上海市住宅建筑被動式節(jié)能規(guī)劃通風(fēng)設(shè)計★

顧佳華 孫建梅 王 乾 完顏郡 陳 豪

(上海電力學(xué)院經(jīng)濟與管理學(xué)院，上海 201300)

上海市住宅建筑被動式節(jié)能規(guī)劃通風(fēng)設(shè)計★

顧佳華 孫建梅 王 乾 完顏郡 陳 豪

(上海電力學(xué)院經(jīng)濟與管理學(xué)院，上海 201300)

結(jié)合上海市的氣候條件，基于Fluent軟件為平臺，對風(fēng)環(huán)境和風(fēng)荷載進行了數(shù)值模擬，探討上海市被動式住宅自然通風(fēng)的優(yōu)化途徑，以有效改善室內(nèi)居住的風(fēng)環(huán)境，創(chuàng)造舒適的室內(nèi)活動空間。

被動式住宅，節(jié)能，通風(fēng)設(shè)計，數(shù)值模擬

0 引言

在國家大力提倡節(jié)能建筑、綠色建筑的大背景下，被動式建筑不僅符合上海老百姓的切身利益，還可以提高居住舒適度，并且能減少資源消耗、減少溫室氣體排放。在保證良好的居住舒適度的前提下降低建筑全壽命周期中的資源及能源消耗量，以Fluent軟件為平臺對上海市某一住宅建筑標(biāo)準(zhǔn)樓層進行風(fēng)環(huán)境和風(fēng)荷載數(shù)值模擬，對被動式住宅進行通風(fēng)分析，并提出改善措施，再進行分析，從而改善建筑的舒適度并且使建筑更節(jié)能。

1 上海地區(qū)氣候條件分析

上海位于北緯31.17°，東經(jīng)121.43°，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，四季分明，日照充分，氣候溫和濕潤。上海全年平均氣溫為16 ℃。最熱月份(即七月及八月)及最冷月份(即一月)的平均溫度分別為28 ℃及4 ℃，其中七月及八月最高，最高溫度接近38 ℃。七月初是江南的梅雨季節(jié)，多雨潮濕、悶熱。上海風(fēng)向的季節(jié)變化明顯，春季和夏季盛行東南風(fēng)(東偏南25°)，秋季和冬季盛行東北風(fēng)(北偏東25°)。上海地區(qū)有較大的自然通風(fēng)潛力，特別適合采用自然通風(fēng)。

2 住宅樓通風(fēng)建模及結(jié)果分析

2.1 住宅戶型的設(shè)計概況

該住宅樓屬于低層單元式住宅，每個單元以樓梯間為中心布置住戶，由樓梯平臺直接進入分戶門，有公攤面積，戶間干擾不大，相對比較安靜。戶型建筑面積87.46 m2，層高2.9 m。地下均為車庫，地上最高6層，住宅全部南向。住宅戶型屬于三室一廳型，在布局上可以按較理想的功能居室劃分空間，即起居活動室、休息區(qū)、學(xué)習(xí)工作區(qū)各自相互獨立，不再彼此干擾(見圖1)。該住宅樓位于城市西部，東臨沿街商業(yè)建筑，北臨村路。地勢平坦，北部略高，除有部分居民住房外均為荒地。

2.2 計算模型的建立及數(shù)據(jù)處理分析

開始數(shù)值模擬研究前的第一步，首先就是要使用Gambit軟件對辦公室進行計算模型的建立。本文所涉及的樓層寬14.6 m，長13.9 m，高度為3.4 m。依照CAD圖紙在Gambit軟件中進行建模(上海全年風(fēng)向主要集中在偏東方向，以東偏南和東偏北為主，所以我們對室內(nèi)進行風(fēng)速風(fēng)壓分析時將東南方向作為入風(fēng)口)。

2.2.1 模型網(wǎng)格化

1)先將在Gambit中網(wǎng)格化的模型圖導(dǎo)入Fluent6.3.26中；

2)進行網(wǎng)格模型檢查，查看體積或面積是否為負(fù)數(shù)，非負(fù)為正確，否則說明網(wǎng)格畸形，需要重新修理；

3)進行網(wǎng)格縮放，檢查單位和模型尺寸是否正確。網(wǎng)格化之后圖形如圖2所示。

2.2.2 設(shè)定參數(shù)進行迭代計算

1)首先設(shè)置空氣為流體材料，設(shè)置右下方window1為邊界條件；然后在velocity-magnitude(m/s)中輸入空氣的流速27.78，表示空氣流速為100 km/h；

2)其次迭代計算初始化：Compute from選擇流體的入口邊界，選擇window-1為空氣入口，然后點擊Init進行迭代計算；

3)輸入迭代步數(shù)并逐漸增加，累計迭代了200步，曲線趨于平緩，精度逐漸提高(見圖3)。

2.2.3 Fluent流場分析

從圖4a)壓力圖中可以看到，由于風(fēng)是從東南方向刮來，所以將右下方作為主要的進風(fēng)口，而將上面的臥室和書房作為主要的出風(fēng)口。從風(fēng)壓圖中可以看到，由于進風(fēng)口的原因，在進風(fēng)口流入風(fēng)速較快，所以風(fēng)壓并不高。而位于兩側(cè)中部的廚房、衛(wèi)生間面積相對較小，空氣流速較低，造成了這些房間的壓力較大，說明此處通風(fēng)不好。再來看風(fēng)壓變化較小的起居室和餐廳，由于起居室和餐廳的進風(fēng)口和出風(fēng)口都較大，通風(fēng)流暢。

