建筑外立面構(gòu)件對(duì)室內(nèi)自然通風(fēng)效率的影響

崔冬瑾，趙祥路，袁 磊，鐘鴻峰

1)深圳大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，廣東深圳 518060；2)深圳市建筑環(huán)境優(yōu)化設(shè)計(jì)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東深圳 518060

近年來(lái)，自然通風(fēng)作為實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能的重要途徑之一，得到人們的廣泛關(guān)注和采納[1-2]. 在綠色建筑設(shè)計(jì)中，常采用外立面構(gòu)件以提升建筑自然通風(fēng)性能，營(yíng)造節(jié)能舒適的室內(nèi)環(huán)境． 實(shí)地調(diào)研發(fā)現(xiàn)，在高密度城市中，集約型的居住空間配置模式使得單側(cè)通風(fēng)變得越來(lái)越普遍． 目前，已經(jīng)有很多研究者對(duì)建筑單側(cè)自然通風(fēng)情況開(kāi)展了較充分的研究工作[3-7]．NIU等[5]研究表明，在室內(nèi)和室外溫差達(dá)3～5 ℃，且風(fēng)速高于0.9 m/s的條件下，風(fēng)壓通風(fēng)將取代熱壓通風(fēng)成為自然通風(fēng)的主要驅(qū)動(dòng)力；AI等[6]關(guān)于城市風(fēng)環(huán)境的研究顯示，周邊擾流建筑會(huì)顯著降低目標(biāo)建筑的通風(fēng)換氣效率； ZHU等[8-11]指出在周邊擾流建筑中，上游擾流建筑會(huì)大幅度降低大氣來(lái)流風(fēng)速；ASHRAE[12]研究發(fā)現(xiàn)，上游建筑的尺寸，尤其是上游建筑高度，直接決定了建筑背風(fēng)面渦流區(qū)的大?。?然而目前的研究大多關(guān)注平滑立面的單棟建筑的通風(fēng)情況，關(guān)于周邊擾流建筑和外立面構(gòu)件影響下室內(nèi)自然通風(fēng)效果的研究相對(duì)較少．本研究基于計(jì)算流體力學(xué)(computation fluid dynamics, CFD)數(shù)值模擬，研究在兩種不同的來(lái)流風(fēng)向(來(lái)流風(fēng)向和建筑外窗法線的夾角α分別是 0°和45°)作用下，上游擾流建筑和外立面遮陽(yáng)構(gòu)件對(duì)目標(biāo)建筑室內(nèi)自然通風(fēng)效率的影響. 上游擾流建筑被賦予了不同的高度比值，分別是等同于下游目標(biāo)建筑，或是下游目標(biāo)建筑高度的兩倍．同時(shí)，外立面遮陽(yáng)構(gòu)件也具有垂直和水平兩種類型． 根據(jù)控制變量法，分別對(duì)來(lái)流風(fēng)向角度、上游擾流建筑高度比以及外立面遮陽(yáng)構(gòu)件的類型3個(gè)主要影響因素進(jìn)行分析．

1 計(jì)算方法和模型驗(yàn)證

1.1 風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)介紹

本研究選取ZHANG等[13]的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果用于CFD模擬的驗(yàn)證. 該風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究了擾流建筑對(duì)住宅建筑立面上的風(fēng)壓分布的影響，測(cè)試段長(zhǎng)為14 m，橫截面積為3.0 m×2.0 m，如圖1所示. 實(shí)驗(yàn)中下游目標(biāo)建筑物(實(shí)線)和上游擾流建筑物(虛線)的長(zhǎng)寬高尺寸為0.1 m × 0.1 m × 0.6 m.

圖1 建筑物相對(duì)位置的示意Fig.1 Schematic diagram showing relative location of buildings

ZHANG等[13]在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中測(cè)量了下游目標(biāo)建筑物的墻壁S和N沿中心線的壓力系數(shù)，無(wú)量綱數(shù)壓力系數(shù)(Cp)為

Cp=(p-pr)/(0.5ρv2)

(1)

其中，p是測(cè)得的表面壓力;pr是參考?jí)毫?ρ是大氣密度. 在實(shí)驗(yàn)中大氣密度為1.225 kg/m3；v是屋頂高度處的平均風(fēng)速．標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型和重整化群(re-normalization group, RNG)k-ε模型產(chǎn)生的Cp值的平均偏差，在迎風(fēng)面分別為28.57%和6.21%，在背風(fēng)面分別為-12.08% 和 -19.19%． 顯然，RNGk-ε模型結(jié)果與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果有更好的擬合性． CHANG等[9]研究單側(cè)通風(fēng)的立方體建筑室內(nèi)和周?chē)牧鲌?chǎng)特征，測(cè)量了建筑垂直中心平面內(nèi)10條垂直線上的平均風(fēng)速． AI等[7]運(yùn)用CFD模擬估算了這些垂直線上的平均風(fēng)速，模擬結(jié)果與測(cè)量結(jié)果吻合較好.

