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【通风年会之民用建筑通风】基于CONTAM 的徽州传统民居自然通风模拟分析

花匠小妙招
2026-05-05 14:07

吴州琴，冯雪峰，唐诚，董伟，黄志甲

安徽工业大学

［摘要］自然通风可改善室内空气品质，提高人体热舒适感觉。以徽州传统民居为研究对象，采用多区域气流分析软件CONTAM 模拟分析民居夏季白天和夜间自然通风网络，探讨不同驱动力下民居换气次数变化规律。得出以下结论：民居白天与夜间自然通风网络有所不同，各区域自然通风均满足最小新风量通风要求。白天厢房、厅堂、天井换气次数值依次为9.89h-1、15.25h-1、50.01h-1；夜间厢房、厅堂、天井换气次数分别为1.74h-1、7.58h-1、8.41h-1。民居白天和夜间自然通风时，厢房只受热压作用，白天厅堂和天井主要受风压作用，夜间厅堂和天井主要受热压作用。

［关键词］徽州传统民居；CONTAM；自然通风网络；换气次数

0 引言

徽州传统民居在长期适应地方环境的过程中，形成了多种气候适应性的营造方法与技术，其中自然通风的营造是徽派建筑最普遍的被动式技术之一。随着城镇化和新农村建设的推进，类似徽州传统民居这样的古村落正在加速消亡[1]，而大部分新民居的建设只继承了传统民居的外形，并没有吸收其优秀的被动式技术。因此，研究徽州传统民居自然通风，可以为新民居的设计提供指导和启示作用。

目前研究自然通风的手段主要有：理论分析法、实验法和数值模拟法，数值模拟法包括CFD 法、多区模型法和区域模型法，CONTAM 软件模拟属于多区域模型法。国内对传统民居自然通风的研究大都使用CFD 模拟[2-3]，模拟过程十分繁琐。CONTAM 与CFD 技术相比具有计算时间短，描述信息简单明确的特点，在研究自然通风方面得到了广泛的应用[4-7]。徽州传统民居高大的外墙使得室内较封闭，室内温度，压力分布较均匀[8]，可以采用CONTAM 软件进行模拟计算。因此，本文结合徽州传统民居夏季热环境实测结果进行CONTAM 模拟，分析白天和夜间两种典型工况下民居自然通风网络，并得出民居各区域换气次数随风压热压的变化规律。

1 气流分析基本方程组

CONTAM 软件假设建筑每个房间的特征参数分布均匀，则一个房间区域可看作一个节点，各节点通过门、窗和建筑缝隙等气流路径相连。利用伯努利方程求解门窗开口两侧的压差，根据压差与流量的关系就可求出流量，预测整个建筑的通风量。CONTAM 模拟满足以下气流分析基本方程组。

（1）节点流量方程，瞬态模拟时，由质量守恒定律可得：

式中，i 和j 均表示区域，mi为区域i 内的空气质量（kg）；Fi为非流动过程引起的区域i 内空气质量的增加或减少（kg/s）；Fij 为区域i 与j 之间的气流量（正值代表从j 流i 入，反之相反）。而对于准稳态模拟，式（1）可改写为ΣFij=0。CONTAM 中求解的每一个区域为区域i，其它区域则都表示成区域j，联立多个非线性方程组，通过N-R（牛顿拉夫逊）方法求解区域i 的通风量。为获得民居白天和夜间的平均通风量，采用CONTAM 准稳态模拟。

（2）回路压力方程，假设房间温度恒定，并且考虑风压作用，由伯努利方程得：

式中，Pi，Pj为区域i 与区域j 的总压（Pa）；ΔPs为热压差（Pa）；ΔPw为风压差（Pa）。

热压差ΔPs如下：

式中，t0为室外温度（℃）；ti为室内温度（℃）；h为开口距中和面的高度（m）。

建筑外表面风压Pw可用下式计算：

式中，vmet为气象站所测得的风速（m/s）；Ch为风速修正系数；θ 为相对风向角；f (θ) 为风压系数。

（3）流量经验模型，CONTAM对于开启的门窗用孔口模型（Orifice），按下式进行计算：

式中，F 为通风量（kg/s）；Cd 为流量系数；A 为孔口面积。

渗漏模型（Leakage）用于计算关闭的门窗，计算公式如下：

式中，n 为流动指数，一般取0.6~0.7；，则式（6）可以变形为：

在参考压差ΔPr下得出渗透风量，进而计算实际情况的通风量F。渗透面积L 根据风扇增压测试计算得出，一般在两种接近真实压差的情况下进行：

（1）Cd =1.0，ΔPr=4Pa；

（2）Cd=0.6，ΔPr=10Pa。

由于做压差实验可能会破坏古建筑，故渗透面积根据实际测量结果确定。

2 模型建立及风压系数确定

2.1 多区域网络模型

CONTAM模拟对象为一典型徽州传统民居“馀庆堂”，位于安徽省泾县查济村。如图1 所示，该建筑坐北朝南，坡屋顶，一进五开间，二层是不住人的阁楼，建筑总高6.1m，其中一层高约为3.3m。

