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摘要：改善建筑物围护结构的表皮结构对于降低整个建筑物能耗具有重要意义。改善建筑物表皮结构主要方法是采用双层通风式立面。本文提出在住宅建筑中应用外墙干挂陶板双层表皮通风式立面，并对陶板通风式立面进行数值模拟研究。以沈阳某住宅小区为例利用GAMBIT软件建立物理模型，利用FLUENT软件对其进行模拟计算。分析结果表明，室外风速较大时，建筑外墙壁面温度下降明显。建筑物外墙壁面温度取决于室外空气速度和温度。
关键词：风环境；陶板通风式立面；数值模拟；FLUENT
中图分类号：TU2文献标识码： A
1引言
陶板通风式立面在提高建筑能源利用率作用方面取决于空气腔内部的通风能力，而驱动空气腔内部空气流动的主要动力是自然通风。空气腔内部通风动力的主要来源是室外风的驱动，由空气腔入口和出口间的温度梯度所产生的浮力驱动则是额外附加的动力来源[1]。。Ciampi等人的研究表明提高通风式立面的空气腔内部通风效率的一个主要因素是室外空气温度[2]。同时很多文献的研究也证明了空气腔內的空气流动会使通风式立面对建筑具有冷却作用[3-4]。在夏季，通风式立面所节约的能源随着太阳辐射的增强而显著增加，采用通风式立面的建筑的能源利用效率越高[3]。
2沈阳某住宅小区风环境分布模拟研究
2.1 计算模型
本文选取沈阳地区一个住宅小区作为模拟研究对象，该小区共有33栋单体建筑，为简便计算，本文对本次模拟的模型做如下简化：忽略小区地形高差，假设小区中所有建筑处于同一水平面；忽略小区中高大树木、绿色植被对风的影响；忽略建筑物阳台等小尺寸造型对风的影响。
2.2夏季小区风环境模拟结果分析
沈阳地区夏季主导风向为SW，室外平均风速为2.6m/s[5]。风速最高的区域出现在小区西侧，最大风速达到了4.8m/s，平均风速也在4m/s。受小区内部建筑物朝向位置及主导风向的影响，建筑物之间的南北向通道风速多在3m/s，东西向通道的风速低于1m/s甚至接近于0。位于小区东北角的别墅区整体处于风滞留的区域，不利于空气的流通。由于建筑物的阻挡，小区西南角的建筑南侧有小的风涡，在小区内部存在多个小的风涡，而在小区的东北区域存在着大面积的风涡，一直往东北方向延伸，其长度达到了500m。根据以上分析，夏季大部分小区建筑单体的南侧立面及西侧立面均有较大的室外风速，有利于外墙干挂陶板双层表皮通风式立面在该小区的建筑物上的应用。
2.3 冬季小区风环境模拟结果分析
沈阳地区冬季主导风向为NNE，室外平均风速为2.6m/s[5]。风速最高的区域出现在小区西侧建筑物之间的通道处，最大风速达到了5m/s，平均风速也在4m/s。受小区内部建筑物朝向位置及主导风向的共同影响，建筑物之间的东西向通道风速多在3m/s，南北向通道的风速多在1.5m/s以下甚至接近于0。整个小区内部没有出现气流滞留的区域，空气的流通较顺畅，只有在小区东南角前排建筑的南侧出现了小的气流涡旋。根据以上分析，冬季大部分小区建筑单体的南侧立面及东侧立面均有较大的室外风速，有利于外墙干挂陶板双层表皮通风式立面在该小区的建筑物上的应用。
3陶板双层表皮通风式立面的模拟研究
3.1空气腔厚度50mm时气流速度及温度分布分析
本文研究所关注的对象为陶板面板、通风空气腔和建筑外墙。夏季通过太阳辐射作用使得陶板面板的温度升高到了308K（35ºC），室外空气温度则为303K（30ºC）。通过以上设定和空气腔中的传热过程和空气流动过程，便可计算出建筑外墙的温度。
室外空气速度为1m/s、2.6m/s、4m/s时，随着高度的增加，空气腔内的气流速度也在逐渐增加，位于空气腔底部的气流速度最小，位于空气腔顶部出口处的气流速度最大，分别达到了2.5m/s、6m/s、10m/s。由于气流涡旋的抽吸作用，不断的把空气腔内部的气流抽吸出来，从而也对气流的流动形成了加速。比较三种室外风速情况下空气腔内部气流速度的曲线，空气腔内的气流速度整体趋于增加，在整个空气腔的高度范围内，气流速度一直处于加速状态，随着高度的增加，气流的加速趋于平缓。
室外空气速度1m/s、2.6m/s、4m/s时空气腔底部的气流流动处于紊乱状态，产生的气流涡旋占据了整个空气腔的厚度，气流流动不顺畅。室外空气速度越大，空气腔底部的气流涡旋越多。室外空气速度1m/s时距地面高度1.5m处气流涡旋不再占据整个空气腔的厚度，气流流动开始变得顺畅，而在空气速度为2.6m/s、4m/s时，距地高度1.5米处的气流涡旋仍占据了整个空气腔的厚度。
在不同的室外风速情况下，高度6.5m处的空气腔内部气流流动均非常顺畅，上升的气流几乎占据了整个空气腔，并且三种情况下气流涡旋的大小基本一致。
