傳統(tǒng)嶺南民居自然通風(fēng)數(shù)值模擬研究

高 娜 胡文斌 吳晨晨

華南理工大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院

傳統(tǒng)嶺南民居自然通風(fēng)數(shù)值模擬研究

高 娜 胡文斌 吳晨晨

華南理工大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院

嶺南地區(qū)氣候濕熱，城鎮(zhèn)建筑密度高，因此民居空間通風(fēng)性能尤為重要。本文以嶺南地區(qū)傳統(tǒng)民居形式竹筒屋為研究對(duì)象，對(duì)其自然通風(fēng)模式進(jìn)行CFD數(shù)值模擬分析，重點(diǎn)研究室內(nèi)通風(fēng)性能隨天井尺寸的變化規(guī)律。

傳統(tǒng)民居 自然通風(fēng) 熱壓拔風(fēng) CFD

0 引言

竹筒屋為傳統(tǒng)嶺南民居建筑的典型代表，由于建筑結(jié)構(gòu)緊湊，在嶺南地區(qū)高聚集度城鎮(zhèn)得到廣泛應(yīng)用。竹筒屋平面通常為單開間，進(jìn)深大，主建筑依照“街巷/庭院—廳堂—主屋—天井”的順序從前向后依次排列，形如竹節(jié)，故名“竹筒屋”。

竹筒屋以其獨(dú)特的內(nèi)部空間組織形式，對(duì)當(dāng)?shù)貪駸釟夂蚓哂辛己玫倪m應(yīng)性，營造了明亮而陰涼的居住環(huán)境[1]：其縱向延伸的布局可減少太陽熱輻射進(jìn)入室內(nèi)；庭院及天井具有一定采光作用，避免了室內(nèi)光線過暗；天井受到太陽輻射而在其內(nèi)部形成熱壓拔風(fēng)，與連通主屋的內(nèi)走廊（俗稱“冷巷”）相連，可有效改善住戶通風(fēng)環(huán)境。

作為被動(dòng)式通風(fēng)建筑，竹筒屋的通風(fēng)效果受到建筑朝向、建筑規(guī)模、當(dāng)日氣候等多種因素影響。天井熱壓拔風(fēng)作為室內(nèi)通風(fēng)的“原動(dòng)力”，其優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)于建筑的通風(fēng)效果具有至關(guān)重要的作用。本文擬采用CFD模擬方法對(duì)竹筒屋熱壓通風(fēng)模式進(jìn)行定量分析，重點(diǎn)研究天井尺寸對(duì)室內(nèi)通風(fēng)性能的影響。

1 CFD模型與研究方法

1.1 研究對(duì)象

本文以廣州地區(qū)某竹筒屋民宅為研究對(duì)象，該民宅朝向坐北朝南，面寬4m，進(jìn)深13.5m，設(shè)有前庭院及后天井，高度分別為4m、7.5m，寬度分別為4m、1.5m，二者以冷巷連接，如圖1（a）所示。其中前庭院、后天井及冷巷可構(gòu)成一個(gè)完整的熱壓通風(fēng)體系，如圖1（b）所示。

圖1 竹筒屋熱壓通風(fēng)物理模型

1.2 計(jì)算方法與條件

本文采用商用CFD軟件Fluent對(duì)竹筒屋通風(fēng)性能進(jìn)行定量研究。為簡化計(jì)算過程，模擬研究分為兩步進(jìn)行：首先根據(jù)圖1（a）所示竹筒屋模型計(jì)算夏季典型時(shí)刻（夏至日15:00）天井及庭院內(nèi)墻面平均溫度，再以此計(jì)算結(jié)果作為熱邊界條件，對(duì)圖1（b）所示簡化模型進(jìn)行通風(fēng)模擬。冷巷為室內(nèi)空間，未直接接收太陽輻射，故在計(jì)算中近似為絕熱壁面。進(jìn)出風(fēng)口均設(shè)置為壓力入口，以模擬靜風(fēng)環(huán)境下竹筒屋自然通風(fēng)性能。

1.3 天井尺寸選取

根據(jù)熱壓拔風(fēng)原理[2]，拔風(fēng)效應(yīng)的強(qiáng)度與進(jìn)出風(fēng)口中心高度差、室內(nèi)外空氣密度差成正比。對(duì)于竹筒屋，進(jìn)出風(fēng)口中心高度差即天井高度，室內(nèi)外空氣密度差則與天井接收的太陽輻射相關(guān)，通常取決于天井高度及橫截面積大小。換句話說，在竹筒屋面寬不變的情況下，天井高度h及平面進(jìn)深a的選取對(duì)其熱壓通風(fēng)性能起著決定性作用。