图 1 馀庆堂平面图

CONTAM模型由围护结构Walls，层高Levels，区域Zones，门窗Airflow Paths 等组成。建筑每一个房间视为一个区域，门窗开口为气流路径，特征参数相同的房间或门窗可以合并，用于简化模型。对馀庆堂简化后建立多区域网络模型COMTAM（图2），门的开启关闭与实际情况设置一致。阁楼对模拟结果基本无影响，且不属于研究区域，故省略。将西厢1 和2，东厢1 和2 都合并为1 个区域，厅堂与天井通过房檐下方隔断，将厅堂设置为1 个区域，天井被东西侧门分隔成了3 个区域，分别为天井东侧、中部和西侧区域。厢房门和花格窗分别合并为1 个气流路径，前后门，天井东西侧门分别设置相应的气流路径，厅堂房檐下方设置为1 个气流路径，天井东侧、中部、西侧开口分别设有2 个气流路径，用于表示进风和出风，整个天井大开口共用6 个气流路径表示。

图 2 馀庆堂CONTAM 模型

2.2 风压系数

查济村地处东经118.28°，北纬29.72°，海拔高度142.7m，是典型的亚热带季风气候，夏热冬冷、四季分明，以6、7、8 月为夏季。因查济靠近屯溪，取屯溪市的气象参数。根据《中国建筑热环境分析专用气象数据集》[9]提供的屯溪市的典型气象年数据，确定夏季室外平均风速1.6m/s，主导风向210°。采用CONTAM 配套的软件CFD0 模拟建筑室外风环境，得到建筑外表面各气流路径的风压系数，由于篇幅限制，这里只列出南北外墙的风压系数模拟结果（图3）。CONTAM 根据公式（4）可计算建筑外表面风压[10]。

图 3 建筑外表面风压系数

3 模拟方案及参数设定

根据课题组对查济村村民生活习惯的调研，一般白天门窗全部开启，夜间门窗均关，故模拟方案设定为白天门窗全开和夜间门窗全关两个典型工况，并根据课题组查济夏季热环境和风环境实测结果确定各区域参数，见表1。

表 1 区域参数设置

门窗开启时采用孔口模型，关闭时采用渗漏模型（表2），根据查济实测结果，白天厢房门窗和夜间厅堂房檐下方为双向流动，故设为双向流气流路径。参考文献[11]给出的值设置相关参数，孔口路径时，流量系数为0.6，流动指数为0.5；渗漏路径，参考压差为4Pa，流量系数为1.0，流动指数为0.65；双向流路径时，流动指数为0.78。

表 2 气流路径参数设置

4 模拟结果分析

4.1 白天自然通风网络

图 4 馀庆堂白天自然通风网络

对于每一个模拟区域，CONTAM模拟结果都是满足风量平衡关系的。如图4 馀庆堂白天自然通风网络中的天井中部（zone（5）），其流入的气流路径有path（3），path（13）和path（15），流入风量相加为2.23kg/s，气流路径流出的有path（4），path（10）和path（14），流出风量和为2.23kg/s。CONTAM 很详细的将民居各开口通风量、通风方向和压降表示出来了，这些区域、气流路径、压降、通风方向和通风量便形成了民居自然通风网络。

由图可知，馀庆堂白天在门开工况下，室外西南方向的风吹向建筑时，对天井有抽吸作用，天井开口既是进风口也是出风口。白天厢房形成单侧通风，厢房门窗都是进出风口，风从门窗的上部开口进入室内，再从门窗的下部开口流入天井。室外风从前门通过天井中部流向厅堂进而流出后门流向室外，整个过程形成了贯穿厅堂的穿堂风。天井中部与天井东西侧通过侧门进行风量交换，风从天井东侧通过东侧门流向天井中部，再通过西侧门流向天井西侧。

