张 恒，黄志甲，张佳俊，苏 蕾

安徽工业大学建筑工程学院

［摘 要］天井是徽州传统民居中典型的气候适应性技术，对夏季室内热环境调节起着至关重要的作用，为分析天井这一空间形态对夏季室内自然通风效果的影响，建立有无天井民居模型，对建筑门洞在不同开启工况下，模拟有无天井民居的室内速度场的分布及换气次数。研究结果表明，天井对提高室内换气次数，改善室内自然通风效果显著。

［关键词］天井；自然通风；换气次数

0 引 言

徽州传统民居外墙高大封闭，多开小窗或少开窗达到防火防盗的目的，天井作为室内外的过渡空间，室内的通风、采光、纳阳主要依赖于天井，还具有保温、遮阳、防风、排水的功能[1]。

国内外学者对天井的研究主要集中在对天井民居夏季热环境实测，不同开敞尺寸、形式天井的自然通风模拟优化及对现有天井改造设计研究方面。实测结果表明天井民居夏季室内舒适度高，日间天井温度缓冲层效果明显，夜间天井热压通风作用明显，加速了室内热量散失，天井内的植被与水体被用作促进天井蒸发降温的被动式元素，天井对室内风环境的影响也受到建筑屋顶形式、墙体表面温度的影响，天井的自然通风对提高室内舒适度有积极影响，在自然通风条件下，人体所能接受的温度上限有所提高，使得全年舒适时间延长8%[2-5]，天井作为自然通风降温措施在中东等湿热地区也使用较多[6]；回字形天井民居的烟囱效应较一字型天井民居更加明显，且对自然通风的调节能力更强，能够更好的兼顾过渡季的通风以及冬季的防风，长宽比大的天井，热缓冲作用明显，双天井比单天井带来更大的通风潜力[7-8]，利用CFD 软件对不同尺寸和开口形式的天井进行模拟，分析不同天井对室内空气龄的影响，研究得出竖长型的天井综合效果最佳，有部分学者对天井民居的风环境与光环境进行协调优化模拟[9-10]；现有天井的改造多采用自动调节的天窗及活动式遮阳，冬季关闭天窗，减少冷风进入，夏季采用活动式遮阳，日间关闭活动式遮阳，遮挡太阳照射并抑制自然通风，夜间开启活动式遮阳，促进天井热压通风，带走室内热量[11]。前人的研究中缺少对有无天井民居室内自然通风的对比分析，本文利用CFD 模拟软件，建立有无天井民居模型，进行室内风环境模拟，分析天井对夏季室内自然通风效果的影响。

1 模型建立

1.1 物理模型

天井在传统民居的核心位置由尺度逐渐减小到性质转变，直至最终在现代民居中消失[12]。天井作为室内外的过渡空间与厅堂直接相通，厅堂内的自然通风效果受天井影响明显，为简化建筑模型，本文选取具有代表性的厅堂区域作为研究对象，模拟建筑的原型为位于安徽省宣城市泾县查济村的典型传统民居馀庆堂一进厅堂，在SolidWorks中建立有无天井建筑的两个物理模型。一个为有天井建筑物理模型，厅堂尺寸为4.69m×9.035m×5.803m（开间× 进深× 屋脊高度），前后门尺寸均为1.12m×2m（宽×高），屏风尺寸为2.23m×4.917m（ 宽× 高）， 天井开口由建筑外墙及房檐滴水组成，天井开口长度为4.69m，宽为1.008m；另一个为无天井建筑物理模型，是在有天井建筑物理模型基础上，将天井开口封住，其它尺寸均保持一致。物理模型如图1 所示。

图1 建筑物理模型

1.2 数学模型

本文采用Standard k–ε 两方程的湍流模型，在模拟过程中作以下假设：假设空气为连续，不可压缩的理想流体；忽略四周围护结构温度变化对室内温度变化规律的影响。数值模拟的基本控制方程包括连续性方程、动量守恒方程、能量守恒方程。

连续性方程：

动量守恒方程：

能量守恒方程：

式中：Ui为xi方向的速度，i=1, 2, 3（m/s）；xi 为三个垂直坐标轴的坐标（m）；Uj 为xj方向的速度（m/s）；P 为空气压力（Pa）；μ 为空气层动力粘度系数（kg/m·s）；β 为空气热膨胀系数（1/K）；Tref 为参考温度（K）；T 为空气温度（K）；gi为i 方向上的加速度（m/s2）；H 为空气定压比焓值（J/kg）；SH为热源（W/m3）；λ 为空气导热系数（W/m·K）；Cp 为空气定压比热（J/kg·K）。

1.3 网格划分

为了获得较为真实的模拟结果，保证来流及出流面流场分布不受建筑物的影响，本文在建筑物外侧增加计算区域，分别选取5H（前）×10H（后）×5H（两侧）×5H（高），外部计算区域尺寸为：92m×67m×35m（长× 宽× 高）[13]。需要划分的网格由两部分组成，分别为建筑模型与外部计算区域，本文利用四面体非结构化网格划分，建筑模型Maxelement 为335，外部计算区域Max element为800。

