某綠色住宅建筑的通風(fēng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

1模型建立

1.1 CAD模型

本文選取某一住宅，在catia中建立的房屋幾何模型如圖2所示，在幾何中只對(duì)墻壁進(jìn)行建模，同時(shí)存在房屋內(nèi)流場(chǎng)和房屋外流場(chǎng)，并忽略了對(duì)結(jié)果影響比較小的一些細(xì)節(jié)，具體如下：

（1） 圍欄結(jié)構(gòu)不會(huì)對(duì)房屋流場(chǎng)造成較大影響，但其結(jié)果比較復(fù)雜會(huì)增加巨大工作量，故將其忽略；

（2） 屋頂一般為三角梁結(jié)果，且屋內(nèi)為一平面，故只對(duì)內(nèi)流域進(jìn)行建模；

（3） 通風(fēng)時(shí)，將室內(nèi)所有的門(mén)和窗均打開(kāi)，故建模時(shí)將門(mén)窗設(shè)置成打開(kāi)狀態(tài)；

（4） 忽略室外樹(shù)木等對(duì)外流場(chǎng)的影響；

圖2 房屋三維模型

將幾何導(dǎo)入到spaceclaim中進(jìn)行外流場(chǎng)建模，將入口和兩側(cè)取為3倍的建筑物長(zhǎng)度，出口取為5倍的建筑物長(zhǎng)度，上方取為5倍建筑物高度建立外流場(chǎng)，通過(guò)設(shè)置外流場(chǎng)的朝向來(lái)改變來(lái)流方向，由于上海地區(qū)風(fēng)向主要以SSE為主，所以這里設(shè)置來(lái)流面與東夾角為22.5°。同時(shí)在建立流場(chǎng)模型時(shí)，將內(nèi)流域單獨(dú)剖分出來(lái)進(jìn)行加密，最后應(yīng)用共享拓補(bǔ)將各個(gè)計(jì)算域的交接部分進(jìn)行耦合，最終得到的流場(chǎng)模型如圖3所示。

圖3 建筑物流場(chǎng)幾何模型

1.2 網(wǎng)格劃分

將處理好的幾何導(dǎo)入到ansys meshing中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，外流域網(wǎng)格尺寸設(shè)置為1m，內(nèi)流域網(wǎng)格尺寸設(shè)置為0.1m，采用四面體網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最終得到的網(wǎng)格示意圖如圖4和圖5所示，最終單元數(shù)量502W，網(wǎng)格質(zhì)量在0.18以上，網(wǎng)格質(zhì)量較高，可以用于計(jì)算。

圖4 外流場(chǎng)整體示意圖

圖5 內(nèi)流域局部網(wǎng)格示意圖

1.3計(jì)算模型建立

將網(wǎng)格導(dǎo)入到fluent當(dāng)中就行求解設(shè)置，采用壓力基穩(wěn)態(tài)求解器來(lái)進(jìn)行求解計(jì)算，首先檢查一下網(wǎng)格，保證最小網(wǎng)格尺寸大于0，之后檢查一下網(wǎng)格尺寸與實(shí)際情況的符合情況。因?yàn)橐鲲L(fēng)壓和熱壓下的空氣流動(dòng)，所以接下來(lái)要激活能量方程和k-w SST湍流模型，將空氣設(shè)置為不可壓縮理想氣體，并將參考?jí)毫υO(shè)置為海平面壓力。

在邊界條件設(shè)置時(shí)，由于存在地面附面層所以需要擬合來(lái)流速度曲線，編寫(xiě)UDF（用戶自定義函數(shù)）作為接口，導(dǎo)入到fluent當(dāng)中來(lái)修正入口速度，入口速度隨高度變化曲線如下述公式所示：

其中，代表X高度處的來(lái)流速度，為觀測(cè)點(diǎn)速度，為觀測(cè)點(diǎn)高度，為常數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，取為0.4，根據(jù)上海氣象條件，取為10m，為3.5m/s，編寫(xiě)的UDF如下所示：