4.2 夜间自然通风网络

图5 馀庆堂夜间自然通风网络

图5 为馀庆堂夜间自然通风网络，夜间室内温度高于室外，建筑各区域都会形成热压通风，同时也会存在风压通风，由于夜间门窗均关，自然通风大都依靠渗透通风进行。对比白天和夜间自然通风网络图可以发现，夜间各气流路径通风方向与白天有所不同，各区域自然通风量明显小于白天。厢房夜间仍然形成单侧通风，夜间天井冷空气通过门缝隙向厢房渗透，带走厢房的热量后从花格窗渗透出风流入天井。厅堂温度高于室外，室外冷空气通过后门缝隙渗透进入厅堂，厅堂与天井温差存在使得房檐下方有进风和出风，出风量大于进风量，厅堂的热量通过出风被带入天井，通过天井热压作用流出天井。夜间天井部分开口仍是进出风口，天井东侧、中部与西侧之间几乎没有风量交换。

4.3 换气次数

根据CONTAM 模拟结果计算白天和夜间各区域通风量和换气次数，见表 3。

表 3 馀庆堂各区域通风量及换气次数

从表中可以看出，白天各区域换气次数值都较大，夜间各区域换气次数均低于白天。根据中国居住建筑最小换气次数0.45h-1 的要求[12]，民居白天和夜间各区域自然通风均满足最小新风量通风要求。因厢房是居住空间，夜间需要有较大的通风量排出室内余热，建议夜间开启厢房花格窗。经过CONTAM模拟计算后得夜间窗户开启时厢房换气次数值增加至11.24h-1，换气次数有了很大的提升，这也侧面反映了厢房夜间热压通风潜力较大。

天井中部主要和室外和厅堂通风换气，天井东西侧与厢房和室外进行自然通风。室外风向为210°，厅堂与厢房通风的区别等造成了天井开口通风量不一致，白天和夜间天井中部换气次数均要大于天井东侧和西侧，且天井东侧换气次数均要大于天井西侧。白天和夜间，西厢与东厢换气次数都一样，说明厢房自然通风仅受热压作用，并不受风压影响。

4.4 驱动力

民居夏季自然通风包括风压通风和热压通风。当室外风速较大，风从天井上方流过，由于文丘里效应，在天井处形成负压，从而产生天井的“抽风”效果，可促进建筑的自然通风。热压通风的原理其实是由于天井和相邻空间的温度差，或者天井本身垂直方向的温度差，利用空气密度的不均匀来自然形成冷热空气的交换和流通，从而达到通风换气的目的。

图 6 不同驱动力下各区域换气次数

民居自然通风同时受到热压和风压影响，只考虑风压时将室内外温差设为零，只考虑热压时将室外风速设为零，据此模拟民居白天和夜间不同驱动力下的自然通风，各区域换气次数计算结果见图6。从图中可以看出，风压通风时，厢房换气次数为零，原因是厢房为单侧开口房间，无法形成持续的风压通风，厢房只受热压作用。风压通风时，白天厅堂和天井换气次数较大，夜间厅堂几乎没有风压通风，天井形成的风压通风也较弱。热压通风时，门窗均开使得白天厢房和天井的热压通风强于夜间，厅堂白天和夜间热压通风区别不大。白天自然通风时，厅堂和天井主要受风压作用，风压和热压相互增强；夜间自然通风时，厅堂和天井主要受热压作用，风压和热压相互增强。

5 结论

（1）区域、气流路径、压降、通风风向和通风量形成了民居自然通风网络。夜间各气流路径通风方向与白天有所不同，各区域自然通风量明显小于白天。

（2）民居白天在室外西南风的作用下形成了贯穿厅堂的穿堂风，厢房存在单侧通风，天井开口既是进风口也是出风口；夜间厢房和厅堂都形成了热压通风，冷空气通过渗透通风进入室内，带走室内的热量后流向天井，再通过天井热压通风将热量排向室外，同时存在的风压通风加强了夜间自然通风。

（3）白天厢房、厅堂、天井换气次数值依次为9.89h-1、15.25h-1、50.01h-1；夜间厢房、厅堂、天井换气次数分别为1.74h-1、7.58h-1、8.41h-1。民居夏季各区域自然通风均满足最小新风量通风要求，夜间厢房为了更好的排出室内余热，建议夜间厢房将花格窗开启。

（4）民居白天和夜间自然通风时，厢房只受热压作用。白天厅堂和天井主要受风压作用，风压和热压相互增强；夜间厅堂和天井主要受热压作用，风压和热压相互增强。

参考文献

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[12] 张文霞, 谢静超, 刘加平, 刁彦华, 吉野博. 国内外居住建筑最小通风量和换气次数的研究[J]. 暖通空调,2016,(10):86–91.

基金项目：国家自然科学基金项目（51478001）；国家级大学生创新创业训练计划项目（201710360045）；校级研究生创新研究基金（2016088）。

说明：本届通风技术学术年会论文集共收录论文97篇，近期将陆续通过学会公众号发布，敬请关注。