徽州民居室内通风存在的问题

徽州民居室内通风存在的问题

中国传统民居建筑中的许多与气候环境反应策略值得研究、研究和应用。徽州民居在诸多方面顺应了夏热冬冷气候。如紧凑式的布局减少夏季得热和冬季失热,朝向与街巷充分利用日照和主导风向,以天井解决采光和通风问题。已有的研究中,基本认为徽州民居夏季防热效果好,狭小天井有利于降温,体形重遮阳而轻通风。自然通风的动力是风和温度。冷空气比热空气密度大,冷空气向下沉而热空气向上升腾。另外,气流也受压差的影响。气流通常从正压区流向负压区。而建筑中常用的自然通风实现方式主要就是:利用风压、利用热压和风压与热压相结合。在建筑的自然通风设计中,风压通风与热压通风往往是互为补充、密不可分的。作用在建筑上的风压大小取决于风向、风速和建筑物的形状。室内外的温度不同会引起空气密度的差异,产生压力差。因此对于每一个建筑开口来说,风压和热压的作用是不能直接叠加的,常常被各种不同的气流阻力相平衡。徽州民居的天井正是起着结合了风压与热压通风的作用。对其自然通风的研究进一步发现,徽州民居由于外墙过于封闭,内部通风极不均匀,天井和堂屋较优,而房间内通风不畅,湿度高。而通过增加外墙开口增加风压通风作用,则有可能大大改善室内通风状况。随着计算流体力学(ComputationalFluidDynamics,简称CFD)的发展,现代建筑设计中越来越多的采用CFD模型来评价建筑节能。它可以精确地模拟研究对象内的空气流动、传热和污染等物理现象,有利于科学预测室内空气品质。本文利用CFD方法,用AIRPAK模拟软件对徽州传统民居自然通风进行研究,对其中可能存在的设计问题加以假设及验证,从而总结归纳出徽州民居的优化通风设计方法,以期对新民居建设有参考意义,提高居住舒适度。1类型的选择—天井形状和通风徽州传统建筑的天井普遍为东西长的横向矩形天井,但从实地调研和文献阅读获知(图1),天井除东西长横向矩形外,还有南北长竖向矩形甚至是正方形的形状存在,而且大部分独户的天井之间都有灰空间相联系,即为两天井相连,因此天井的横截面存在多种形状。那么,天井横截面形状是否影响自然通风效果呢?由于实测结果表明天井尺度大小影响其调节效果,因此在保证面积相等的同时,改变天井的长度和宽度,则得出不同长宽比的矩形。以横向矩形和竖向矩形为基本形,列举各种可能的组合情况,并从中挑选出几种基本的三合院组成形式(图2)。以这些截面形状为天井,代入最基本的传统徽州民居类型——二层三合院,进行AIRPAK模拟室内环境,从而选出最优情况。各型天井比较如图3所示。(1)风压空气龄的变化由图4可知,传统型天井A的风压通风空气龄最高,从前三种即A,B,C比较可见,从横型到竖型,风压空气龄呈递减趋势,B最佳。后三种即D,E,F的平均风压空气龄较前三者低,E最佳。而当建筑内部隔断较少时,B型大大小于其他类型空气龄。在堂屋背开一窗后,各类型空气龄明显减少,而减少房间隔断则只对前三种影响较大。(2)传统型u3000e由图5可知,热压通风的空气龄与热压产生的风速没有直接关系,传统型天井A虽然产生的风速最大,但其空气龄也最大。一部分原因是其风从风口进入后又直接从风口出去,极少未到达内部空间。E型天井产生较大风速且空气龄较小,为最佳。(3)日照时间的比较由图6可知,传统型天井A受日照最多,由于遮挡较多,E、F两种最少。(4)空气龄的比较表1当建筑面积和天井面积相等时,传统型天井虽然热压拔风风速较大,且受日照量较多,但其热压风压的空气龄与其他类型相比均较大。E型热压风压空气龄平均最优,但其日照较差。B型无隔断时较其他类型空气龄最优,且光照较好,平面简洁。