綜合風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和CFD模擬的結(jié)果比對(duì)，可以認(rèn)為RNGk-ε模型能較好地反映建筑室內(nèi)和周?chē)牧鲌?chǎng)特征．

1.2 幾何模型和案例設(shè)置

采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法，模擬了兩種不同高度比的上游擾流建筑和兩種不同類型的外立面構(gòu)件對(duì)多層建筑的室內(nèi)空氣流動(dòng)特性和空氣質(zhì)量的影響. 表1展示了18個(gè)不同的測(cè)試案例，以4層建筑為目標(biāo)研究對(duì)象，模擬了在兩種不同的來(lái)流風(fēng)向下(來(lái)流風(fēng)向和建筑外窗法線的夾角α分別是0° 和45°)，有或沒(méi)有垂直或水平翼墻，以及有或沒(méi)有兩種不同高度比的上游擾流建筑，對(duì)下游目標(biāo)建筑室內(nèi)自然通風(fēng)效果的影響.

表1 案例1至18設(shè)置

圖2展示了假設(shè)目標(biāo)建筑的計(jì)算區(qū)域和幾何模型，圖2(a)采用了入口邊界距離5Dy， 出口邊界距離15Dy， 兩側(cè)距離7Dy， 高度10Dy的計(jì)算區(qū)域用于數(shù)值模擬計(jì)算. 根據(jù)LIU等[14]提出的最佳操作指南，此計(jì)算區(qū)域足夠大，以減少邊界對(duì)建筑物周?chē)諝饬鲃?dòng)的影響. 兩個(gè)不同高度比的上游擾流建筑(高度為Dz或2Dz)與目標(biāo)研究建筑的距離為Dy.

圖2 計(jì)算區(qū)域和假設(shè)目標(biāo)建筑模型Fig.2 Computational domain and building configurations

圖2(b)顯示了兩種不同的來(lái)流風(fēng)向，其中，α是來(lái)流風(fēng)向與建筑物迎風(fēng)側(cè)的表面法線方向之間的夾角. 本研究對(duì)象是每層有兩個(gè)獨(dú)立房間的1∶20的4層建筑，1個(gè)房間在迎風(fēng)側(cè)有1個(gè)開(kāi)口，而另1個(gè)房間在背風(fēng)側(cè)有1個(gè)開(kāi)口. 目標(biāo)建筑中每個(gè)房間的尺寸均為6 m × 3 m × 3 m，每個(gè)開(kāi)口的尺寸固定為1 m × 2 m，開(kāi)口高度為樓板高度以上1 m， 水平立面構(gòu)件的尺寸為1 m×2 m，垂直立面構(gòu)件的尺寸為1 m×1 m，目標(biāo)建筑的長(zhǎng)寬高尺寸為6 m×6 m×12 m(以上尺寸均為原型尺寸)．

1.3 湍流模型和邊界條件

本研究應(yīng)用改進(jìn)的非標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，其在精度和計(jì)算的時(shí)間成本之間有較好的平衡[13-14].不可壓縮流體的控制方程為

(2)

其中，u是速度矢量；φ是速度分量； Гφ是每個(gè)因變量φ的擴(kuò)散系數(shù)；Sφ是源項(xiàng);t是時(shí)間.

標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型是基于湍流動(dòng)能(k)及其耗散率(ε)的模型方程的半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停牧黟ざ圈蘴為

(3)

其中，k是湍流動(dòng)能(單位：m2/s2)；ε是湍流耗散(單位：m2/s3)率；ρ是流體密度(單位：kg/m3)；Cμ是模型常數(shù)，取0.085. 在標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的推導(dǎo)中，假設(shè)流動(dòng)是完全湍流的，并且分子黏度的影響可以忽略不計(jì)[14]， RNGk-ε模型提供了比標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型更精確的流場(chǎng)模擬，部分原因是Rε增加了ε方程，這提高了渦流的精度，在ε方程中，增加了Rε項(xiàng)，

(4)

其中，η=Sk/ε，η0和β分別為4.38和0.015.