#include "udf.h"

DEFINE_PROFILE(inlet_x_velocity,thread,position)

{

#if !RP_HOST

real x [ND_ND];

real z;

face_t f;

begin_f_loop(f,thread)

{

F_CENTROID(x,f,thread);

z=x[0];

F_PROFILE(f,thread,position)=pow(z/10,0.4)*3.5;

}

end_f_loop(f,thread)

#endif

}

采用編譯的方式加載UDF，之后將其應(yīng)用到入口邊界當(dāng)中，出口設(shè)置為壓力出口邊界條件，采用默認(rèn)設(shè)置即可，建筑物的壁面和地面設(shè)置為無(wú)滑移壁面，四周設(shè)置為自由滑移壁面。

邊界條件設(shè)置完畢后，修改計(jì)算方法為coupled，并將離散方式設(shè)置為二階迎風(fēng)，之后將殘差設(shè)置為1×10-5，檢測(cè)出口面的流量值，作為判斷流動(dòng)是否達(dá)到收斂的條件，最后采用混合初始化后設(shè)置迭代次數(shù)為2000次進(jìn)行流場(chǎng)求解即可。

2計(jì)算結(jié)果分析

2.1 優(yōu)化前外流場(chǎng)

計(jì)算過(guò)程中殘差曲線和出口質(zhì)量流量收斂曲線分別如圖6和圖7所示，從曲線可以看出計(jì)算到200步左右時(shí)即達(dá)到了收斂，計(jì)算收斂性較好。

圖6 殘差收斂曲線

圖7 出口質(zhì)量流量收斂曲線

將計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入到CFD-POST當(dāng)中，進(jìn)行后處理，首先創(chuàng)建離地高度為1m（一樓）的外流場(chǎng)平面，得到其速度云圖和壓力云圖分別如圖8和圖9所示。從圖中可以看出，迎著來(lái)流的面為迎風(fēng)面，氣流在迎風(fēng)面形成一個(gè)高壓區(qū)，在內(nèi)外壓差作用下，空氣會(huì)進(jìn)入到房屋內(nèi)部就行通風(fēng)散熱。

由于一樓門(mén)的位置設(shè)置在背風(fēng)面，所以進(jìn)入室內(nèi)的風(fēng)會(huì)小很多，影響通風(fēng)散熱效果。

圖8 1m高度外流場(chǎng)平面處速度云圖

圖9 1m高度外流場(chǎng)平面處壓力云圖

同樣的方法，創(chuàng)建離地高度為6m（二樓）的外流場(chǎng)平面，得到其速度云圖和壓力云圖分別如圖10和圖11所示。從圖可以看出，二樓計(jì)算結(jié)果與一樓計(jì)算結(jié)果計(jì)算類(lèi)似，氣流在迎著來(lái)流的迎風(fēng)面形成一個(gè)高壓區(qū)，在內(nèi)外壓差作用下，空氣會(huì)進(jìn)入到房屋內(nèi)部就行通風(fēng)散熱。

但是與一樓不同的是，二樓在迎風(fēng)面安裝有一處門(mén)，氣流通過(guò)門(mén)進(jìn)入到二樓室內(nèi)，所以從壓力云圖可以看出，二樓平面處壓力云圖的壓力比一樓要低。同時(shí)由于地面附面層作用，遠(yuǎn)離地面的風(fēng)速較大，所以二樓平面處流速比一樓平面處要大。

圖10 6m高度外流場(chǎng)平面處速度云圖

圖11 6m高度外流場(chǎng)平面處壓力云圖

由優(yōu)化前的外流場(chǎng)速度云圖和壓力云圖可以看出，在來(lái)流的正迎風(fēng)面中只在二樓的位置設(shè)有一門(mén)，導(dǎo)致氣流無(wú)法流入到室內(nèi)，會(huì)顯著影響通風(fēng)效果，所以后期需要對(duì)建筑的朝向進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)在正迎風(fēng)面的位置多安裝幾處門(mén)和窗。