建筑背面开一窗时,通风状况明显改善。2开敞空间的设计自然通风通过建筑物的开口流入或者流出,开口位置以及尺寸、窗户的形式和开启方式,窗墙面积比等的合理设计,直接影响着建筑物内部的空气流动以及通风效果。(1)开口宽度为0.32/3开口的大小存在一个优化组合的问题。房间开口尺寸的大小直接影响着风速和进气量,开口大,则气流场较大。缩小开口面积,流速虽然相对增加,但气流场缩小。根据资料,当开口宽度为开间宽度的1/3~2/3,开口面积为地板面积的15%~20%时,通风效率最佳。而实际上,通过模拟验证,一个很小的开口都能明显改善室内通风。如果只是为了满足健康通风,小开窗也能满足需要。开口的开启方式应灵活。在气流穿过一个空间时要提供尽可能多的灵活性,特别要确保热空气在房间顶部时可以放出去。又能把新鲜空气从底部引进来,这样就会因该空间内的热量的分层作用给室内空气流动提供动力。气流的方向可以通过对中悬窗、竖转窗及平开窗窗扇角度的改变来调节。(2)开口位置影响通风效果的因素分析开口的相对位置也会直接影响气流路线。由前面的分析已知,在堂屋后开一扇窗可以降低室内空气龄,改善室内空气质量。进而提出:开口位置是否影响空气龄即自然通风效果?将开口大小和开启方式作为定量,将开口位置作为变量,以B型天井截面为例,代入CFD模型。经AIRPAK验证得出,开口位置越往下,空气龄越低。当开口位于一层楼板处时,由于与入口错开,空气龄几乎没有改善。所以在堂屋后开一低窗可以降低室内空气龄,改善室内空气质量。可以得出结论,开口位置影响通风效果(图7)。从分析图中看出,堂屋开窗主要改善了开敞空间的通风,一些较封闭的房间空气龄远大于开敞空间。进而再提出:减少隔断是否影响空气龄?经AIRPAK验证得出(图8),隔断越少,空气龄越小。但是全开敞的空间不适合所有人使用,因此必须在室内隔断满足基本功能的前提下(图9),在外墙开窗进行模拟。那么在原分析图中出现峰值处开窗是否可以解决空气质量问题?经AIRPAK验证得出空气龄总值变化不大,反而在室内主要使用部分产生空气龄较高现象(图10)。从下方风速图中可知,原空气龄峰值产生原因为空气流通此处时,建筑内墙边产生的气流与堂屋处气流相抵消。而在此处开窗后,内墙边气流直接从开口流出,并未经过室内中心。天井处的气流则直接从堂屋出口流出,产生了短路现象。再在侧后方开口(图11),将建筑墙边产生的气流引入房间内部,得以使原来空气质量较差的地方得到改善。但同时,天井侧面的房间空气龄增高,从风速图中可知,原因是入口对角处的气流直接从入口流出,在其他两角处产生阴影。开口位置变动并未能有效改善通风,分析可能是开口位置都在背风面,未能有效降低总体空气龄。最后尝试在迎风面外墙开口,改变空气流向,终于显著改善了自然通风效果。利用以上方法尝试其他开口位置,情况大抵相似。其总体规律是气流入口比气流出口更容易控制室内气流分布,迎风面略增加开口能显著改善房间内的通风,降低总体空气龄;背风面开口能产生穿堂风,而其位置对于室内总体空气龄影响不大,只需要按照内部功能少量开窗即可。净化效果分析由上述分析可见,徽州传统民居通风效果不佳,仍有优化设计的可能,经过CFD的量化验证,得出以下几方面的优化方法。(1)最为常见的横长型天井横截面并不是最有利于通风的天井形状,综合分析后认为,竖长型天井通风采光综合效果最佳。(2)传统徽州民居外墙开窗数量少、面积小、位置高,多数是为防火防盗考虑,但却降低了通风效率。在维持外墙封闭形体特征的基础上,有限度地开窗可以显著改善室内通风。(3)迎风面略增加开口能显著改善房间内的通风,降低总体空气龄;背风面开口能产生穿堂风