為了使得從縮尺模型的模擬研究中得到的定量數(shù)據(jù)，能夠準(zhǔn)確反映對(duì)應(yīng)的原型建筑中的室內(nèi)流場(chǎng)，必須在模型和原型之間滿足一系列相似性準(zhǔn)則.LIU等[14-15]研究表明，幾何相似和邊界層流相似是模型縮放時(shí)相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)的. 本研究中，建筑物屋頂高度的風(fēng)速為4 m/s，雷諾數(shù)約為4×104，遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)，因此可以滿足雷諾獨(dú)立性. 根據(jù)雷諾數(shù)相似法，對(duì)于忽略熱效應(yīng)，由適當(dāng)?shù)奶卣鏖L(zhǎng)度和參考速度實(shí)現(xiàn)的相似邊界條件的流動(dòng)系統(tǒng)，湍流是相似的.

網(wǎng)格精度測(cè)試基于無(wú)外立面構(gòu)件的縮尺建筑模型，分別建立了網(wǎng)格數(shù)為210萬(wàn)、420萬(wàn)和650萬(wàn)個(gè)的有限元網(wǎng)格案例，分別代表粗糙、適中和高密度的不同網(wǎng)格方案. 以目標(biāo)建筑室內(nèi)每小時(shí)的換氣次數(shù)(ACH)為參數(shù)評(píng)估網(wǎng)格的獨(dú)立性，得出不同精度的網(wǎng)格對(duì)應(yīng)的迎風(fēng)面房間平均ACH值分別為17.0、16.0和16.2次/h，中間網(wǎng)格預(yù)測(cè)的ACH值非常接近于由更細(xì)網(wǎng)格預(yù)測(cè)的結(jié)果，偏差小于3%. 這一結(jié)果表明，采用420萬(wàn)的有限元網(wǎng)格用于后續(xù)的模擬計(jì)算相對(duì)合適.

關(guān)于邊界條件的設(shè)置，入口邊界以湍流強(qiáng)度和尺度為特征，分別為8%和1 m，湍流現(xiàn)象采用RNGk-ε模型，邊界條件及參數(shù)設(shè)置依據(jù)操作指南[14]. 當(dāng)使用標(biāo)準(zhǔn)壁函數(shù)時(shí)，近壁面y+值應(yīng)在30～300. 在此研究模擬中，建筑物表面和計(jì)算區(qū)域地面附近的y+值均在30～40. 在流體均質(zhì)不可壓縮的假定下，質(zhì)量流入口條件可以使用速度入口條件[15]，為

Vz=VrefV(H/Dz)α=1.14Vrefz0.25

(5)

整個(gè)自然通風(fēng)模擬計(jì)算區(qū)域中，出口邊界采用壓力出口條件,區(qū)域側(cè)面和頂部采用對(duì)稱邊界,地面使用無(wú)滑移固壁邊界條件，采用壁面函數(shù)并引入粗糙壁面修正設(shè)置，建筑物外立面使用無(wú)滑移墻面邊界條件并采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，但不引入粗糙壁面修正設(shè)置. 壓力-速度耦合算法采用 SIMPLEC 算法，壓力插值是二階迎風(fēng)，二階離散化方案用于控制方程的對(duì)流和黏性項(xiàng). 當(dāng)所有縮放的殘差平穩(wěn)并且降到1×10-6以下，進(jìn)出口質(zhì)量相對(duì)誤差為 0.003%，靜壓值在很小范圍內(nèi)周期性變化時(shí)，可以認(rèn)為計(jì)算達(dá)到收斂.

2 模擬結(jié)果及分析

2.1 流場(chǎng)特征和通風(fēng)性能

2.1.1 上游擾流建筑的影響

圖3為來(lái)流風(fēng)向?yàn)?°且無(wú)外立面構(gòu)件的多層建筑室內(nèi)和周?chē)鲌?chǎng)的風(fēng)速等值線矢量圖. 在風(fēng)工程領(lǐng)域，建筑周?chē)娘L(fēng)場(chǎng)流動(dòng)模式已有廣泛研究，對(duì)于單棟的單層或多層建筑，大氣來(lái)流風(fēng)向?qū)⒃诮ㄖ?/3高度處產(chǎn)生分離，分別形成向上、向下和水平的流動(dòng)， 這一現(xiàn)象與圖3(a)顯示的結(jié)果吻合.如圖3(b)所示，等高度比的上游擾流建筑的存在，使下游目標(biāo)建筑的迎風(fēng)側(cè)成為一個(gè)由向下流動(dòng)的氣流主導(dǎo)的流場(chǎng)，建筑頂部周?chē)蛏狭鲃?dòng)的氣流消失了. 如圖3(c)所示，兩倍高度比的上游擾流建筑的存在，也改變了下游目標(biāo)建筑迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)的近壁面氣流形式. 由以上分析發(fā)現(xiàn)，上游擾流建筑對(duì)下游目標(biāo)建筑周?chē)鲌?chǎng)特性存在顯著影響.