1.4 模拟方案及边界条件设定

如表1 所示制定不同模拟方案，根据《中国建筑热环境分析专用气象数据集》中距离测试建筑最近的屯溪县，夏季主导风向南风，室外平均风速1.6m/s，实测室外平均温度约为27℃，模拟建筑坐北朝南。建筑模型中将建筑的天井、前门、后门均设置为内部穿透面，将外墙、屋顶及厅堂地面设置为绝热边界。外区域南侧设置为速度入口，北侧设置为自由出流，侧面、顶部及底部边界设置为绝热边界，边界条件设定如表2 所示。

表1 模拟方案

表2 边界条件设定

2 模拟结果及分析

为研究天井对室内自然通风效果的影响，下文对有无天井建筑在前后门洞不同开启工况下室内的速度场及换气次数进行对比分析。

2.1 前后门开

图2 建筑剖面速度矢量图及云图

建筑前后门均开的工况下，结合图2 中建筑剖面速度矢量图和云图得出：随着进深增加风速减小，气流遇到屏风的阻挡形成涡流，流向发生变化。有天井建筑气流一部分沿屏风面上升通过天井屋檐流出，另一部分通过屏风两侧从后门流出；无天井建筑气流遇到屏风作用部分沿屏风面上升，在建筑上部形成涡流，气流从前门流入均从后门流出。由表3 可以看出，通过有天井建筑的质量流量大于通过无天井建筑的质量流量，有天井建筑前门风速大于无天井建筑，有天井建筑的平均风速大于无天井建筑，有天井建筑的换气次数大于无天井建筑，有天井建筑自然通风效果优于无天井建筑。

表3 建筑各开口速度、质量流量及换气次数

2.2 前开后关

图3 建筑剖面速度矢量图及云图

建筑前门开后门关工况下，结合图3 中建筑剖面速度矢量图和云图得出：随着进深增加风速降低，有天井建筑的气流遇到屏风阻碍产生涡流，流向发生变化，部分沿屏风面上升通过天井屋檐流出，另一部分通过屏风两侧在屏风后形成涡流；无天井建筑内无明显涡流产生。由表4 可以看出，有天井建筑前门风速大于无天井建筑，有天井建筑室内平均风速也高于无天井建筑，有天井建筑自然通风效果明显优于无天井建筑自然通风效果。

表4 建筑各开口速度、质量流量及换气次数

2.3 前关后开

图4 建筑剖面速度矢量图及云图

建筑前门关后门开工况下，结合图4 中建筑剖面速度矢量图和云图得出：气流受屏风阻碍，有天井建筑在屏风前形成的涡流较无天井建筑涡流明显，无天井建筑仅在开启门洞附近存在气流扰动。由表5 可以看出，有天井建筑的后门风速及室内平均风速高于无天井建筑，有天井建筑的自然通风效果优于无天井建筑。

表5 建筑各开口速度、质量流量及换气次数

2.4 前关后关

图5 有天井建筑剖面速度矢量图及云图

有天井建筑前后门均关的工况下，结合图5 中建筑剖面速度矢量图和云图得出：天井既是进风口，又是出风口，天井沿房檐截面进风，沿南墙截面出风，建筑内气流流动均匀，无明显涡流产生。

表6 建筑各开口速度、质量流量及换气次数

2.5 气流组织分析

为分析建筑内气流组织是否存在短路现象，选取建筑内6 个不同的竖直截面，截面位置如图6 所示，截面1-6依次为天井中间位置、大连檐位置、小连檐位置、南向屋面中间位置、中间屋脊位置、北向屋面中间位置，并对4种不同工况下的6 个竖直截面的质量流量进行比较。

图6 各截面位置

表7 各截面质量流量（kg/h）

如表7 所示，有天井建筑截面1、2 的质量流量变化大，截面3-6 的质量流量变化较小；无天井建筑各截面的质量流量变化均较小。对于有天井建筑，前后门均开工况下，从天井流出的质量流量占总质量流量的98.78%，从后门流出的质量流量占总质量流量的1.22%；前门开后门关工况下，气流从前门流入均从天井流出，进风口与出风口接近，存在气流短路现象，使得天井区域风量较大，天井良好的自然通风有效延长了舒适区的时间，当地村民夏季也多在天井底部纳凉。

3 结 论

（1）对于有天井建筑后门的开启与关闭对建筑的换气次数及室内风速影响很小，前门的开启与关闭对建筑的换气次数及室内风速影响较大。对于有天井建筑，前后门均开及前门开后门关工况均存在气流短路现象。

（2）对于无天井建筑前门或后门的开启与关闭对建筑的换气次数及室内风速影响明显。

在相同工况下，有天井建筑的换气次数及室内风速明显大于无天井建筑，天井对改善室内自然通风效果显著。

参考文献

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[13] 胡一东, 庄智, 余元波, 等. 绿色建筑风环境模拟技术要点敏感性分析[J]. 建筑科学,2016,32(8):7–12.

基金项目：国家自然科学基金项目“徽州传统民居室内热环境形成机制及设计优化研究”（51478001）；国家级大学生创新创业训练计划项目“徽州传统民居被动式技术发掘与传承”（201610360024）。