住宅建筑的通风优化设计
某绿色住宅建筑的通风优化设计
1模型建立
1.1 CAD模型
本文选取某一住宅，在catia中建立的房屋几何模型如图2所示，在几何中只对墙壁进行建模，同时存在房屋内流场和房屋外流场，并忽略了对结果影响比较小的一些细节，具体如下：
（1） 围栏结构不会对房屋流场造成较大影响，但其结果比较复杂会增加巨大工作量，故将其忽略；
（2） 屋顶一般为三角梁结果，且屋内为一平面，故只对内流域进行建模；
（3） 通风时，将室内所有的门和窗均打开，故建模时将门窗设置成打开状态；
（4） 忽略室外树木等对外流场的影响；
图2 房屋三维模型
将几何导入到spaceclaim中进行外流场建模，将入口和两侧取为3倍的建筑物长度，出口取为5倍的建筑物长度，上方取为5倍建筑物高度建立外流场，通过设置外流场的朝向来改变来流方向，由于上海地区风向主要以SSE为主，所以这里设置来流面与东夹角为22.5°。同时在建立流场模型时，将内流域单独剖分出来进行加密，最后应用共享拓补将各个计算域的交接部分进行耦合，最终得到的流场模型如图3所示。
图3 建筑物流场几何模型
1.2 网格划分
将处理好的几何导入到ansys meshing中进行网格划分，外流域网格尺寸设置为1m，内流域网格尺寸设置为0.1m，采用四面体网格进行网格划分，最终得到的网格示意图如图4和图5所示，最终单元数量502W，网格质量在0.18以上，网格质量较高，可以用于计算。
图4 外流场整体示意图
图5 内流域局部网格示意图
1.3计算模型建立
将网格导入到fluent当中就行求解设置，采用压力基稳态求解器来进行求解计算，首先检查一下网格，保证最小网格尺寸大于0，之后检查一下网格尺寸与实际情况的符合情况。因为要做风压和热压下的空气流动，所以接下来要激活能量方程和k-w SST湍流模型，将空气设置为不可压缩理想气体，并将参考压力设置为海平面压力。
在边界条件设置时，由于存在地面附面层所以需要拟合来流速度曲线，编写UDF（用户自定义函数）作为接口，导入到fluent当中来修正入口速度，入口速度随高度变化曲线如下述公式所示：
其中，代表X高度处的来流速度，为观测点速度，为观测点高度，为常数，根据经验，取为0.4，根据上海气象条件，取为10m，为3.5m/s，编写的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
}
采用编译的方式加载UDF，之后将其应用到入口边界当中，出口设置为压力出口边界条件，采用默认设置即可，建筑物的壁面和地面设置为无滑移壁面，四周设置为自由滑移壁面。
边界条件设置完毕后，修改计算方法为coupled，并将离散方式设置为二阶迎风，之后将残差设置为1×10-5，检测出口面的流量值，作为判断流动是否达到收敛的条件，最后采用混合初始化后设置迭代次数为2000次进行流场求解即可。
2计算结果分析
2.1 优化前外流场
计算过程中残差曲线和出口质量流量收敛曲线分别如图6和图7所示，从曲线可以看出计算到200步左右时即达到了收敛，计算收敛性较好。
图6 残差收敛曲线
图7 出口质量流量收敛曲线
将计算结果导入到CFD-POST当中，进行后处理，首先创建离地高度为1m（一楼）的外流场平面，得到其速度云图和压力云图分别如图8和图9所示。从图中可以看出，迎着来流的面为迎风面，气流在迎风面形成一个高压区，在内外压差作用下，空气会进入到房屋内部就行通风散热。
由于一楼门的位置设置在背风面，所以进入室内的风会小很多，影响通风散热效果。
图8 1m高度外流场平面处速度云图
图9 1m高度外流场平面处压力云图
同样的方法，创建离地高度为6m（二楼）的外流场平面，得到其速度云图和压力云图分别如图10和图11所示。从图可以看出，二楼计算结果与一楼计算结果计算类似，气流在迎着来流的迎风面形成一个高压区，在内外压差作用下，空气会进入到房屋内部就行通风散热。
但是与一楼不同的是，二楼在迎风面安装有一处门，气流通过门进入到二楼室内，所以从压力云图可以看出，二楼平面处压力云图的压力比一楼要低。同时由于地面附面层作用，远离地面的风速较大，所以二楼平面处流速比一楼平面处要大。
图10 6m高度外流场平面处速度云图
图11 6m高度外流场平面处压力云图
由优化前的外流场速度云图和压力云图可以看出，在来流的正迎风面中只在二楼的位置设有一门，导致气流无法流入到室内，会显著影响通风效果，所以后期需要对建筑的朝向进行优化，同时在正迎风面的位置多安装几处门和窗。