圖3 上游擾流建筑影響下的風(fēng)速等值線Fig.3 Contour of mean velocity magnitude of upstream turbulence buildings

2.1.2 外立面構(gòu)件的影響

圖4展示相同來(lái)流風(fēng)向和上游擾流建筑的情況下，外立面構(gòu)件對(duì)建筑室內(nèi)和周邊流場(chǎng)空氣流動(dòng)特性的影響. 如圖4(a)所示，突出的垂直外立面構(gòu)件給建筑近壁面的空氣流動(dòng)增加了阻力，加劇了湍流的波動(dòng)，并增強(qiáng)了近壁面流體和立面構(gòu)件的相互作用. 如圖4(b)所示，在水平立面構(gòu)件的角部出現(xiàn)了細(xì)微的渦流. 對(duì)比平滑壁面流場(chǎng)，立面構(gòu)件的存在使得建筑近壁面形成了更動(dòng)態(tài)的流場(chǎng)，成為了室內(nèi)外空氣交換的驅(qū)動(dòng)力．

圖4 立面構(gòu)件周?chē)鲌?chǎng)Fig.4 Airflow around wing walls

2.1.3 上游擾流建筑和外立面構(gòu)件的共同作用

圖5展示了有等高度上游擾流建筑的情況下，建筑水平和垂直立面構(gòu)件對(duì)流場(chǎng)的影響. 同樣地，立面構(gòu)件的存在干擾了近壁面氣流模式，產(chǎn)生了很多小渦流，這種由立面構(gòu)件產(chǎn)生的流場(chǎng)特征，不因上游擾流建筑的存在與否而改變. 但當(dāng)有等高度比值的上游擾流建筑存在時(shí)，目標(biāo)建筑周?chē)鲌?chǎng)的特征發(fā)生了改變. 此時(shí)，立面構(gòu)件反而可能成為阻礙室內(nèi)外空氣交換的屏障，這意味著立面構(gòu)件對(duì)建筑室內(nèi)自然通風(fēng)效率的作用效果受到上游擾流建筑的影響.

圖5 立面構(gòu)件影響下的風(fēng)速等值線圖Fig.5 Contour of velocity magnitude of envelope features

2.2 ACH值的對(duì)比分析

2.2.1 大氣來(lái)流風(fēng)向的影響

從圖6中可以看出，對(duì)于在α= 45°的來(lái)流風(fēng)向下的所有案例(即案例10—案例18)，每小時(shí)換氣次數(shù)(ACH)與α=0°的來(lái)流風(fēng)向下的所有案例(即案例1—案例9)相比，增加了2～5倍. 其中， ACH使用面積積分方法計(jì)算為

(6)

其中，A為開(kāi)口面積；U為風(fēng)速. 式(6)表明，當(dāng)來(lái)流風(fēng)向與建筑物表面法線方向成一定角度時(shí)，目標(biāo)研究建筑通常具有更好的自然通風(fēng)性能.

2.2.2 外立面構(gòu)件和上游擾流建筑的影響

通過(guò)比較垂直外立面構(gòu)件的作用下不同案例中ACH的變化，可以看出，在迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)，案例2和案例14的平均ACH分別大于案例1和案例13的平均ACH. 但是案例8和案例11的平均ACH僅在迎風(fēng)側(cè)分別大于案例7和案例10，案例5和案例17的平均ACH甚至分別小于案例4和案例16的平均ACH. 這表明垂直外立面構(gòu)件對(duì)建筑室內(nèi)自然通風(fēng)效率的影響，很大程度上依賴于環(huán)境因素，包括近壁面的風(fēng)向. 目標(biāo)研究建筑的方位和朝向以及上游擾流建筑的高度比，對(duì)于水平外立面構(gòu)件，在所有案例中，平均ACH均沒(méi)有顯著增加，并且在一些案例中，水平外立面構(gòu)件甚至對(duì)室內(nèi)自然通風(fēng)效果有不利影響.

