋頂和下層屋面之間的距離(即夾層高度)為50 cm，通風橋的高度為90 cm，通風橋的寬度為60 cm,邊緣距通風橋130 cm,中間每兩個通風橋的距離為200 cm，設定此物理模型為模型1，如圖2所示。之后為了研究通風橋的個數及間距對溫度計風速的影響，減少通風橋的個數，設置物理模型2，如圖3所示，與第一個區別在于其邊緣與通風橋的距離為260 cm,中間每兩個通風橋的距離為300 cm。采用FLUENT軟件建模，選取單元網格尺寸為50 mm。

自然風從左側風口進入，由后側出風口和通風橋的出風口出風，選取進口的室外風速為5 m/s，溫度選取南方夏季常見氣溫30 ℃。選取通風屋頂的上蓋面溫度為50 ℃。湍流模型選取k-ε兩方程模型，能量方程采用二階離散，迭代次數為1 000次。

3.2　模擬結果及分析

3.2.1模型1模擬結果及分析

圖4是模型1中y=0平面的溫度分布圖。其溫度變化區間為303 K～309 K，由進風口直到最右側出風口的溫度呈現較為均勻的層狀分布，溫度穩步云圖呈現向右側凸出的形狀，凸出的形狀由左向右逐漸減弱。

圖5是模型1中y=0平面的流速分布圖。其流速變化區間為0 m/s～5.56 m/s，流速隨著風的流動逐漸減弱，速度分布云圖呈現大塊形層狀分布。

3.2.2模型2模擬結果及分析

圖6是模型2中y=0平面的溫度分布圖。其溫度變化區間為303 K～307 K，通風橋對溫度的分布較為明顯。

圖7是模型2中y=0平面的流速分布圖。其流速變化區間為0 m/s～5.6 m/s，左半側的速度變化較為明顯，右半側變化較弱。

4　結語

1)速度的變化較溫度的變化更為明顯，且梯度較大。流動帶走了大部分的熱量，使得流速快的地方溫度較低。

2)在通過通風橋時，部分風量通過通風橋流出，此處氣流擾動較大，換熱強烈，在通風橋處溫度出現變化梯度較大的階躍。

3)通風橋的個數越多，流速區間越小，溫度范圍越廣，主流流速減弱的越快，溫升也越快。

參考文獻：

[1]李鐸.屋頂在建筑自然通風中的應用淺析[J].民營科技,2009(7):213.

[2]陳冠州.淺析現代建筑屋頂與建筑物自然通風設計[J].企業技術開發,2014,33(5):161-162.

[3]王戰友.自然通風技術在建筑中的應用探析[J].建筑節能,2007(7):20-23.

[4]顧盛,蔡俊華,陳佳,等.基于CFD模擬的通風屋頂隔熱性能分析[J].工程質量,2016,34(9):18-21.

[5]李小華,唐景立,林道光.架空通風屋頂氣流流動特性實驗研究[J].建筑節能,2013,41(6):5-7.