傳統(tǒng)竹筒屋一般為2～3層，為保證各樓層室內(nèi)采光，天井高度通常低于建筑高度。天井進(jìn)深方面，有文獻(xiàn)指出[3]，平面進(jìn)深與寬度比一般在1/1.45～1/3之間。結(jié)合本文研究對(duì)象實(shí)際情況，分別選取“高度/進(jìn)深”為4m/1.5m、6m/1.5m、7.5m/1.5m 以及 7.5m/1.5m、7.5m/ 2.3m、7.5m/3m共六個(gè)天井尺寸作為對(duì)比組進(jìn)行模擬研究。

2 模擬結(jié)果分析

通過對(duì)圖1（a）所示竹筒屋進(jìn)行太陽輻射模擬，得到天井及庭院熱邊界條件如圖2所示?？梢钥闯觯S著天井尺寸變化，其地面和內(nèi)墻溫度有較明顯改變。由于庭院尺寸沒有變化，其內(nèi)部溫度分布基本維持不變。另外，天井及庭院東墻溫度較其它朝向內(nèi)墻溫度高，這是由所選取的典型時(shí)刻太陽方位角引起的，隨著不同時(shí)刻太陽方位角變化，內(nèi)墻溫度分布也會(huì)有所不同，但平均溫度隨天井尺寸變化的規(guī)律是類似的。

圖2 天井及庭院熱邊界條件

圖2（a）所示為天井固定進(jìn)深a=1.5m的情況下，天井熱邊界條件隨其高度的變化規(guī)律?？梢钥闯?，h=4m時(shí)，天井內(nèi)墻及地面溫度最高，隨著天井高度增加，內(nèi)墻及地面溫度均明顯降低。其原因在于，h=4m時(shí)，天井內(nèi)墻可接收到的太陽輻射較多，地面亦可接受到部分太陽輻射直射，當(dāng)天井高度增加，天井內(nèi)墻開始受自身遮擋，使大部分內(nèi)墻及整個(gè)地面位于陰影區(qū)，僅在其頂端接收少量太陽輻射，因此溫度明顯降低。

圖2（b）所示為天井固定高度h=7.5m的情況下，天井熱邊界條件隨其進(jìn)深的變化規(guī)律。隨著天井進(jìn)深增加，地面溫度維持不變，天井內(nèi)墻溫度則有所提高。這是由于天井高度7.5m時(shí)，三種進(jìn)深尺寸下，地面均無法得到太陽輻射直射。另一方面，進(jìn)深增加使得天井橫截面積增大，更多太陽輻射進(jìn)入天井內(nèi)部，引起天井內(nèi)部溫度小幅度提高。

基于上述太陽輻射模擬得到的熱邊界條件，對(duì)圖1（b）所示竹筒屋通風(fēng)模型進(jìn)行熱壓通風(fēng)模擬，得到竹筒屋內(nèi)部熱壓、風(fēng)速分布如圖3、圖4所示?？梢钥闯觯疤炀湎铩ピ骸苯M合形成了完整的“拔風(fēng)—風(fēng)道—補(bǔ)風(fēng)”式熱壓通風(fēng)體系：天井頂端與底部受太陽輻射不均勻?qū)е绿炀畠?nèi)部形成垂直方向較為顯著的熱壓差，進(jìn)而產(chǎn)生熱壓拔風(fēng)，同時(shí)上開口庭院將室外新鮮空氣引入室內(nèi)作為補(bǔ)充，冷巷作為連通天井與庭院間的通道，由于尺寸窄小而產(chǎn)生狹縫作用，使冷巷內(nèi)風(fēng)速大幅提高。該通風(fēng)體系從后到前縱貫整棟竹筒屋，通過冷巷與主屋各房間連通，冷巷內(nèi)高風(fēng)速可誘導(dǎo)室內(nèi)熱空氣排出，實(shí)現(xiàn)各房間有效通風(fēng)。

