應用計算流體力學評估美國典型居住建筑自然通風性能

薛清文，武文濤

(田納西州立大學 土木與建筑工程系，3500 John Merritt Blvd-Torrence Hall，Nashville，TN 37209，USA)

建筑自然通風可以減少能源消耗并改善室內空氣質量.但自然通風的性能會受到城市布局和建筑設計元素的影響[1-2].城市布局因素包括周圍建筑和樹木.Ramponi等[2]發現考慮周邊建筑時，建筑自然通風量比僅考慮單體建筑低至少30%.樹木對建筑自然通風量的影響在于其本身具有防風的作用，會減少建筑物中的空氣流動[3].城市形態對單體建筑內風壓和熱壓共同驅動下自然通風的影響還需要進一步的研究.

建筑設計元素包括窗戶，外遮陽，天窗和內門等.Wang等[4]的研究發現，窗戶類型會影響自然通風量的大小.但是，對于具有多個外窗的建筑的自然通風性能還需要進一步的研究.Lee等[5]的初步研究表明，自然通風建筑物中的空氣溫度和氣流模式高度依賴于遮陽裝置的配置.外遮陽裝置對自然通風的影響尚需要深入的探討.Liu等[6]研究證明打開天窗通風口可以將風速增大到兩倍.內門的開啟和關閉狀態分別對應多區域和單區域通風模式.這些建筑元素都對自然通風效率有著重要的影響，很有必要進行深入的探討.

評價自然通風性能最重要的指標之一是通風量，一般通過壓差法或者示蹤氣體法進行測量獲得[7-8].另一個預測通風量的方法是應用計算流體力學[9-11].本研究應用計算流體力學評估美國典型居住建筑的自然通風效果.研究目標是量化城市布局和建筑設計元素對單體建筑自然通風性能的影響.對城市布局的研究主要關注周圍建筑和周邊樹木.所研究的建筑設計元素包括遮陽，天窗以及內門.這項研究的結果為進一步優化被動式居住建筑設計提供理論依據.

1 模型與計算方法

1.1 建筑模型

本文研究的美國典型居住建筑共三層，面積約120 m2，建筑高度約為10 m.分析建筑中包括5個主要的房間.房間Room1是一個較大的起居室，位于一層建筑西南角.房間Room2是一個臥室，位于二層西南角.房間Room3是一個臥室，位于二層東北角.房間Room4是第二個較大的起居室，位于二層.房間Room5是臥室，位于三層.為了了解周圍建筑物對室內通風率的影響，所構建的模型分別包括了半徑為50，100和150 m內的相鄰建筑物.計算流體力學房屋幾何形狀和網格如圖1(a)所示.

外墻，內墻和窗戶設置相應的數學厚度來進行傳熱計算.所有窗戶和天窗都保持25°的開啟角度.計算域的大小根據AIJ指南[12]確定.自然通風期間盛行風向為西風，因此，計算域的西邊緣到房屋迎風面之間的距離是五倍建筑高度，從計算域的東部邊緣到房屋背風面的距離為十倍建筑高度，計算域的高度為五倍建筑高度.整個計算域用混合類型的單元格離散.對所有室內空間和圍繞房屋的小區域室外空間應用四面體網格.遠離房屋的區域被離散化為六面體網格.混合網格通過金字塔網格來連接不同區域.通過65，107和181萬網格獨立性驗證圖1(d).圖1(d)顯示了室內某一點空氣流速沿著房間高度方向上的變化，黑色，綠色，紅色曲線分別顯示65萬，107萬以及181萬網格的結果，綜合考慮計算精度與計算時間，整個計算域被最終離散為107萬個網格.由于建筑尺寸及周邊區域較大，近壁面網格大小平均約為0.3 m.

