应用计算流体力学评估美国典型居住建筑自然通风性能

薛清文，武文涛

(田纳西州立大学 土木与建筑工程系，3500 John Merritt Blvd-Torrence Hall，Nashville，TN 37209，USA)

建筑自然通风可以减少能源消耗并改善室内空气质量.但自然通风的性能会受到城市布局和建筑设计元素的影响[1-2].城市布局因素包括周围建筑和树木.Ramponi等[2]发现考虑周边建筑时，建筑自然通风量比仅考虑单体建筑低至少30%.树木对建筑自然通风量的影响在于其本身具有防风的作用，会减少建筑物中的空气流动[3].城市形态对单体建筑内风压和热压共同驱动下自然通风的影响还需要进一步的研究.

建筑设计元素包括窗户，外遮阳，天窗和内门等.Wang等[4]的研究发现，窗户类型会影响自然通风量的大小.但是，对于具有多个外窗的建筑的自然通风性能还需要进一步的研究.Lee等[5]的初步研究表明，自然通风建筑物中的空气温度和气流模式高度依赖于遮阳装置的配置.外遮阳装置对自然通风的影响尚需要深入的探讨.Liu等[6]研究证明打开天窗通风口可以将风速增大到两倍.内门的开启和关闭状态分别对应多区域和单区域通风模式.这些建筑元素都对自然通风效率有着重要的影响，很有必要进行深入的探讨.

评价自然通风性能最重要的指标之一是通风量，一般通过压差法或者示踪气体法进行测量获得[7-8].另一个预测通风量的方法是应用计算流体力学[9-11].本研究应用计算流体力学评估美国典型居住建筑的自然通风效果.研究目标是量化城市布局和建筑设计元素对单体建筑自然通风性能的影响.对城市布局的研究主要关注周围建筑和周边树木.所研究的建筑设计元素包括遮阳，天窗以及内门.这项研究的结果为进一步优化被动式居住建筑设计提供理论依据.

1 模型与计算方法

1.1 建筑模型

本文研究的美国典型居住建筑共三层，面积约120 m2，建筑高度约为10 m.分析建筑中包括5个主要的房间.房间Room1是一个较大的起居室，位于一层建筑西南角.房间Room2是一个卧室，位于二层西南角.房间Room3是一个卧室，位于二层东北角.房间Room4是第二个较大的起居室，位于二层.房间Room5是卧室，位于三层.为了了解周围建筑物对室内通风率的影响，所构建的模型分别包括了半径为50，100和150 m内的相邻建筑物.计算流体力学房屋几何形状和网格如图1(a)所示.

外墙，内墙和窗户设置相应的数学厚度来进行传热计算.所有窗户和天窗都保持25°的开启角度.计算域的大小根据AIJ指南[12]确定.自然通风期间盛行风向为西风，因此，计算域的西边缘到房屋迎风面之间的距离是五倍建筑高度，从计算域的东部边缘到房屋背风面的距离为十倍建筑高度，计算域的高度为五倍建筑高度.整个计算域用混合类型的单元格离散.对所有室内空间和围绕房屋的小区域室外空间应用四面体网格.远离房屋的区域被离散化为六面体网格.混合网格通过金字塔网格来连接不同区域.通过65，107和181万网格独立性验证图1(d).图1(d)显示了室内某一点空气流速沿着房间高度方向上的变化，黑色，绿色，红色曲线分别显示65万，107万以及181万网格的结果，综合考虑计算精度与计算时间，整个计算域被最终离散为107万个网格.由于建筑尺寸及周边区域较大，近壁面网格大小平均约为0.3 m.