圖3 不同天井高度情況下熱壓比較（Pa）

圖4 不同天井高度情況下通風(fēng)風(fēng)速比較（m/s）

圖3、圖4所示分別為天井固定進(jìn)深a=1.5m，高度分別為h=4m、h=6m、h=7.5m時(shí)的通風(fēng)模擬結(jié)果。當(dāng)h=4m時(shí)，天井及庭院內(nèi)空氣流動(dòng)方向雜亂，冷巷內(nèi)部流速幾乎為零，這是由于天井與庭院高度相當(dāng)時(shí)，二者在高度方向產(chǎn)生的熱壓差數(shù)值相當(dāng)，使得兩側(cè)拔風(fēng)作用相互抵消所致。對(duì)比圖中不同高度天井內(nèi)熱壓分布可知，隨著天井高度增加，其內(nèi)部豎直方向熱壓差逐漸增大，而庭院內(nèi)熱壓分布則基本不變。換句話說，隨著天井高度增加，天井拔風(fēng)作用逐漸增強(qiáng)，通風(fēng)效果隨之改善。值得注意的是，隨著天井高度增加，天井內(nèi)平均溫度有一定程度下降（如圖2（a）所示），導(dǎo)致天井內(nèi)外空氣密度差降低，對(duì)熱壓拔風(fēng)產(chǎn)生一定消極影響，但由于出入風(fēng)口高程差同時(shí)增加，熱壓差仍得到明顯提高。當(dāng)h值達(dá)到7.5m時(shí)，天井、庭院內(nèi)空氣流速均達(dá)到0.5m/s以上，而冷巷內(nèi)流速在狹縫效應(yīng)下更是達(dá)到1m/s以上。

圖5 不同天井寬度情況下熱壓比較（Pa）

圖5、圖6所示分別為天井固定高度h=7.5m，寬度分別為a=1.5m、a=2.3m、a=3m時(shí)的通風(fēng)模擬結(jié)果?？梢钥闯觯趆=7.5m條件下，三種尺寸的天井內(nèi)均產(chǎn)生較強(qiáng)的熱壓拔風(fēng)作用，隨著天井寬度增加，天井內(nèi)部平均溫度逐漸提高（如圖2（b）所示），天井內(nèi)外空氣密度差增大，豎直方向熱壓拔風(fēng)風(fēng)速得到小幅度提高，而天井寬度達(dá)到2.3m時(shí)，其寬度增加對(duì)拔風(fēng)效應(yīng)的影響不再明顯。對(duì)比圖4、圖6可知，增加天井寬度對(duì)建筑通風(fēng)的改善效果遠(yuǎn)差于提高天井高度，且廣州城鎮(zhèn)地區(qū)用地緊張，增加天井寬度不利于節(jié)地需求，因此設(shè)計(jì)中應(yīng)以提高天井高度作為改善竹筒屋通風(fēng)的首選方式。

圖6 不同天井寬度情況下通風(fēng)風(fēng)速比較（m/s）

3 結(jié)論

本文通過對(duì)不同天井尺度的竹筒屋模型進(jìn)行通風(fēng)性能分析，得到主要結(jié)論如下：

1）室外無風(fēng)環(huán)境下，竹筒屋依靠“天井—冷巷—庭院”組合構(gòu)成的熱壓通風(fēng)體系可實(shí)現(xiàn)室內(nèi)良好通風(fēng)。

2）增加天井高度可顯著改善竹筒屋熱壓通風(fēng)，通常情況下，可作為提高室內(nèi)通風(fēng)性能的首選方式。

3）增加天井寬度對(duì)竹筒屋熱壓通風(fēng)性能有小幅度提升作用，在用地緊張的城鎮(zhèn)密集區(qū)，增加天井寬度具有一定局限性。

傳統(tǒng)嶺南竹筒屋采用被動(dòng)式方法提高建筑通風(fēng)性能，其中蘊(yùn)涵的綠色通風(fēng)智慧，對(duì)于現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)具有重要的借鑒意義。由于模擬條件限制，本文模擬并未考慮太陽高度角變化及圍護(hù)結(jié)構(gòu)蓄熱對(duì)模型熱邊界條件的影響。進(jìn)一步工作將考慮各方面外部因素，進(jìn)行更詳盡、精確的模擬研究。

[1] 肖毅強(qiáng),林瀚坤.廣州竹筒屋的氣候適應(yīng)性空間尺度模型研究[J].建筑論壇,2013,(2):82～86

[2] 王漢青.通風(fēng)工程[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007

[3] 余欣婷.廣府地區(qū)傳統(tǒng)民居自然通風(fēng)技術(shù)研究[D].廣州:華南理工大學(xué),2011

Numerical Simulation of Natural Ventilation in a Traditional Dwelling Located in Lingnan Region

GAO Na,HU Wen-bin,WU Chen-chen
Architectural Design&Research Institute,South China University of Technology

Good ventilation performance is especially important for dwelling in Lingnan region,adapting the humid subtropical climate and high urban density.Natural ventilation mode in the traditional dwelling called bamboo-tube house was numerically investigated by Computational Fluid Dynamics (CFD),and a change behavior of ventilation performance with patio dimensions was focused studied.

traditional dwelling,natural ventilation,bamboo-tube house,CFD

1003-0344（2015）04-076-4

2014-4-13

高娜（1988～），女，碩士；廣州市華南理工大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院（510641）；020-22238228；E-mail:gao_na_0424@163.com

廣東省重大科技專項(xiàng)（2012A010800028）