圖1 美國典型居住建筑網格(a)計算流體力學計算域(b)樹模型(c)及網格獨立性分析(d)

1.2 物理模型

由于室內外空氣溫差較小，使用Boussinesq近似對熱浮力進行模擬.自然通風幾乎不處于穩定狀態，其瞬態特征要求求解N-S方程的時間步長足夠小，計算自然通風量需要很長時間.本研究的目的是評價美國典型居住建筑自然通風性能，從而為優化建筑設計提供理論依據.所以使用基于盛行風速和風向的穩態雷諾平均納維-斯托克斯(RANS)方程.穩態RANS方程已成功用于評估自然通風系統的性能，例如確定窗戶位置，類型以及估算設計條件下自然通風量[12].采用標準k-ε湍流模型來閉合控RANS方程.采用Scalable壁面函數對近壁面流動進行計算.用SIMPLE算法來關聯壓力場和速度場.用二階上風格式離散RANS方程的對流項.

該住宅建筑具有大面積的窗與門等透明圍護結構，所以采用Ansys Fluent中的太陽熱負荷模型來計算通過這些透明材料的得熱.太陽熱負荷模型根據ASHRAE晴朗天氣條件方法[13]計算直接輻射量.到達地面的太陽輻射可分為直射輻射和散射輻射.直射輻射要么入射到不透明的墻壁上，要么通過半透明表面(窗玻璃)進行透射，吸收和反射.散射輻射通過半透明表面，與來自直射輻射的散射部分形成總散射輻射負荷.總散射負荷均勻分布在所有參與太陽輻射負荷計算的表面上.直射和總散射輻射負荷的分布為壁面熱通量，在能量方程中用作熱源.壁面熱通量通過對流或輻射傳遞.不同壁面間的輻射采用P-1輻射模型[14]進行模擬.

1.3 樹的數理模型

建筑周圍的樹木會導致附近房屋的風壓下降，且在樹冠內會產生湍流.壓力降主要是形狀阻力造成的.形狀阻力可以作為源項添加到N-S方程中，并按如下方式建模

(1)

公式中：ρ為空氣密度；η為樹木覆蓋面積的一部分；cd是阻力系數，本研究中為0.2[15]；ζ(z)為植物面積密度，用來表示樹木的形狀；在這項研究中，假設樹木為圖1(c)中所示的特定四邊形狀，樹干高度為1 m，樹冠高度為19 m.Ui為阻力方向的分速度；負號確保阻力的方向始終與風向相反.

樹冠中的湍流產生被模擬為[15]

Sk=ηcda(z)(|Ux|3+|Uy|3)，

(2)

公式中：Ux、Uy為水平方向風速.公式(2)被添加到湍流動能的傳輸方程中作為源項.

在計算中，將樹冠占據的區域列為一個單獨的計算域，然后應用用戶自定義函數將公式(1)和公式(2)設定為動量和湍流動能的源項.

1.4 邊界條件

計算域入口風速設置為對數分布，主要輸入參數為地面10 m高度的參考風速值.參考風速為春季主導風速，即5.00 m/s，主導風向為西風.入口處的空氣溫度設置為20 ℃.出口處壓力設置為固定值.在計算域的頂部和側面，法向速度和所有變量的法向梯度設置為零.所有墻壁表面遵守不滑移條件.利用5月10日13時的太陽輻射得熱來計算各壁面的太陽熱通量.

2 計算結果與分析

2.1 鄰近建筑物的影響

不同房間的預測自然通風量與CFD計算域半徑之間的關系如圖2所示.在域半徑為零即不考慮周圍建筑物的情況下，大多數房間的通風量被高估了.原因是鄰近建筑物降低了目標建筑物周圍的空氣速度.關于應該包括多少相鄰的建筑物以提高通風量估計的準確性的問題，童等[1]得出的結論是，要模擬單一空間的立方體建筑，至少需要三層相鄰的建筑.對于本研究中的美國典型居住建筑，其多個內部空間造成了一定的復雜性，沒有發現線性或簡單的關系.對于房間1，通風量與包括相鄰建筑物的計算域半徑呈線性相關.與孤立建筑的情況相比，考慮距離目標建筑50 m，100 m和150 m半徑范圍內的建筑物，通風率分別降低了21%，39%和66%.對于房間3，隨著計算域半徑的增加，通風量未發生明顯改變.對于房間4，隨著計算域半徑的增加，通風量先顯著降低而后緩慢增加.房間之間的變化趨勢不一致說明擴大計算域半徑會導致目標建筑物附近的流場分布變化.考慮某一范圍內的周邊建筑，目標建筑附近的氣流形式有利于某些房間的自然通風，但會阻礙其他房間的通風.然而，考慮更大范圍的周邊建筑所形成的氣流模式可能對促進或阻礙通風產生相反的影響.為了提高估算自然通風量的準確性，最佳做法可能是僅考慮最相鄰的周邊建筑物.

