第27卷第2期2011年2月

［1002-8528（2011）02-0087-05文章编号］

建筑科学Vol.27，No.2Feb.2011

BUILDINGSCIENCE

阳台对低层建筑风压作用下自然通风影响的数值研究

李峥嵘，艾正涛（同济大学

机械工程学院暖通空调及燃气研究所，上海200092）

［摘要］本文将通风量和工作平面平均风速作为衡量房间通风效果的指标，采用计算流体力学方法，分析了阳台对低层建筑风压作用下自然通风的影响。首先通过实验数据验证了数学模型的可靠性，数值模拟结果与实验结果具有良好的一

通过模拟得到以下结论：对于单侧通风建筑，阳台能够极大地提高建筑中部及下部房间的通风性能；对于双侧通致性。而后，

风建筑，阳台对室内通风性能的影响较小；阳台可以诱导空气进入房间更深的区域，在工作平面形成更为均匀的风环境。

［关键词］阳台；CFD；自然通风；低层建筑［中图分类号］TU834.5+1［文献标识码］A

NumericalResearchontheInfluencesofBalconyonNaturalVentilationundertheWindPressureofLow-riseBuildings

LIZheng-rong，AIZheng-tao（InstituteofHVAC＆Gas，CollegeofMechanicalEngineering，TongjiUniversity，Shanghai200092，

China）

theventilationvolumeandtheaveragedairvelocityoftheworkingplaneweretakenastheindexesto［Abstract］Inthispaper，

measuretheventilationeffectoftheroom，andthemethodofcomputationalfluentdynamicswasadoptedtoanalyzetheinfluencesof

thereliabilityofmathematicalmodelwasverifiedbalconyonnaturalventilationunderthewindpressureoflow-risebuildings.First，

inwhichthesimulationresultswerewellconsistentwiththeexperimentresults.Then，thefollowingthroughexperimentdata，

conclusionsthroughthesimulationwereobtained.Forthesingle-sideventilationbuilding，thebalconycouldgreatlyimprovethe

forthedouble-sideventilationbuilding，theinfluencesofthebalconyontheventilationperformanceofthemiddleandlowerrooms，

indoorventilationperformanceweresmall，moreover，thebalconycouldguidetheairintothedeeperareaintheroom，andformmoreevenwindenvironmentontheworkingplane.

［Keywords］balcony，CFD，naturalventilation，low-risebuilding

0引言

有效增强室内空气流动并改变室内热环境

［2-3］

。由

于实验研究具有高成本、耗时和环境依赖性等不足，

Chand，等通过实验研究证明了阳台对建筑表面风压大小及分布具有重要影响；同时，通过对风压值的进一步处理分析发现阳台对单侧通风和双侧通风的通风力有较大影响

［1］

1］不可能对所有情况进行研究。本文针对文献［的建筑模型中没有房间和开口的问题，采用数值模拟方法，利用该文献的边界条件，分析阳台对风压作用下低层建筑自然通风的影响。

。他们的实验研究对于

在建筑设计阶段评估阳台对建筑表面风负载和建筑室内通风的影响具有重要的指导意义。Prianto和Depecker通过实验及模拟的方法研究了建筑设计元素对热带地区自然通风建筑的影响，发现阳台能够

1

1.1

数值模型的建立

几何模型

1］如图1所示，文献［所用模型为1/30比例的

建筑模型，阳台安装在5层建筑的上面4层房间外

［07-12［一次修回］2010-08-06收稿日期］2010-［二次修回］2010-08-12

［作者简介］李峥嵘（1969-），女，博士，教授［联系方式］lizhengrong@tongji.edu.cn

面，每1个阳台对应1个房间，图中M和E分别指中间和两侧。建筑模型尺寸为60cm（长）×25cm（宽）×50cm（高），阳台尺寸为15cm（长）×5cm

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建筑科学第27卷

（宽）×3cm（高）。实验入口处风速分布和紊流强度分布如图2所示，图中V和Vr分别表示某一高度1］通过实验论证，将处的速度和参考速度。文献［

建筑模型上游90cm处与建筑高度相同的一点定为该点的风速和静压值为参考速度和参考压参考点，

力值。实验采用压力系数（CP）评估建筑表面的压其定义如下：力分布，

CP=

P－PS0.5ρV2r

P为模型表面的测量压力值，Pa；PS为参考压式中，

Pa；ρ为空气密度，kg/m3

。力值，

图2

相对速度和紊流强度分布

为了考察阳台对建筑内部房间自然通风的影1］响，本文在文献［建筑模型的基础上加上房间和窗户（模型1和模型3），同时建立没有阳台但是有同样房间和窗户尺寸的建筑模型（模型2和模型4）进行对比。其中，模型1和2为单侧自然通风，模型3和4为双侧自然通风。所有研究的建筑模型细节见表1，其中阳台尺寸与实验中的相同，单侧通风时房间尺寸为20cm（长）×12.5cm（宽）×10cm（高），双侧通风房间尺寸为20cm（长）×25cm（宽）×10cm（高），大开口和小开口尺寸分别为10cm（宽）×6.667cm（高）和10cm（宽）×3.667cm