如图1所示，在三种不同的室外气流速度情况下建筑物外墙表面的温度曲线图，比较三种情况下建筑物外墙的表面温度曲线，可以发现在距地面高度0.5米处温度迅速下降，然后缓慢上升，总体趋势基本一致，室外气流速度4m/s时温度上升的幅度最小，室外气流速度1m/s时上升的幅度最大。且建筑物外墙的壁面温度随着室外气流速度的增加而降低，但温度降低的幅度则趋于变小，如工况二相对于工况一温度降低的幅度为1K，工况三相对于工况二温度降低的幅度只有0.5K。
图1建筑物外墙壁面温度曲线图
4结论
本文首先以沈阳地区某一住宅小区为模拟研究对象，利用FLUENT计算流体软件对整个住宅小区室外风场进行了数值模拟，然后以小区室外风场数值模拟的结果作为陶板双层表皮通风式立面模型的入口边界条件，本文利用FLUENT计算流体软件对陶板通风式立面进行模拟研究，得出以下结论：
(1)沈阳地区的住宅小区在夏季具有良好的风场环境可以应用陶板双层表皮通风式幕墙立面，应用陶板通风式幕墙后，建筑外墙表面温度比原来至少降低1K。且随着室外风速的增加，建筑外墙表面温度降低的更多，有利于提高室内环境的热舒适性。
(2)空气腔内气流速度的大小取决于室外自然风的速度、温度以及陶板幕墙的温度。同时空气腔内的气流速度随着高度的增加而不断加快，空气腔内气流加速的大小取决于室外自然风速与陶板幕墙的温度，室外自然风速越大，陶板幕墙温度越高，空气腔内气流的加速就越大。
参考文献
[1]Linden, P.F. The Fluid Mechanics of Natural Ventilation. Annual Review of Fluid Mechanics. 2009: 201-208
[2]Ciampi M, Leccese F, Tuoni G. Ventilated facades energy performance in summer cooling of buildings. Solar Energy, 2003(75): 491-502
[3]López P.A.; Mora-Pérez M.; López G.; Bengochea M.A. Model of ventilated façade in buildings by using CFD techniques. Boletin de la Sociedad Espanola de Ceramica y Vidrio, 2011, Vol50:99-108
[4]Wang L, Wong N.H. The impacts of ventilation strategies and façade on indoor thermal environment for naturally ventilated residential buildings in Singapore. Building and Environment, 2007(42): 4006-4015
[5]民用建筑供暖通风与空气调节设计规范. 2012
关键词：风环境；陶板通风式立面；数值模拟；FLUENT
中图分类号：TU2文献标识码： A
1引言
陶板通风式立面在提高建筑能源利用率作用方面取决于空气腔内部的通风能力，而驱动空气腔内部空气流动的主要动力是自然通风。空气腔内部通风动力的主要来源是室外风的驱动，由空气腔入口和出口间的温度梯度所产生的浮力驱动则是额外附加的动力来源[1]。。Ciampi等人的研究表明提高通风式立面的空气腔内部通风效率的一个主要因素是室外空气温度[2]。同时很多文献的研究也证明了空气腔內的空气流动会使通风式立面对建筑具有冷却作用[3-4]。在夏季，通风式立面所节约的能源随着太阳辐射的增强而显著增加，采用通风式立面的建筑的能源利用效率越高[3]。
2沈阳某住宅小区风环境分布模拟研究
2.1 计算模型
本文选取沈阳地区一个住宅小区作为模拟研究对象，该小区共有33栋单体建筑，为简便计算，本文对本次模拟的模型做如下简化：忽略小区地形高差，假设小区中所有建筑处于同一水平面；忽略小区中高大树木、绿色植被对风的影响；忽略建筑物阳台等小尺寸造型对风的影响。
2.2夏季小区风环境模拟结果分析
沈阳地区夏季主导风向为SW，室外平均风速为2.6m/s[5]。风速最高的区域出现在小区西侧，最大风速达到了4.8m/s，平均风速也在4m/s。受小区内部建筑物朝向位置及主导风向的影响，建筑物之间的南北向通道风速多在3m/s，东西向通道的风速低于1m/s甚至接近于0。位于小区东北角的别墅区整体处于风滞留的区域，不利于空气的流通。由于建筑物的阻挡，小区西南角的建筑南侧有小的风涡，在小区内部存在多个小的风涡，而在小区的东北区域存在着大面积的风涡，一直往东北方向延伸，其长度达到了500m。根据以上分析，夏季大部分小区建筑单体的南侧立面及西侧立面均有较大的室外风速，有利于外墙干挂陶板双层表皮通风式立面在该小区的建筑物上的应用。
2.3 冬季小区风环境模拟结果分析