圖2 自然通風量與計算域半徑的關系.

2.2 周圍樹木的影響

周圍樹木距離目標建筑1 m，樹冠覆蓋面積為125 m2.本研究僅考慮樹木位于逆風方向的情況.在沒有樹木和有樹木的情況下通風量的百分比差異如圖3所示.不考慮周圍樹木的情況下，目標建筑中所有房間的通風量均被高估了10%～22%.樹冠產生的阻力減緩了目標建筑附近的風速，導致流入窗戶的空氣減少.對于迎風面的房間(Room1，Room2，Room4)和橫向的房間(Room5)，在考慮樹木的情況下通風量減少約10%.受影響最大的是反而是背風側的房間(Room3).原因是樹冠的壓降導致目標建筑背風面的停滯區更大，進入背風側房間的氣流相對減少了.因此，建議在使用CFD模擬自然通風時考慮由建筑物周圍樹木引起的阻力效應.

圖3 周圍樹木對自然通風量的影響Q和Qtree分別為沒有和有周圍樹木的通風量

2.3 外遮陽的影響

在東，西，南立面的窗戶上設計外遮陽，以降低進入目標建筑的多余的太陽輻射負荷.外遮陽對自然通風量的影響.縱坐標為迎風側窗戶的平均通風量如圖4所示.沒有外遮陽時的通風量比有遮陽低21%.該結論與Lee等[5]的研究結果一致.這證明了目標建筑中的外遮陽設計形成了一個連通室外并能提高進入窗戶的空氣流速的短通道，有助于增強自然通風效果.

圖4 外遮陽對自然通風量的影響

2.5 天窗的影響

房間4有可控制的天窗，開啟天窗可以將通風率從3.39 m3·s-1增加到5.22 m3·s-1，如圖5所示.三樓南側的房間6隨著天窗打開，通風量從接近0增加到0.80 m3·s-1.同一樓層房間7的通風量在天窗的作用下從0.20 m3·s-1增加到0.80 m3·s-1.天窗的設計可以增強煙囪效應，斜屋頂上的天窗增強了熱壓驅動的自然通風.對于房間7，天窗作為進風口，增強室內空氣循環，導致房間自然通風量增加.二層的房間4，迎風面天窗是進風口，背風面天窗作為出風口.天窗的打開增強了房間4背風側的空氣運動.綜上所述，天窗的設計有利于提高自然通風性能.

圖5 關閉和打開天窗時不同房間的通風量比較

2.5 內門的影響

內門運行狀態(開啟或關閉)對自然通風性能的影響如圖6所示.內門關閉形成單區域通風模式，每個房間獨立通風.所有內門均打開則會形成多區域通風模式.房間4和房間5的空間沒有內門，始終與樓梯相連，這類空間的通風量在多區域通風模式下提高了4%～6%.房間1和房間3在內門打開時，通風量提高了30%以上.結果表明，除了外部建筑設計元素和外窗控制外，適當的建筑運營策略也可以增強自然通風.

圖6 內門對自然通風量的影響Q和Qm是內門關閉和內門開啟情況下的通風量.

3 結 論

本研究評估了美國典型居住建筑的自然通風效果.研究目標是量化城市布局和建筑設計元素對單體建筑自然通風性能的影響.主要發現總結如下：

(1)與只考慮單一建筑相比，考慮周圍建筑物會降低目標建筑物21%～66%自然通風量.自然通風設計應考慮城市建筑配置.

(2)周邊樹木會使自然通風量降低10%～22%.

(3)外遮陽設計可提高21%的自然通風量.

(4)天窗可加強自然通風，改善室內空氣混合.

(5)打開內門可使通風量提高36%.

這項研究的結果可為優化建筑門窗控制算法提供參考，為進一步研究居住建筑被動式節能技術提供了有用的信息.