2.2 優(yōu)化前內(nèi)流場(chǎng)

優(yōu)化前房屋一樓離地1米高度處內(nèi)流場(chǎng)的速度分布云圖和壓力分布云圖分別如圖12和圖13所示，由速度云圖可知，房屋內(nèi)氣流速度分布并不均勻，氣流由側(cè)邊的門(mén)進(jìn)入到室內(nèi)，經(jīng)過(guò)走廊進(jìn)入到各個(gè)房間，最大速度為1.127m/s，除了少數(shù)幾個(gè)位置速度達(dá)到1m/s的風(fēng)速，其他速度均比較低。用時(shí)由壓力分布云圖可以看出，一樓房屋的各個(gè)房間并沒(méi)有完全連通，導(dǎo)致各個(gè)房間存在較大的壓力差，所以后續(xù)需要將房屋進(jìn)行連通在一起。

圖12 1m高度內(nèi)流場(chǎng)平面處速度云圖

圖13 1m高度內(nèi)流場(chǎng)平面處壓力云圖

優(yōu)化前房屋二樓離地6米高度處內(nèi)流場(chǎng)的速度分布云圖和壓力分布云圖分別如圖14和圖15所示，由速度云圖可知，由于二樓在正迎風(fēng)面開(kāi)有一門(mén)，導(dǎo)致氣流速度最大為3.14m/s，比1樓室內(nèi)通風(fēng)效果好很多，氣流由門(mén)進(jìn)入室內(nèi)后，在屋內(nèi)擴(kuò)散，各處氣流速度均比1樓大很多，但也存在一定的死角位置。同時(shí)由壓力分布云圖可以看出，因?yàn)楦鱾€(gè)房間相互連通在一起，所以房間之間不存在明顯的壓力差，壓力分布較為均勻，。

圖14 6m高度內(nèi)流場(chǎng)平面處速度云圖

圖15 6m高度內(nèi)流場(chǎng)平面處壓力云圖

房屋內(nèi)部樓梯縱向平面速度分布云圖如圖16所示，可以看出氣流由門(mén)口進(jìn)入后從一樓流到了二樓，對(duì)通風(fēng)有利。同時(shí)可以看出，一樓幾個(gè)房間之間沒(méi)有連通在一起，導(dǎo)致某些房間會(huì)出現(xiàn)局部速度低點(diǎn)。

圖16 樓梯縱向平面處速度分布

2.3 優(yōu)化前房屋通風(fēng)效果總結(jié)

由上述分析可知，目前建筑住宅的通風(fēng)設(shè)計(jì)主要存在以下問(wèn)題：

（1） 房屋建筑朝向與來(lái)流夾角較大，導(dǎo)致來(lái)流需偏轉(zhuǎn)一定角度后才能進(jìn)入室內(nèi)，造成室內(nèi)通風(fēng)效果較差；

（2） 迎風(fēng)面并沒(méi)有足夠的門(mén)和窗，目前一樓迎風(fēng)面沒(méi)有門(mén)和窗，二樓迎風(fēng)面只留有一處門(mén)，會(huì)影響房屋進(jìn)氣；

（3） 一樓內(nèi)部幾個(gè)房屋之間并沒(méi)有連通，導(dǎo)致房屋內(nèi)部氣流無(wú)法貫通，存在一定壓力差，造成房間之間通風(fēng)效果較差。

3優(yōu)化后流場(chǎng)

3.1房屋優(yōu)化方案

針對(duì)第3節(jié)中分析的問(wèn)題，做出優(yōu)化后的房屋模型如圖17所示，與優(yōu)化前的房屋相比，主要做出了以下幾點(diǎn)優(yōu)化：