图1

建筑模型及其风压测试点

（高）。

表1

模型信息

2～5层

与实验相同（没有开口）

6个房间，6个大开口，6个阳台

6个房间，6个大开口

3个房间，迎风面3个大开口和3个阳台，背风面3个小开口

3个房间，迎风面3个大开口，背风面3个小开口

房间数量

030301515

底层

实验验证模型

模型1模型2模型3模型4

6个房间，6个大开口6个房间，6个大开口

3个房间，迎风面3个大开口，背风面3个小开口3个房间，迎风面3个大开口，背风面3个小开口

L、H表示，将建筑模型的长、宽、高分别用W、根4］～［6］据文献［确定计算区域为：建筑物前为5H，建筑物两侧各5W，建筑物后部为10H，高度为6H。计算区域及其边界条件如图3所示，其中入口处速度和紊流强度采用实验值（见图2），通过FLUENT软件的自定义编程功能按图2编程输入，本文将参考风速Vr设定为4m/s。1.2

CFD计算方法

本文采用目前运用最为广泛的CFD商业软

件

图3

计算区域及边界条件

第2期李峥嵘，等：阳台对低层建筑风压作用下自然通风影响的数值研究

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之一FLUENT（6.3版本）。FLUENT采用有限体积法，通过对变量和压力进行雷诺平均求解质量守恒、动量守恒和能量守恒等方程，已经被成功运用在许多不同的研究工作中

［6-9］

合较好。然而，在本文中，房间开口位于各层墙面的中下部，因此建筑顶端的压力数据对于本文的分析本文选择标准k-ε模型影响较小。最终通过比较，进行后面的模拟研究。2.2

阳台对单侧通风建筑自然通风性能的影响利用表1中所列的模型1和模型2，可对阳台对单侧通风建筑自然通风性能的影响进行对比性研究。单侧通风迎风面和背风面的模拟结果分别见图5和图6。图中ACH为房间换气次数，V表示1m高处工作平面上的平均风速。表示房间位置的符号命名规则如下：第1个字母表示房间所在层数（纵向位置），第2个字母表示房间在某层的位置（横向位3E表示第3例如1M表示第1层的中间房间，置）

，

层两侧的房间。由于本文只研究风向垂直入射建筑表面的情况，此时建筑两侧房间对称，因此只需呈现一侧的结果即可。

。在本文的数值模拟中，

以实验结果为参照标准，分别进行了紊流粘性系数、紊流模型、差分方法、地面粗糙度和网格数量的敏感性分析。最终考虑到数值计算的精确度和数值计算成本，选择如下：采用雷诺平均法中的涡黏模型，利如用标准k-ε两方程模型（虽然其存在数值缺陷，在预测绕流背风面压力系数时存在一定的分离，但本文认为模拟结果是可以接受的，如图4所示）配合标准墙面方程，利用二阶迎风差分方法对偏微分采用SIMPLE算法实现压力和速方程组进行离散，

度的解耦，紊流粘性系数取为10，地面粗糙度高度设置为0.5cm，网格数量约为120万。由于建筑通风属于低速紊流流动，常温条件下空气可以认为是

［10］

。不可压缩流体，符合Boussinesq假设

图5阳台对单侧通风迎风面房间自然通风的影响

图4建筑模型中部迎风面与背风面

压力系数比较（有阳台，不同的紊流模型）

图6

阳台对单侧通风背风面房间自然通风的影响

2

2.1

结果与讨论

数值模型验证

1］利用FLUENT6.3首先对文献［中的实验（表

图5给出了在有阳台和没有阳台的情况下，单侧通风建筑迎风面房间自然通风换气次数和工作平面的平均风速。由图可知，除第4层的所有房间和阳台的引入可以极大第3层的两侧房间（3E）以外，

地提高房间的换气次数，特别是对位于底层和顶层的房间。各个房间换气次数的增加率列于表2，由表可知，对于多数迎风面房间，阳台非常有利于增加房间的换气次数，从而改善室内空气品质。图5同时显示除了导致位于第3层和第4层的房间风速有

1中所列的实验验证模型）进行完整的模拟，并将模拟结果与实验结果进行对比。图4比较了使用标准k-ε和RNGk-ε紊流模型所得到的建筑模型中部（M）的压力系数CP值和文献［1］在实验中所测得的数值。图中模拟结果除在迎风面顶端处与实验结果有较大分离（33%）外，在其它位置与实验结果吻

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较大降低外，阳台增加了底层和顶层房间工作面的平均风速，而对第2层房间的风速只有很小的降低对于大部分楼层，位于两侧的房间相对作用。另外，

于中间的房间有更大的换气次数和平均风速。然在某些房间（如3M），阳台增加了室内换气次数而，

却降低了工作面的平均风速。这一现象是因为来流在贴近房空气在没有阳台的建筑外表面顺墙而下，间窗口处与墙面几乎平行，难以进入到房间内部，从

表2

房间增加量/%

1M223.2

1E175.8

2M914.0

由于没而导致了较小的换气次数。但是另一方面，有阳台的阻挡，沿墙面向下的风速较大，从而极大地提高了FLUENT所计算的工作面平均风速。综上可阳台能够诱导空气进入室内更深区域，从而以说明，