2.2 优化前内流场
优化前房屋一楼离地1米高度处内流场的速度分布云图和压力分布云图分别如图12和图13所示，由速度云图可知，房屋内气流速度分布并不均匀，气流由侧边的门进入到室内，经过走廊进入到各个房间，最大速度为1.127m/s，除了少数几个位置速度达到1m/s的风速，其他速度均比较低。用时由压力分布云图可以看出，一楼房屋的各个房间并没有完全连通，导致各个房间存在较大的压力差，所以后续需要将房屋进行连通在一起。
图12 1m高度内流场平面处速度云图
图13 1m高度内流场平面处压力云图
优化前房屋二楼离地6米高度处内流场的速度分布云图和压力分布云图分别如图14和图15所示，由速度云图可知，由于二楼在正迎风面开有一门，导致气流速度最大为3.14m/s，比1楼室内通风效果好很多，气流由门进入室内后，在屋内扩散，各处气流速度均比1楼大很多，但也存在一定的死角位置。同时由压力分布云图可以看出，因为各个房间相互连通在一起，所以房间之间不存在明显的压力差，压力分布较为均匀，。
图14 6m高度内流场平面处速度云图
图15 6m高度内流场平面处压力云图
房屋内部楼梯纵向平面速度分布云图如图16所示，可以看出气流由门口进入后从一楼流到了二楼，对通风有利。同时可以看出，一楼几个房间之间没有连通在一起，导致某些房间会出现局部速度低点。
图16 楼梯纵向平面处速度分布
2.3 优化前房屋通风效果总结
由上述分析可知，目前建筑住宅的通风设计主要存在以下问题：
（1） 房屋建筑朝向与来流夹角较大，导致来流需偏转一定角度后才能进入室内，造成室内通风效果较差；
（2） 迎风面并没有足够的门和窗，目前一楼迎风面没有门和窗，二楼迎风面只留有一处门，会影响房屋进气；
（3） 一楼内部几个房屋之间并没有连通，导致房屋内部气流无法贯通，存在一定压力差，造成房间之间通风效果较差。
3优化后流场
3.1房屋优化方案
针对第3节中分析的问题，做出优化后的房屋模型如图17所示，与优化前的房屋相比，主要做出了以下几点优化：
（1） 由于上海主要以东南风为主，同时兼具东北方，所以将房屋朝向改为东西朝向，将正门位置改为正东方向；
（2） 将正门方向一楼共设置了四扇窗户、一处门；二楼共设置了两扇窗户、一处门，增大气流流入室内的质量流量；
（3） 将建筑物的背面设置了四处窗，形成“前后通透”的效果，组织气流在建筑物内部耗散；
（4） 将各个房间连通在一起，不存在孤立的房间；
（5） 优化房屋内部的门窗位置，优化房屋内部气流流道。
图17 优化后的房屋建筑模型
之后采取与第三节同样的方法对建筑物进行外流场建立、网格划分和模型设置，外流场如图18所示。
图18 优化后房屋外流场示意图
3.2优化后外流场
同样将计算结果导入到CFD-POST当中，进行后处理，优化前后离地高度为1m（一楼）的外流场平面速度云图和压力云图分别如图19和图20所示。从图中可以看出，与优化前的房屋建筑方案相比，迎风面速度云图的速度大小明显减小，分析原因是正迎风面设有四处门和一处窗，房屋外气流会流入到室内当中，导致整个外流场速度分布更为均匀。同时由压力云图可以看出，优化后的房屋比优化之前在正迎风面和背风面的压差明显降低。所以可以得出结果，在一楼所在平面，优化后的房屋比优化之前有更好的通风效果。
图19 优化前后1m高度外流场平面处速度云图（左为优化前、右为优化后）
图20 优化前后1m高度外流场平面处压力云图（左为优化前、右为优化后）
同样的方法，优化前后二楼平面处速度云图和压力云图对比分别如图21和图22所示。从图可以看出，优化后的住宅外流场速度云图比优化前要小，优化之后最大速度为3.93m/s，优化前最大速度为4.29m/s，产生这种现象的原因与一楼相同。同时，从压力云图可以看出，优化后建筑迎风面与背风面几乎不存在压力差，正是由于住宅之外的气流流入到室内，在室内进行通风散热，之后在从背风面排出，从而使住宅前后面压差减小。
图21 优化前后6m高度外流场平面处速度云图（左为优化前、右为优化后）
图22 优化前后6m高度外流场平面处压力云图（左为优化前、右为优化后）
从以上一楼和二楼的流场分析，可以得出结果，通过采取改变建筑物的朝向、在正迎风面增加门窗、背风面增加排气通道三种措施，可以使住宅整体的迎风面和背风面压差降低，使外流场速度分布更均匀，并且外部气流更多地进入到室内，有助于通风设计。