（1） 由于上海主要以東南風(fēng)為主，同時(shí)兼具東北方，所以將房屋朝向改為東西朝向，將正門(mén)位置改為正東方向；

（2） 將正門(mén)方向一樓共設(shè)置了四扇窗戶、一處門(mén)；二樓共設(shè)置了兩扇窗戶、一處門(mén)，增大氣流流入室內(nèi)的質(zhì)量流量；

（3） 將建筑物的背面設(shè)置了四處窗，形成“前后通透”的效果，組織氣流在建筑物內(nèi)部耗散；

（4） 將各個(gè)房間連通在一起，不存在孤立的房間；

（5） 優(yōu)化房屋內(nèi)部的門(mén)窗位置，優(yōu)化房屋內(nèi)部氣流流道。

圖17 優(yōu)化后的房屋建筑模型

    之后采取與第三節(jié)同樣的方法對(duì)建筑物進(jìn)行外流場(chǎng)建立、網(wǎng)格劃分和模型設(shè)置，外流場(chǎng)如圖18所示。

圖18 優(yōu)化后房屋外流場(chǎng)示意圖

3.2優(yōu)化后外流場(chǎng)

同樣將計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入到CFD-POST當(dāng)中，進(jìn)行后處理，優(yōu)化前后離地高度為1m（一樓）的外流場(chǎng)平面速度云圖和壓力云圖分別如圖19和圖20所示。從圖中可以看出，與優(yōu)化前的房屋建筑方案相比，迎風(fēng)面速度云圖的速度大小明顯減小，分析原因是正迎風(fēng)面設(shè)有四處門(mén)和一處窗，房屋外氣流會(huì)流入到室內(nèi)當(dāng)中，導(dǎo)致整個(gè)外流場(chǎng)速度分布更為均勻。同時(shí)由壓力云圖可以看出，優(yōu)化后的房屋比優(yōu)化之前在正迎風(fēng)面和背風(fēng)面的壓差明顯降低。所以可以得出結(jié)果，在一樓所在平面，優(yōu)化后的房屋比優(yōu)化之前有更好的通風(fēng)效果。

圖19 優(yōu)化前后1m高度外流場(chǎng)平面處速度云圖（左為優(yōu)化前、右為優(yōu)化后）

圖20 優(yōu)化前后1m高度外流場(chǎng)平面處壓力云圖（左為優(yōu)化前、右為優(yōu)化后）

同樣的方法，優(yōu)化前后二樓平面處速度云圖和壓力云圖對(duì)比分別如圖21和圖22所示。從圖可以看出，優(yōu)化后的住宅外流場(chǎng)速度云圖比優(yōu)化前要小，優(yōu)化之后最大速度為3.93m/s，優(yōu)化前最大速度為4.29m/s，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因與一樓相同。同時(shí)，從壓力云圖可以看出，優(yōu)化后建筑迎風(fēng)面與背風(fēng)面幾乎不存在壓力差，正是由于住宅之外的氣流流入到室內(nèi)，在室內(nèi)進(jìn)行通風(fēng)散熱，之后在從背風(fēng)面排出，從而使住宅前后面壓差減小。

圖21 優(yōu)化前后6m高度外流場(chǎng)平面處速度云圖（左為優(yōu)化前、右為優(yōu)化后）

圖22 優(yōu)化前后6m高度外流場(chǎng)平面處壓力云圖（左為優(yōu)化前、右為優(yōu)化后）

從以上一樓和二樓的流場(chǎng)分析，可以得出結(jié)果，通過(guò)采取改變建筑物的朝向、在正迎風(fēng)面增加門(mén)窗、背風(fēng)面增加排氣通道三種措施，可以使住宅整體的迎風(fēng)面和背風(fēng)面壓差降低，使外流場(chǎng)速度分布更均勻，并且外部氣流更多地進(jìn)入到室內(nèi)，有助于通風(fēng)設(shè)計(jì)。

