徽州民居室內(nèi)通風(fēng)存在的問題

徽州民居室內(nèi)通風(fēng)存在的問題

中國傳統(tǒng)民居建筑中的許多與氣候環(huán)境反應(yīng)策略值得研究、研究和應(yīng)用?；罩菝窬釉谥T多方面順應(yīng)了夏熱冬冷氣候。如緊湊式的布局減少夏季得熱和冬季失熱,朝向與街巷充分利用日照和主導(dǎo)風(fēng)向,以天井解決采光和通風(fēng)問題。已有的研究中,基本認(rèn)為徽州民居夏季防熱效果好,狹小天井有利于降溫,體形重遮陽而輕通風(fēng)。自然通風(fēng)的動(dòng)力是風(fēng)和溫度。冷空氣比熱空氣密度大,冷空氣向下沉而熱空氣向上升騰。另外,氣流也受壓差的影響。氣流通常從正壓區(qū)流向負(fù)壓區(qū)。而建筑中常用的自然通風(fēng)實(shí)現(xiàn)方式主要就是:利用風(fēng)壓、利用熱壓和風(fēng)壓與熱壓相結(jié)合。在建筑的自然通風(fēng)設(shè)計(jì)中,風(fēng)壓通風(fēng)與熱壓通風(fēng)往往是互為補(bǔ)充、密不可分的。作用在建筑上的風(fēng)壓大小取決于風(fēng)向、風(fēng)速和建筑物的形狀。室內(nèi)外的溫度不同會(huì)引起空氣密度的差異,產(chǎn)生壓力差。因此對于每一個(gè)建筑開口來說,風(fēng)壓和熱壓的作用是不能直接疊加的,常常被各種不同的氣流阻力相平衡?；罩菝窬拥奶炀瞧鹬Y(jié)合了風(fēng)壓與熱壓通風(fēng)的作用。對其自然通風(fēng)的研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn),徽州民居由于外墻過于封閉,內(nèi)部通風(fēng)極不均勻,天井和堂屋較優(yōu),而房間內(nèi)通風(fēng)不暢,濕度高。而通過增加外墻開口增加風(fēng)壓通風(fēng)作用,則有可能大大改善室內(nèi)通風(fēng)狀況。隨著計(jì)算流體力學(xué)(ComputationalFluidDynamics,簡稱CFD)的發(fā)展,現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)中越來越多的采用CFD模型來評(píng)價(jià)建筑節(jié)能。它可以精確地模擬研究對象內(nèi)的空氣流動(dòng)、傳熱和污染等物理現(xiàn)象,有利于科學(xué)預(yù)測室內(nèi)空氣品質(zhì)。本文利用CFD方法,用AIRPAK模擬軟件對徽州傳統(tǒng)民居自然通風(fēng)進(jìn)行研究,對其中可能存在的設(shè)計(jì)問題加以假設(shè)及驗(yàn)證,從而總結(jié)歸納出徽州民居的優(yōu)化通風(fēng)設(shè)計(jì)方法,以期對新民居建設(shè)有參考意義,提高居住舒適度。1類型的選擇—天井形狀和通風(fēng)徽州傳統(tǒng)建筑的天井普遍為東西長的橫向矩形天井,但從實(shí)地調(diào)研和文獻(xiàn)閱讀獲知(圖1),天井除東西長橫向矩形外,還有南北長豎向矩形甚至是正方形的形狀存在,而且大部分獨(dú)戶的天井之間都有灰空間相聯(lián)系,即為兩天井相連,因此天井的橫截面存在多種形狀。那么,天井橫截面形狀是否影響自然通風(fēng)效果呢?由于實(shí)測結(jié)果表明天井尺度大小影響其調(diào)節(jié)效果,因此在保證面積相等的同時(shí),改變天井的長度和寬度,則得出不同長寬比的矩形。