通過建模，分析了室內(nèi)的風(fēng)速，得出圖4b)風(fēng)速圖和圖4c)速度矢量變化圖。速度矢量圖是反映速度變化、旋渦、回流等的有效手段，是Fluent分析最常用的圖譜之一。在默認(rèn)情況下，矢量在每個單元格的中心繪制，用箭頭表示矢量方向，用箭頭的長度和顏色表示矢量的大小。結(jié)合風(fēng)速圖和速度矢量圖可以看出，在左下方，風(fēng)流速偏小而形成旋渦，導(dǎo)致室內(nèi)空氣流通較差，通風(fēng)條件惡化，使人感到憋悶，影響居住舒適度。說明該住宅的廚房和衛(wèi)生間的凹口過深，不利于通風(fēng)。

對于以上的缺點，若將廚房的出入口改變一下方位，將廚房的門由西南方向改到西北方向，使空氣更好的隨風(fēng)向流通，并將衛(wèi)生間與臥室之間的墻體移除，將衛(wèi)生間的隔墻適當(dāng)外移，增加衛(wèi)生間空間的同時，讓過道、臥室、衛(wèi)生間三處通暢改善了之前衛(wèi)生間與廚房凹口過深的弊端，整個房間的通透性大大改善，空氣流速加快，進出口風(fēng)壓基本一致，此外在客廳增設(shè)一個進風(fēng)口，從而使臥室和客廳空氣流通。

從改進之后進行建模得出的圖4d)速度矢量分析圖也可以看出，左下角漩渦大大減小，基本不再影響室內(nèi)空氣的流通和室內(nèi)外的循環(huán)交換，廚房和衛(wèi)生間風(fēng)速風(fēng)壓基本穩(wěn)定在正常狀態(tài)，達(dá)到了良好的效果。

至此已經(jīng)完成了對該上海市被動式住宅的通風(fēng)狀況的分析及改進，得出在布置建筑門窗洞時要注意當(dāng)?shù)貧夂虻挠绊?，隨風(fēng)速風(fēng)向的特點來布置門和窗的位置往往會達(dá)到更好的通風(fēng)效果，從而提高室內(nèi)空氣流動的通暢度，實現(xiàn)被動式空氣調(diào)節(jié)，減少開空調(diào)或電扇等耗能設(shè)備。這不僅節(jié)約能源降低能耗，而且使住戶舒適度大大提升。

另一方面，所研究建筑地區(qū)的風(fēng)向和風(fēng)壓，太陽輻射以及風(fēng)速等都是影響建筑環(huán)境的因素。Fluent能在建筑風(fēng)環(huán)境模擬中完成對大部分流體情況的模擬，因此，F(xiàn)luent軟件對于今后建筑風(fēng)環(huán)境的模擬具有重大意義。

3 建議與展望

一幢好的被動式住宅，不僅僅應(yīng)該是有體面地裝修，更應(yīng)該具備完善的功能。在不多消耗能源的情況下，應(yīng)該讓住戶體會更舒適、安心的環(huán)境，而通風(fēng)就是最起碼的保證。

通過上面的實例可以看出，被動式住宅的室內(nèi)合理布局，不僅僅是建筑師單方面的經(jīng)驗設(shè)計。若結(jié)合一定的Fluent模擬，對模擬結(jié)果中通風(fēng)狀況的分析和討論，可以幫助設(shè)計者更直觀更全面地了解設(shè)計中的缺陷與不足，會對設(shè)計起到更有利的幫助作用。

因此在規(guī)劃設(shè)計的初期就對被動式住宅內(nèi)部風(fēng)環(huán)境進行分析，并結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂驐l件對設(shè)計方案進行優(yōu)化，將有效地改善室內(nèi)居住的風(fēng)環(huán)境，創(chuàng)造舒適的室內(nèi)活動空間。

[1] 李崢嶸,王晶晶,黃繼紅，等.自然通風(fēng)技術(shù)在現(xiàn)代城市建筑中的應(yīng)用探索[J].上海節(jié)能,2005(4)：26.

[2] 朱 唯,狄育慧,王萬江,等.室內(nèi)環(huán)境與自然通風(fēng)[J].建筑科學(xué)與工程學(xué)報,2006(32)：69.

[3] GB 50378—2006，綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)[S].

On passive energy-saving planning ventilation design of residential buildings in Shanghai City★

Gu Jiahua Sun Jianmei Wang Qian Wanyan Jun Chen Hao

(SchoolofEconomicsandAdministration,ShanghaiUniversityofElectricPower,Shanghai201300,China)

Combining with the climatic conditions in Shanghai City, the paper undertakes the numeric simulation of the wind environment and wind loading based on Fluent software, and explores the optimal channels for the passive residential natural ventilation in the city, so as to improve the wind environment in indoor living and create the comfortable indoor activity space.

passive residence, energy-saving, ventilation design, numeric simulation

1009-6825(2015)32-0176-03

2015-09-09★:本文系第七屆上海市科技創(chuàng)新基金項目的研究成果

顧佳華(1993- )，男，在讀本科生

TU201.5

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