图1 美国典型居住建筑网格(a)计算流体力学计算域(b)树模型(c)及网格独立性分析(d)

1.2 物理模型

由于室内外空气温差较小，使用Boussinesq近似对热浮力进行模拟.自然通风几乎不处于稳定状态，其瞬态特征要求求解N-S方程的时间步长足够小，计算自然通风量需要很长时间.本研究的目的是评价美国典型居住建筑自然通风性能，从而为优化建筑设计提供理论依据.所以使用基于盛行风速和风向的稳态雷诺平均纳维-斯托克斯(RANS)方程.稳态RANS方程已成功用于评估自然通风系统的性能，例如确定窗户位置，类型以及估算设计条件下自然通风量[12].采用标准k-ε湍流模型来闭合控RANS方程.采用Scalable壁面函数对近壁面流动进行计算.用SIMPLE算法来关联压力场和速度场.用二阶上风格式离散RANS方程的对流项.

该住宅建筑具有大面积的窗与门等透明围护结构，所以采用Ansys Fluent中的太阳热负荷模型来计算通过这些透明材料的得热.太阳热负荷模型根据ASHRAE晴朗天气条件方法[13]计算直接辐射量.到达地面的太阳辐射可分为直射辐射和散射辐射.直射辐射要么入射到不透明的墙壁上，要么通过半透明表面(窗玻璃)进行透射，吸收和反射.散射辐射通过半透明表面，与来自直射辐射的散射部分形成总散射辐射负荷.总散射负荷均匀分布在所有参与太阳辐射负荷计算的表面上.直射和总散射辐射负荷的分布为壁面热通量，在能量方程中用作热源.壁面热通量通过对流或辐射传递.不同壁面间的辐射采用P-1辐射模型[14]进行模拟.

1.3 树的数理模型

建筑周围的树木会导致附近房屋的风压下降，且在树冠内会产生湍流.压力降主要是形状阻力造成的.形状阻力可以作为源项添加到N-S方程中，并按如下方式建模

(1)

公式中：ρ为空气密度；η为树木覆盖面积的一部分；cd是阻力系数，本研究中为0.2[15]；ζ(z)为植物面积密度，用来表示树木的形状；在这项研究中，假设树木为图1(c)中所示的特定四边形状，树干高度为1 m，树冠高度为19 m.Ui为阻力方向的分速度；负号确保阻力的方向始终与风向相反.

树冠中的湍流产生被模拟为[15]

Sk=ηcda(z)(|Ux|3+|Uy|3)，

(2)

公式中：Ux、Uy为水平方向风速.公式(2)被添加到湍流动能的传输方程中作为源项.

在计算中，将树冠占据的区域列为一个单独的计算域，然后应用用户自定义函数将公式(1)和公式(2)设定为动量和湍流动能的源项.

1.4 边界条件

计算域入口风速设置为对数分布，主要输入参数为地面10 m高度的参考风速值.参考风速为春季主导风速，即5.00 m/s，主导风向为西风.入口处的空气温度设置为20 ℃.出口处压力设置为固定值.在计算域的顶部和侧面，法向速度和所有变量的法向梯度设置为零.所有墙壁表面遵守不滑移条件.利用5月10日13时的太阳辐射得热来计算各壁面的太阳热通量.

2 计算结果与分析

2.1 邻近建筑物的影响

不同房间的预测自然通风量与CFD计算域半径之间的关系如图2所示.在域半径为零即不考虑周围建筑物的情况下，大多数房间的通风量被高估了.原因是邻近建筑物降低了目标建筑物周围的空气速度.关于应该包括多少相邻的建筑物以提高通风量估计的准确性的问题，童等[1]得出的结论是，要模拟单一空间的立方体建筑，至少需要三层相邻的建筑.对于本研究中的美国典型居住建筑，其多个内部空间造成了一定的复杂性，没有发现线性或简单的关系.对于房间1，通风量与包括相邻建筑物的计算域半径呈线性相关.与孤立建筑的情况相比，考虑距离目标建筑50 m，100 m和150 m半径范围内的建筑物，通风率分别降低了21%，39%和66%.对于房间3，随着计算域半径的增加，通风量未发生明显改变.对于房间4，随着计算域半径的增加，通风量先显著降低而后缓慢增加.房间之间的变化趋势不一致说明扩大计算域半径会导致目标建筑物附近的流场分布变化.考虑某一范围内的周边建筑，目标建筑附近的气流形式有利于某些房间的自然通风，但会阻碍其他房间的通风.然而，考虑更大范围的周边建筑所形成的气流模式可能对促进或阻碍通风产生相反的影响.为了提高估算自然通风量的准确性，最佳做法可能是仅考虑最相邻的周边建筑物.