以橫向矩形和豎向矩形為基本形,列舉各種可能的組合情況,并從中挑選出幾種基本的三合院組成形式(圖2)。以這些截面形狀為天井,代入最基本的傳統(tǒng)徽州民居類型——二層三合院,進(jìn)行AIRPAK模擬室內(nèi)環(huán)境,從而選出最優(yōu)情況。各型天井比較如圖3所示。(1)風(fēng)壓空氣齡的變化由圖4可知,傳統(tǒng)型天井A的風(fēng)壓通風(fēng)空氣齡最高,從前三種即A,B,C比較可見,從橫型到豎型,風(fēng)壓空氣齡呈遞減趨勢,B最佳。后三種即D,E,F的平均風(fēng)壓空氣齡較前三者低,E最佳。而當(dāng)建筑內(nèi)部隔斷較少時(shí),B型大大小于其他類型空氣齡。在堂屋背開一窗后,各類型空氣齡明顯減少,而減少房間隔斷則只對前三種影響較大。(2)傳統(tǒng)型u3000e由圖5可知,熱壓通風(fēng)的空氣齡與熱壓產(chǎn)生的風(fēng)速?zèng)]有直接關(guān)系,傳統(tǒng)型天井A雖然產(chǎn)生的風(fēng)速最大,但其空氣齡也最大。一部分原因是其風(fēng)從風(fēng)口進(jìn)入后又直接從風(fēng)口出去,極少未到達(dá)內(nèi)部空間。E型天井產(chǎn)生較大風(fēng)速且空氣齡較小,為最佳。(3)日照時(shí)間的比較由圖6可知,傳統(tǒng)型天井A受日照最多,由于遮擋較多,E、F兩種最少。(4)空氣齡的比較表1當(dāng)建筑面積和天井面積相等時(shí),傳統(tǒng)型天井雖然熱壓拔風(fēng)風(fēng)速較大,且受日照量較多,但其熱壓風(fēng)壓的空氣齡與其他類型相比均較大。E型熱壓風(fēng)壓空氣齡平均最優(yōu),但其日照較差。B型無隔斷時(shí)較其他類型空氣齡最優(yōu),且光照較好,平面簡潔。建筑背面開一窗時(shí),通風(fēng)狀況明顯改善。2開敞空間的設(shè)計(jì)自然通風(fēng)通過建筑物的開口流入或者流出,開口位置以及尺寸、窗戶的形式和開啟方式,窗墻面積比等的合理設(shè)計(jì),直接影響著建筑物內(nèi)部的空氣流動(dòng)以及通風(fēng)效果。(1)開口寬度為0.32/3開口的大小存在一個(gè)優(yōu)化組合的問題。房間開口尺寸的大小直接影響著風(fēng)速和進(jìn)氣量,開口大,則氣流場較大?？s小開口面積,流速雖然相對增加,但氣流場縮小。根據(jù)資料,當(dāng)開口寬度為開間寬度的1/3~2/3,開口面積為地板面積的15%~20%時(shí),通風(fēng)效率最佳。而實(shí)際上,通過模擬驗(yàn)證,一個(gè)很小的開口都能明顯改善室內(nèi)通風(fēng)。如果只是為了滿足健康通風(fēng),小開窗也能滿足需要。開口的開啟方式應(yīng)靈活。在氣流穿過一個(gè)空間時(shí)要提供盡可能多的靈活性,特別要確保熱空氣在房間頂部時(shí)可以放出去。又能把新鮮空氣從底部引進(jìn)來,這樣就會(huì)因該空間內(nèi)的熱量的分層作用給室內(nèi)空氣流動(dòng)提供動(dòng)力。氣流的方向可以通過對中懸窗、豎轉(zhuǎn)窗及平開窗窗扇角度的改變來調(diào)節(jié)。(2)開口位置影響通風(fēng)效果的因素分析開口的相對位置也會(huì)直接影響氣流路線。