3.3優(yōu)化后內(nèi)流場(chǎng)

優(yōu)化前后房屋一樓離地1米高度處內(nèi)流場(chǎng)的速度分布云圖和壓力分布云圖對(duì)比分別如圖23和圖24所示，由速度云圖可知，氣流由正迎風(fēng)面的門(mén)和窗分別進(jìn)入到室內(nèi)，經(jīng)過(guò)走廊后進(jìn)入到各個(gè)房間，每個(gè)房間都有進(jìn)風(fēng)量，且此時(shí)一樓最大氣流速度為2.977m/s，與優(yōu)化前風(fēng)速相比，提高了164%，最后氣流由背風(fēng)面的窗流到室外。不僅優(yōu)化后室內(nèi)的最大氣流速度有所提高，同時(shí)室內(nèi)各個(gè)房間沒(méi)有死區(qū)，真正做到了氣流通透的效果。

由壓力分布云圖可以看出，一樓房屋的前后房間存在一定壓差，但是此時(shí)由于各個(gè)房間是連通在一起的，壓差使室內(nèi)氣流加速流動(dòng)，形成室內(nèi)通風(fēng)的效果。與優(yōu)化前的壓力分布云圖相比，實(shí)現(xiàn)了氣流在壓差作用下流通的效果。

圖23 優(yōu)化前后1m高度內(nèi)流場(chǎng)平面處速度云圖（左為優(yōu)化前、右為優(yōu)化后）

圖24 優(yōu)化前后1m高度內(nèi)流場(chǎng)平面處壓力云圖（左為優(yōu)化前、右為優(yōu)化后）

優(yōu)化前后房屋二樓離地6米高度處內(nèi)流場(chǎng)的速度分布云圖和壓力分布云圖對(duì)比分別如圖25和圖26所示，由速度云圖可知，住宅外氣流由正迎風(fēng)面和側(cè)面的門(mén)和窗流到室內(nèi)，在室內(nèi)進(jìn)行通風(fēng)散熱后從背風(fēng)面的窗流出住宅，由于二樓的房屋較少，所有的房屋均有進(jìn)氣量，通風(fēng)效果非常好。優(yōu)化后的氣流最大速度為3.267m/s，優(yōu)化前氣流的最大速度為3.141m/s，室內(nèi)速度有所增大，同時(shí)與優(yōu)化前的室內(nèi)流場(chǎng)相比，優(yōu)化后的二樓流場(chǎng)速度分布更為均勻，大部分區(qū)域氣流速度均大于1m/s，這就說(shuō)明優(yōu)化措施有效。

同時(shí)由壓力分布云圖可以看出，優(yōu)化后住宅的壓力分布與優(yōu)化前基本相同，均為在進(jìn)風(fēng)處存在一定高壓區(qū)，在出風(fēng)口存在一個(gè)低壓區(qū)，從而在前后壓差作用下加速氣流流動(dòng)。

圖25 優(yōu)化前后6m高度內(nèi)流場(chǎng)平面處速度云圖（左為優(yōu)化前、右為優(yōu)化后）

圖26 優(yōu)化前后6m高度內(nèi)流場(chǎng)平面處壓力云圖（左為優(yōu)化前、右為優(yōu)化后）

優(yōu)化前后房屋內(nèi)部樓梯縱向平面速度分布云圖對(duì)比如圖27所示，可以看出，與優(yōu)化前相比，優(yōu)化后速度分布云圖更為均勻，一樓與二樓氣體流通性更高，不存在明顯的速度梯度，同時(shí)優(yōu)化后樓梯平面正對(duì)這氣流方向，縱向平面各個(gè)位置速度基本相當(dāng)。

圖16 樓梯縱向平面處速度分布

3.4優(yōu)化總結(jié)