3.3优化后内流场
优化前后房屋一楼离地1米高度处内流场的速度分布云图和压力分布云图对比分别如图23和图24所示，由速度云图可知，气流由正迎风面的门和窗分别进入到室内，经过走廊后进入到各个房间，每个房间都有进风量，且此时一楼最大气流速度为2.977m/s，与优化前风速相比，提高了164%，最后气流由背风面的窗流到室外。不仅优化后室内的最大气流速度有所提高，同时室内各个房间没有死区，真正做到了气流通透的效果。
由压力分布云图可以看出，一楼房屋的前后房间存在一定压差，但是此时由于各个房间是连通在一起的，压差使室内气流加速流动，形成室内通风的效果。与优化前的压力分布云图相比，实现了气流在压差作用下流通的效果。
图23 优化前后1m高度内流场平面处速度云图（左为优化前、右为优化后）
图24 优化前后1m高度内流场平面处压力云图（左为优化前、右为优化后）
优化前后房屋二楼离地6米高度处内流场的速度分布云图和压力分布云图对比分别如图25和图26所示，由速度云图可知，住宅外气流由正迎风面和侧面的门和窗流到室内，在室内进行通风散热后从背风面的窗流出住宅，由于二楼的房屋较少，所有的房屋均有进气量，通风效果非常好。优化后的气流最大速度为3.267m/s，优化前气流的最大速度为3.141m/s，室内速度有所增大，同时与优化前的室内流场相比，优化后的二楼流场速度分布更为均匀，大部分区域气流速度均大于1m/s，这就说明优化措施有效。
同时由压力分布云图可以看出，优化后住宅的压力分布与优化前基本相同，均为在进风处存在一定高压区，在出风口存在一个低压区，从而在前后压差作用下加速气流流动。
图25 优化前后6m高度内流场平面处速度云图（左为优化前、右为优化后）
图26 优化前后6m高度内流场平面处压力云图（左为优化前、右为优化后）
优化前后房屋内部楼梯纵向平面速度分布云图对比如图27所示，可以看出，与优化前相比，优化后速度分布云图更为均匀，一楼与二楼气体流通性更高，不存在明显的速度梯度，同时优化后楼梯平面正对这气流方向，纵向平面各个位置速度基本相当。
图16 楼梯纵向平面处速度分布
3.4优化总结
本文结合上海地区天气特点，对某住宅进行了自然通风的CFD仿真分析，通过分析住宅内外气流速度分布和压力分布，指出当前住宅在布局、朝向、门窗设置、内部通道设置等方面的不足，并提出了一些优化方向，进行了优化。通过分析优化后住宅的仿真结果，可以得出结论，与优化前住宅相比，优化后住宅可以流入更多的气流、同时气流在室内分布更为均匀、气流速度也更大、气流通道也更优，综合来看，优化后住宅具有更好的通风散热效果。每一条改进措施与产生的效果对应如表1所示：
表1 优化措施与产生的效果
措施 |
效果 |
将房屋朝向改为东西朝向，将正门位置改为正东方向 |
门窗正对着迎风方向，更多气流流入到室内 |
正门方向一楼共设置了四扇窗户、一处门；二楼共设置了两扇窗户、一处门，增大气流流入室内的质量流量； |
增加了气流流入室内的的通道，各个房间均有气流流入 |
建筑物的背面设置了四处窗 |
房屋前后通透，有助于通风散热，增加进风量 |
将各个房间连通在一起，不存在孤立的房间 |
各个房间均有进风、不存在死区 |
优化房屋内部的门窗位置，优化房屋内部气流流道 |
气流在室内流经途径更优，无阻碍气流的拐角 |
4结论
上海地区高层建筑迅速发展，同时人们也越来越追求高品质、健康的生活方式，对住宅室内的舒适度要求也越来越高。自然通风是改变室内环境的重要方式，但是目前很多住宅都存在通风效果较差的问题，在房屋和小区设计的早期就结合当地的气候条件对住宅进行通风优化是非常重要的。本文主要完成了以下工作；
（1）对上海地区的气候条件进行了调研总结，确定了仿真计算的工况；
（2）调研了民用建筑的的平面形式，并选取了某一典型的民用住宅，发现了其在通风散热方面存在的问题；
（3）借助于CFD分析软件，结合（1）中的气象条件和（2）中的建筑物特点，对住宅内、外流场的通风进行了仿真分析，通过计算结果，总结了住宅目前存在的问题；
（4）对住宅存在的问题，从建筑朝向、建筑平面、门窗结构、排风、通风墙体、屋内流道布局等几个方面对住宅进行了优化设计；
（5）对优化后的住宅进行了再次CFD仿真计算，通过对比优化前后的房屋内外速度分布和压力分布，验证了优化的有效性。