由前面的分析已知,在堂屋后開一扇窗可以降低室內(nèi)空氣齡,改善室內(nèi)空氣質(zhì)量。進(jìn)而提出:開口位置是否影響空氣齡即自然通風(fēng)效果?將開口大小和開啟方式作為定量,將開口位置作為變量,以B型天井截面為例,代入CFD模型。經(jīng)AIRPAK驗(yàn)證得出,開口位置越往下,空氣齡越低。當(dāng)開口位于一層樓板處時(shí),由于與入口錯(cuò)開,空氣齡幾乎沒有改善。所以在堂屋后開一低窗可以降低室內(nèi)空氣齡,改善室內(nèi)空氣質(zhì)量。可以得出結(jié)論,開口位置影響通風(fēng)效果(圖7)。從分析圖中看出,堂屋開窗主要改善了開敞空間的通風(fēng),一些較封閉的房間空氣齡遠(yuǎn)大于開敞空間。進(jìn)而再提出:減少隔斷是否影響空氣齡?經(jīng)AIRPAK驗(yàn)證得出(圖8),隔斷越少,空氣齡越小。但是全開敞的空間不適合所有人使用,因此必須在室內(nèi)隔斷滿足基本功能的前提下(圖9),在外墻開窗進(jìn)行模擬。那么在原分析圖中出現(xiàn)峰值處開窗是否可以解決空氣質(zhì)量問題?經(jīng)AIRPAK驗(yàn)證得出空氣齡總值變化不大,反而在室內(nèi)主要使用部分產(chǎn)生空氣齡較高現(xiàn)象(圖10)。從下方風(fēng)速圖中可知,原空氣齡峰值產(chǎn)生原因?yàn)榭諝饬魍ù颂帟r(shí),建筑內(nèi)墻邊產(chǎn)生的氣流與堂屋處氣流相抵消。而在此處開窗后,內(nèi)墻邊氣流直接從開口流出,并未經(jīng)過室內(nèi)中心。天井處的氣流則直接從堂屋出口流出,產(chǎn)生了短路現(xiàn)象。再在側(cè)后方開口(圖11),將建筑墻邊產(chǎn)生的氣流引入房間內(nèi)部,得以使原來空氣質(zhì)量較差的地方得到改善。但同時(shí),天井側(cè)面的房間空氣齡增高,從風(fēng)速圖中可知,原因是入口對角處的氣流直接從入口流出,在其他兩角處產(chǎn)生陰影。開口位置變動(dòng)并未能有效改善通風(fēng),分析可能是開口位置都在背風(fēng)面,未能有效降低總體空氣齡。最后嘗試在迎風(fēng)面外墻開口,改變空氣流向,終于顯著改善了自然通風(fēng)效果。利用以上方法嘗試其他開口位置,情況大抵相似。其總體規(guī)律是氣流入口比氣流出口更容易控制室內(nèi)氣流分布,迎風(fēng)面略增加開口能顯著改善房間內(nèi)的通風(fēng),降低總體空氣齡;背風(fēng)面開口能產(chǎn)生穿堂風(fēng),而其位置對于室內(nèi)總體空氣齡影響不大,只需要按照內(nèi)部功能少量開窗即可。凈化效果分析由上述分析可見,徽州傳統(tǒng)民居通風(fēng)效果不佳,仍有優(yōu)化設(shè)計(jì)的可能,經(jīng)過CFD的量化驗(yàn)證,得出以下幾方面的優(yōu)化方法。(1)最為常見的橫長型天井橫截面并不是最有利于通風(fēng)的天井形狀,綜合分析后認(rèn)為,豎長型天井通風(fēng)采光綜合效果最佳。(2)傳統(tǒng)徽州民居外墻開窗數(shù)量少、面積小、位置高,多數(shù)是為防火防盜考慮,但卻降低了通風(fēng)效率。在維持外墻封閉形體特征的基礎(chǔ)上,有限度地開窗可以顯著改善室內(nèi)通風(fēng)。(3)迎風(fēng)面略增加開口能顯著改善房間內(nèi)的通風(fēng),降低總體空氣齡;背風(fēng)面開口能產(chǎn)生穿堂風(fēng)