沈阳地区冬季主导风向为NNE，室外平均风速为2.6m/s[5]。风速最高的区域出现在小区西侧建筑物之间的通道处，最大风速达到了5m/s，平均风速也在4m/s。受小区内部建筑物朝向位置及主导风向的共同影响，建筑物之间的东西向通道风速多在3m/s，南北向通道的风速多在1.5m/s以下甚至接近于0。整个小区内部没有出现气流滞留的区域，空气的流通较顺畅，只有在小区东南角前排建筑的南侧出现了小的气流涡旋。根据以上分析，冬季大部分小区建筑单体的南侧立面及东侧立面均有较大的室外风速，有利于外墙干挂陶板双层表皮通风式立面在该小区的建筑物上的应用。
3陶板双层表皮通风式立面的模拟研究
3.1空气腔厚度50mm时气流速度及温度分布分析
本文研究所关注的对象为陶板面板、通风空气腔和建筑外墙。夏季通过太阳辐射作用使得陶板面板的温度升高到了308K（35ºC），室外空气温度则为303K（30ºC）。通过以上设定和空气腔中的传热过程和空气流动过程，便可计算出建筑外墙的温度。
室外空气速度为1m/s、2.6m/s、4m/s时，随着高度的增加，空气腔内的气流速度也在逐渐增加，位于空气腔底部的气流速度最小，位于空气腔顶部出口处的气流速度最大，分别达到了2.5m/s、6m/s、10m/s。由于气流涡旋的抽吸作用，不断的把空气腔内部的气流抽吸出来，从而也对气流的流动形成了加速。比较三种室外风速情况下空气腔内部气流速度的曲线，空气腔内的气流速度整体趋于增加，在整个空气腔的高度范围内，气流速度一直处于加速状态，随着高度的增加，气流的加速趋于平缓。
室外空气速度1m/s、2.6m/s、4m/s时空气腔底部的气流流动处于紊乱状态，产生的气流涡旋占据了整个空气腔的厚度，气流流动不顺畅。室外空气速度越大，空气腔底部的气流涡旋越多。室外空气速度1m/s时距地面高度1.5m处气流涡旋不再占据整个空气腔的厚度，气流流动开始变得顺畅，而在空气速度为2.6m/s、4m/s时，距地高度1.5米处的气流涡旋仍占据了整个空气腔的厚度。
在不同的室外风速情况下，高度6.5m处的空气腔内部气流流动均非常顺畅，上升的气流几乎占据了整个空气腔，并且三种情况下气流涡旋的大小基本一致。
如图1所示，在三种不同的室外气流速度情况下建筑物外墙表面的温度曲线图，比较三种情况下建筑物外墙的表面温度曲线，可以发现在距地面高度0.5米处温度迅速下降，然后缓慢上升，总体趋势基本一致，室外气流速度4m/s时温度上升的幅度最小，室外气流速度1m/s时上升的幅度最大。且建筑物外墙的壁面温度随着室外气流速度的增加而降低，但温度降低的幅度则趋于变小，如工况二相对于工况一温度降低的幅度为1K，工况三相对于工况二温度降低的幅度只有0.5K。
图1建筑物外墙壁面温度曲线图
4结论
本文首先以沈阳地区某一住宅小区为模拟研究对象，利用FLUENT计算流体软件对整个住宅小区室外风场进行了数值模拟，然后以小区室外风场数值模拟的结果作为陶板双层表皮通风式立面模型的入口边界条件，本文利用FLUENT计算流体软件对陶板通风式立面进行模拟研究，得出以下结论：
(1)沈阳地区的住宅小区在夏季具有良好的风场环境可以应用陶板双层表皮通风式幕墙立面，应用陶板通风式幕墙后，建筑外墙表面温度比原来至少降低1K。且随着室外风速的增加，建筑外墙表面温度降低的更多，有利于提高室内环境的热舒适性。
(2)空气腔内气流速度的大小取决于室外自然风的速度、温度以及陶板幕墙的温度。同时空气腔内的气流速度随着高度的增加而不断加快，空气腔内气流加速的大小取决于室外自然风速与陶板幕墙的温度，室外自然风速越大，陶板幕墙温度越高，空气腔内气流的加速就越大。
参考文献
[1]Linden, P.F. The Fluid Mechanics of Natural Ventilation. Annual Review of Fluid Mechanics. 2009: 201-208
[2]Ciampi M, Leccese F, Tuoni G. Ventilated facades energy performance in summer cooling of buildings. Solar Energy, 2003(75): 491-502
[3]López P.A.; Mora-Pérez M.; López G.; Bengochea M.A. Model of ventilated façade in buildings by using CFD techniques. Boletin de la Sociedad Espanola de Ceramica y Vidrio, 2011, Vol50:99-108
[4]Wang L, Wong N.H. The impacts of ventilation strategies and façade on indoor thermal environment for naturally ventilated residential buildings in Singapore. Building and Environment, 2007(42): 4006-4015
[5]民用建筑供暖通风与空气调节设计规范. 2012