圖6 迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)ACH增長(zhǎng)率Fig.6 Increase percentage of ACH in windward side and leeward side of each case

根據(jù)圖6的結(jié)果，分別在來(lái)流風(fēng)向?yàn)?°和45°的情況下，進(jìn)一步分析上游擾流建筑和立面構(gòu)件對(duì)建筑室內(nèi)ACH的影響.

來(lái)流風(fēng)向?yàn)?°時(shí)：① 比較案例1至案例3，對(duì)于單棟建筑，垂直立面構(gòu)件在建筑的迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)均明顯地提高了建筑的室內(nèi)自然通風(fēng)換氣效率，然而水平立面構(gòu)件僅有輕微的提升；② 比較案例4至案例6，上游為高度比是1的擾流建筑時(shí)，兩種外立面構(gòu)件均對(duì)目標(biāo)建筑的室內(nèi)自然通風(fēng)性能均有消極影響，水平立面構(gòu)件使室內(nèi)ACH值顯著下降；③ 比較案例7至案例9，上游為高度比值是2的擾流建筑時(shí)，垂直立面構(gòu)件在迎風(fēng)側(cè)提升了的目標(biāo)研究建筑室內(nèi)ACH值，然而對(duì)水平外立面構(gòu)件在迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)均對(duì)室內(nèi)通風(fēng)換氣效率有不利影響.

來(lái)流風(fēng)向?yàn)?5°時(shí)：①比較案例10至案例12，對(duì)于單棟建筑，垂直立面構(gòu)件在建筑的迎風(fēng)側(cè)提高了建筑的室內(nèi)自然通風(fēng)換氣效率，然而在背風(fēng)面，水平和垂直立面構(gòu)件均對(duì)室內(nèi)通風(fēng)換氣效率有不利影響；②比較案例13至案例15，上游為高度比是1的擾流建筑時(shí)，垂直外立面構(gòu)件在迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)均對(duì)目標(biāo)建筑的室內(nèi)自然通風(fēng)性能有明顯提升，然而水平立面構(gòu)件無(wú)顯著影響；③ 比較案例16至案例18，上游為高度比值是2的擾流建筑時(shí)，水平和垂直外立面構(gòu)件在迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)均對(duì)室內(nèi)通風(fēng)換氣效率有不利影響，垂直立面構(gòu)件在迎風(fēng)側(cè)顯著降低了的目標(biāo)研究建筑室內(nèi)ACH值.此結(jié)果進(jìn)一步表明，立面構(gòu)件對(duì)建筑室內(nèi)自然通風(fēng)效率的影響，很大程度上受到來(lái)流風(fēng)向和上游擾流建筑的干擾．

3 結(jié) 論

運(yùn)用CFD模擬，根據(jù)控制變量法，分別討論了來(lái)流風(fēng)向角度、上游擾流建筑高度比以及外立面遮陽(yáng)構(gòu)件類型3個(gè)主要影響因素，對(duì)目標(biāo)建筑周?chē)鲌?chǎng)和室內(nèi)自然通風(fēng)效果的作用，認(rèn)為：

1)當(dāng)來(lái)流風(fēng)向?yàn)閮A斜角度時(shí)，目標(biāo)研究建筑通常具有更好的室內(nèi)自然通風(fēng)效果，例如，在45°情況下，由于來(lái)流風(fēng)在建筑角部產(chǎn)生的流動(dòng)分離形成了加速流，使建筑表面形成了氣壓差，成為了建筑室內(nèi)外空氣交換的驅(qū)動(dòng)力；

2)垂直和水平外立面構(gòu)件對(duì)通風(fēng)性能的影響很大程度上取決于環(huán)境因素，包括近壁面的大氣來(lái)流風(fēng)向、目標(biāo)研究建筑的方位和朝向，以及上游擾流建筑的高度比. 這些因素的綜合作用改變了目標(biāo)建筑的周?chē)鲌?chǎng)特性，使立面構(gòu)件可能成為導(dǎo)風(fēng)構(gòu)件，提高室內(nèi)自然通風(fēng)效率，也有可能阻礙室內(nèi)外空氣交換；

3)盡管上游建筑物同時(shí)也對(duì)目標(biāo)建筑施加了風(fēng)影作用，上游擾流建筑在下游目標(biāo)建筑的迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)產(chǎn)生了復(fù)雜的流動(dòng)狀態(tài)，增強(qiáng)了目標(biāo)建筑室內(nèi)和周?chē)鲌?chǎng)區(qū)域的通風(fēng)效率．