浙中傳統(tǒng)民居自然通風實測及數(shù)值模擬分析

李崢嶸 李曉彬 趙群

1同濟大學機械與能源工程學院

2同濟大學建筑城市規(guī)劃學院

1 研究對象介紹

以浙江省建德市大慈巖鎮(zhèn)新葉村的雙美堂為研究對象，建筑總高度6.3m，地上兩層，中庭從地上一層開始，貫通整個建筑，雙美堂分別于前廳中央與后廳東側(cè)設(shè)置兩個與室外相連通的天井，以獲得良好的通風采光效果。

2 實測數(shù)據(jù)分析

2.1 測試儀器

本次測試采用多功能測量儀和多參數(shù)測試儀等風速測量儀器分別在白天和夜間于天井，外門和通道等處布置測點測量風速的大小，并采用煙氣飄零和繩索懸掛的方法來確定室內(nèi)風向，最終結(jié)合當?shù)貧庀髼l件和被測試對象建造的格局，得出了此次測量對象中白天和夜晚室內(nèi)氣流的走向。測試所用儀器的具體參數(shù)見表1。

表1 測試參數(shù)及使用儀器

2.2 測試方案

本次測試主要是研究天井式傳統(tǒng)民居中的通風效果，挑選了夏季正常天氣情況下的某一白天和晚上對其進行了測量，在主要進出口及天井處布置測點，測點的水平位置見圖1，所有測點垂直高度均為1.5m。

圖1 雙美堂底層平面風速水平測點布置圖

2.3 結(jié)果分析

由于儀器數(shù)量和人員的限制，在對雙美堂進行通風測試時，無法在各測點同時配備人員與儀器，所以只能在不同時間段對各測點進行分別測量，圖2和圖3分別是白天與夜間對測點1和測點8的風量統(tǒng)計。

圖2 白天測點1與測點8通風量

圖3 夜間測點1與測點8通風量

新葉村由于地理形勢，白天主要刮北風。分析數(shù)據(jù)初步可得：白天在風壓作用下，雙美堂前庭的前院大門主要為進風口，其中一部分風量通過前廳天井流向室外，剩余一部分流過連接兩廳的通道進入后廳，而在實測過程中，由于廚房門一直處于關(guān)閉狀態(tài)，導(dǎo)致整個后庭氣流非常微弱，儀器無法獲得精確的風速及風向。夜間由于前院大門和后院大門均處于進風狀態(tài)，所以可以初步判斷是由于溫差和高差原因?qū)е碌臒峥諝獠粩嗌仙?，而兩?cè)的冷空氣就通過沿廊，向天井不斷補充，形成冷熱空氣的溫差對流。由于通過實測無法確定風壓和熱壓的主導(dǎo)作用，所以借助CFD軟件對其進行深入分析。

3 數(shù)值計算及分析

3.1 CFD模型

由于本次研究主要是針對雙美堂地上一層的自然通風效果，所以根據(jù)實際建筑的格局在建立模型的時候進行了適當?shù)暮喕捎诓簧婕皷|西兩廂房、南北兩廂房以及地上二層的室內(nèi)氣流走向，所以在CFD模型中統(tǒng)一將不相關(guān)的空間略去，最終根據(jù)測繪圖紙將模型簡化如圖4所示。

圖4 CFD簡化模型

3.2 數(shù)值模擬計算

建筑物外表面風壓的大小和分布是室內(nèi)通風數(shù)值模擬不可缺少的資料，由于迄今尚未見到比較系統(tǒng)的反映建筑物外表面風壓分布規(guī)律的研究成果，因此筆者采用數(shù)值模擬的方法研究不同風速、風向下的流場和壓力場，從而求出不同工況下的風壓分布規(guī)律，并把研究的結(jié)果作為下一步數(shù)值計算的邊界條件[1]。

圖5 熱壓引起的風速分布矢量圖

夜間熱壓通風模擬，由于白天雙美堂圍護結(jié)構(gòu)通過天井接受太陽的輻射熱，蓄存于圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)部，夜間充當著一個發(fā)熱源的角色，本次模擬統(tǒng)一將熱量平均分配于地面，由于無法測得精準的熱流密度，相應(yīng)的以恒定的溫度來代替，根據(jù)溫濕度計測試數(shù)據(jù)獲得夜間地面的平均溫度值為303K，室外的平均空氣溫度為301K，模擬結(jié)果如圖5和表2所示。