本文結(jié)合上海地區(qū)天氣特點(diǎn)，對(duì)某住宅進(jìn)行了自然通風(fēng)的CFD仿真分析，通過(guò)分析住宅內(nèi)外氣流速度分布和壓力分布，指出當(dāng)前住宅在布局、朝向、門(mén)窗設(shè)置、內(nèi)部通道設(shè)置等方面的不足，并提出了一些優(yōu)化方向，進(jìn)行了優(yōu)化。通過(guò)分析優(yōu)化后住宅的仿真結(jié)果，可以得出結(jié)論，與優(yōu)化前住宅相比，優(yōu)化后住宅可以流入更多的氣流、同時(shí)氣流在室內(nèi)分布更為均勻、氣流速度也更大、氣流通道也更優(yōu)，綜合來(lái)看，優(yōu)化后住宅具有更好的通風(fēng)散熱效果。每一條改進(jìn)措施與產(chǎn)生的效果對(duì)應(yīng)如表1所示：

表1 優(yōu)化措施與產(chǎn)生的效果

措施	效果
將房屋朝向改為東西朝向，將正門(mén)位置改為正東方向	門(mén)窗正對(duì)著迎風(fēng)方向，更多氣流流入到室內(nèi)
正門(mén)方向一樓共設(shè)置了四扇窗戶、一處門(mén)；二樓共設(shè)置了兩扇窗戶、一處門(mén)，增大氣流流入室內(nèi)的質(zhì)量流量；	增加了氣流流入室內(nèi)的的通道，各個(gè)房間均有氣流流入
建筑物的背面設(shè)置了四處窗	房屋前后通透，有助于通風(fēng)散熱，增加進(jìn)風(fēng)量
將各個(gè)房間連通在一起，不存在孤立的房間	各個(gè)房間均有進(jìn)風(fēng)、不存在死區(qū)
優(yōu)化房屋內(nèi)部的門(mén)窗位置，優(yōu)化房屋內(nèi)部氣流流道	氣流在室內(nèi)流經(jīng)途徑更優(yōu)，無(wú)阻礙氣流的拐角

4結(jié)論

    上海地區(qū)高層建筑迅速發(fā)展，同時(shí)人們也越來(lái)越追求高品質(zhì)、健康的生活方式，對(duì)住宅室內(nèi)的舒適度要求也越來(lái)越高。自然通風(fēng)是改變室內(nèi)環(huán)境的重要方式，但是目前很多住宅都存在通風(fēng)效果較差的問(wèn)題，在房屋和小區(qū)設(shè)計(jì)的早期就結(jié)合當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件對(duì)住宅進(jìn)行通風(fēng)優(yōu)化是非常重要的。本文主要完成了以下工作；

（1）對(duì)上海地區(qū)的氣候條件進(jìn)行了調(diào)研總結(jié)，確定了仿真計(jì)算的工況；

（2）調(diào)研了民用建筑的的平面形式，并選取了某一典型的民用住宅，發(fā)現(xiàn)了其在通風(fēng)散熱方面存在的問(wèn)題；

（3）借助于CFD分析軟件，結(jié)合（1）中的氣象條件和（2）中的建筑物特點(diǎn)，對(duì)住宅內(nèi)、外流場(chǎng)的通風(fēng)進(jìn)行了仿真分析，通過(guò)計(jì)算結(jié)果，總結(jié)了住宅目前存在的問(wèn)題；

（4）對(duì)住宅存在的問(wèn)題，從建筑朝向、建筑平面、門(mén)窗結(jié)構(gòu)、排風(fēng)、通風(fēng)墻體、屋內(nèi)流道布局等幾個(gè)方面對(duì)住宅進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)；

（5）對(duì)優(yōu)化后的住宅進(jìn)行了再次CFD仿真計(jì)算，通過(guò)對(duì)比優(yōu)化前后的房屋內(nèi)外速度分布和壓力分布，驗(yàn)證了優(yōu)化的有效性。