图2 自然通风量与计算域半径的关系.

2.2 周围树木的影响

周围树木距离目标建筑1 m，树冠覆盖面积为125 m2.本研究仅考虑树木位于逆风方向的情况.在没有树木和有树木的情况下通风量的百分比差异如图3所示.不考虑周围树木的情况下，目标建筑中所有房间的通风量均被高估了10%～22%.树冠产生的阻力减缓了目标建筑附近的风速，导致流入窗户的空气减少.对于迎风面的房间(Room1，Room2，Room4)和横向的房间(Room5)，在考虑树木的情况下通风量减少约10%.受影响最大的是反而是背风侧的房间(Room3).原因是树冠的压降导致目标建筑背风面的停滞区更大，进入背风侧房间的气流相对减少了.因此，建议在使用CFD模拟自然通风时考虑由建筑物周围树木引起的阻力效应.

图3 周围树木对自然通风量的影响Q和Qtree分别为没有和有周围树木的通风量

2.3 外遮阳的影响

在东，西，南立面的窗户上设计外遮阳，以降低进入目标建筑的多余的太阳辐射负荷.外遮阳对自然通风量的影响.纵坐标为迎风侧窗户的平均通风量如图4所示.没有外遮阳时的通风量比有遮阳低21%.该结论与Lee等[5]的研究结果一致.这证明了目标建筑中的外遮阳设计形成了一个连通室外并能提高进入窗户的空气流速的短通道，有助于增强自然通风效果.

图4 外遮阳对自然通风量的影响

2.5 天窗的影响

房间4有可控制的天窗，开启天窗可以将通风率从3.39 m3·s-1增加到5.22 m3·s-1，如图5所示.三楼南侧的房间6随着天窗打开，通风量从接近0增加到0.80 m3·s-1.同一楼层房间7的通风量在天窗的作用下从0.20 m3·s-1增加到0.80 m3·s-1.天窗的设计可以增强烟囱效应，斜屋顶上的天窗增强了热压驱动的自然通风.对于房间7，天窗作为进风口，增强室内空气循环，导致房间自然通风量增加.二层的房间4，迎风面天窗是进风口，背风面天窗作为出风口.天窗的打开增强了房间4背风侧的空气运动.综上所述，天窗的设计有利于提高自然通风性能.

图5 关闭和打开天窗时不同房间的通风量比较

2.5 内门的影响

内门运行状态(开启或关闭)对自然通风性能的影响如图6所示.内门关闭形成单区域通风模式，每个房间独立通风.所有内门均打开则会形成多区域通风模式.房间4和房间5的空间没有内门，始终与楼梯相连，这类空间的通风量在多区域通风模式下提高了4%～6%.房间1和房间3在内门打开时，通风量提高了30%以上.结果表明，除了外部建筑设计元素和外窗控制外，适当的建筑运营策略也可以增强自然通风.

图6 内门对自然通风量的影响Q和Qm是内门关闭和内门开启情况下的通风量.

3 结 论

本研究评估了美国典型居住建筑的自然通风效果.研究目标是量化城市布局和建筑设计元素对单体建筑自然通风性能的影响.主要发现总结如下：

(1)与只考虑单一建筑相比，考虑周围建筑物会降低目标建筑物21%～66%自然通风量.自然通风设计应考虑城市建筑配置.

(2)周边树木会使自然通风量降低10%～22%.

(3)外遮阳设计可提高21%的自然通风量.

(4)天窗可加强自然通风，改善室内空气混合.

(5)打开内门可使通风量提高36%.

这项研究的结果可为优化建筑门窗控制算法提供参考，为进一步研究居住建筑被动式节能技术提供了有用的信息.