表2 進出風口通風效果

根據(jù)模擬結(jié)果從定性的角度分析，夜間單憑熱壓通風，氣流組織的大體流向與實際測試相符合，前廳天井由于熱空氣的上升所產(chǎn)生的拔風作用強于后庭的天井，中間過道的風向指向前廳，但是風量與測試獲得的數(shù)據(jù)卻有一定的差別，分析原因是忽略了風壓的抽吸作用，當室外空氣以沿著與天井平行的軌道流過時，天井口處會形成微量的負壓，這時配合室內(nèi)熱壓的用，總的壓力效果會有一定程度的加成，室內(nèi)自然通風的吹風感加強。也有可能是由于整個建筑群落中的相互遮擋作用，改變了原始風向，導(dǎo)致部分空氣流從后院大門吹入雙美堂后廳，給人以比較強烈的吹風感。對比實測數(shù)據(jù)，在測試時間段內(nèi)，微弱的室外風速抵消了雙美堂后廳的部分熱壓作用，導(dǎo)致整個后院大門進風量有所降低。

在進行白天風壓作用下室內(nèi)自然通風模擬時，首先根據(jù)測試數(shù)據(jù)，取測試時間段內(nèi)正門處的最大風速為1m/s，后院形成微量的負壓，這時忽略熱壓的作用，考慮純風壓下的一個室內(nèi)氣流走向，結(jié)果如圖6和表3所示。

圖6 風壓引起的風速分布矢量圖

表3 進出風口通風效果

對比風壓和熱壓的模擬結(jié)果，可以看出在1m/s風速的情況下，后院大門的出風量大于在純熱壓情況下后院大門的進風量，中間過道在兩種壓力的作用情況下氣流走向也截然不同，而且風速一直很小，這也正好驗證了在實測情況下，由于室外風速風向的不固定性，無法正確獲得過道處的風速大小及方向，而且后院大門處的吹風感也一直不是很強。

針對以上的初步分析可以得出，對于雙美堂前廳來說，無論是在風壓還是在熱壓作用情況下，前院大門和前廳天井始終扮演著進風口和出風口的角色，風壓和熱壓的作用力是一個相互疊加的過程，所以無法清晰地判別出是以怎樣的壓力驅(qū)動通風為主，只能簡單地通過過道進出風量來描述。而對于雙美堂后廳來說，后院大門在風壓和熱壓分別作用的情況下，相對于室內(nèi)來說，分別是處于出風和進風的狀態(tài)，風壓和熱壓的作用力相反，所以單單針對后廳來說，可以通過后院大門的進出風狀態(tài)來判別其是以怎樣的壓力驅(qū)動通風為主的[2]。

從圖7及表4可以看出，當室外風速達到0.8m/s的時候，雙美堂后院大門的進出風量近似相等，可以說明此時對于雙美堂后廳而言，熱壓和風壓的作用力是相等的。

圖7 風壓引起的風速分布矢量圖

表4 進出風口通風效果

4 結(jié)論

本篇論文只針對新葉村雙美堂單幢建筑而言，在實測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，借助CFD軟件分析其室內(nèi)在熱壓和風壓作用下的自然通風流向，天井作為引風口，起著組織和樞紐的作用。當風速較大，風向正常時，風從前院大門吹向廳堂，進入沿廊，從天井、庭院回歸自然，形成對流。如果夜間風力極為輕微，甚至靜止時，天井與沿廊的引風、出風職能剛好相反。天井處的氣流存在溫差和高差，熱空氣不斷上升，而兩側(cè)的冷空氣就通過沿廊，向天井不斷補充，形成冷熱空氣的溫差對流[3]。

由于缺乏整個村落的建筑布局及當?shù)氐臍庀髤?shù)，無法描述雙美堂位于整個建筑群落里時的室內(nèi)自然通風情況，這也是以后在研究自然通風時需要考慮和關(guān)注的一個問題。

[1]謝浩.嶺南民居的自然通風[J].城鎮(zhèn)風貌與建筑設(shè)計,2007,(12):58-62

[2]王戰(zhàn)友.自然通風技術(shù)在建筑中的應(yīng)用探析[J].建筑節(jié)能,2007,(7):20-23

[3]林波榮,譚剛.皖南民居夏季熱環(huán)境實測分析[J].清華大學學報,2002,(8):1071-1074