利用住宅建筑中的天花板及阁楼通风系统进行夜间降温时，对室内气流及热量传递过程的计算流体动力学（CFD）分析

穿孔天花板与阁楼通风在热带住宅夜间通风中的应用研究。通过CFD模拟比较三种通风配置（C1常规窗户通风，C2穿孔天花板+阁楼通风，C3单侧窗户+穿孔天花板），发现C2的空气交换率（ACH）达98%提升，热去除效率（HRE）达1.9倍，室内温度降低1-1.5°C。孔隙率从40%降至33%使HRE和ACH分别下降32%和7%。研究验证了组合通风的有效性，尤其对分隔房间影响显著。

　　
本文聚焦于热带气候区住宅建筑的夜间通风优化策略，重点评估穿孔天花板与阁楼通风相结合的复合式被动散热方案效能。研究通过三维稳态雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）计算流体动力学（CFD）模拟，对比分析了三种建筑通风配置（C1常规穿堂风、C2穿孔天花板+阁楼通风、C3单侧穿堂风+穿孔天花板）在非等温条件下的热移除效率与空气交换率。

### 研究背景与意义
印尼作为全球第四人口大国，其住宅建筑能耗占比已达12.6%，其中空调耗能占比超过50%。热带气候特征（日均温25-32℃、湿度70-90%、夜间风速0.5-2.5m/s）导致传统夜间通风难以有效降低室内温度。现有研究表明，阁楼空间的热压上升效应可使屋顶层温度超过60℃，而穿孔天花板结合阁楼排风的创新设计，通过热浮力诱导的垂直气流，可将热空气直接导出建筑外，显著提升夜间被动散热效率。

### 方法论创新
研究采用双验证策略确保模型可靠性：
1. **等温流验证**：基于风洞实验数据校准RANS模型，通过 SIMPLE算法耦合压力-速度场，选用RNG k-ε湍流模型配合低雷诺数粘性处理（y*<5），网格分辨率达813万单元，壁面处理精度满足0.0035m间距要求。
2. **非等温流验证**：引用Li等（2022）的位移通风实验数据，在热源体积浓度8333W/m3条件下，模型预测温度偏差控制在10%以内，验证误差率低于5%。

关键创新点在于：
- 建立孔隙率-热阻关联模型：通过风洞实验确定穿孔钢板（厚度0.8mm）的ΔP-U关系，推导出孔隙率φ=40%时等效热阻0.1m2K/W，为CFD模拟提供物理参数。
- 热源分布优化：将人体（94W/人）、电器（100-600W）、烹饪（1520W）等热源按房间功能分区建模，热源体积占比R1（7.2m3）显著高于R2、R3（各2.88m3）。
- 阁楼空气动力学建模：引入0.012m厚木质穿孔板，通过孔隙率调节（φ=40%→33%）和不同开孔形态，研究其对热浮力通道的影响。

### 核心研究发现
#### 通风配置对比（C1/C2/C3）
1. **热移除效率（HRE）**：
- C2方案（穿孔天花板+阁楼通风）HRE达1.9，较C1（0.8）提升137.5%，较C3（1.7）提升11.8%
- 分室表现：R2（卧室）HRE达2.7，R3（次卧室）1.5，均显著高于C1的0.4-0.8
2. **空气交换率（ACH）**：
- 总建筑ACH：C2（37h?1）>C1（31h?1）>C3（30h?1）
- 分室差异：R1（客厅）受风向影响波动大（20-40h?1），R2/R3（卧室）受垂直气流组织影响更显著
3. **温度调控效果**：
- 室内平均温度：C2（28.5℃） - 温差梯度：C2方案在R2区域形成-1.5℃至-2.3℃的温差优势，较C1提升约5℃

#### 关键参数敏感性分析
1. **孔隙率效应**：
- φ=40%时ACH=37h?1，HRE=1.9
- φ=33%时ACH下降7%（34.5h?1），HRE下降32%（1.28）
- 孔隙率每降低1%导致HRE下降约1.7%
2. **风向影响**：
- 0°风向（正对建筑）时：
- C2总建筑HRE达峰值2.1（较C1高160%）
- R3区域ACH仅28h?1（受横墙阻挡效应）
- 60°侧风时：
- R2区域形成双涡旋结构，ACH提升至45h?1
- 阁楼热压驱动气流效率提升22%

### 技术突破与应用价值
1. **热流通道优化**：穿孔天花板形成"烟囱效应"，将热源（R1区域设备发热量达2658W）产生的垂直温差从常规的2℃提升至5.3℃，有效缩短热空气上升路径（平均缩短40%）。
2. **多尺度耦合效应**：发现当孔隙率φ=40%时，阁楼空气流速达0.65m/s，较常规屋顶通风提升3倍，形成连续的热浮力通道。
3. **气候适应性**：在Makassar实测数据显示，传统单侧通风（C3）在α=30°时R3区域温度反升1.2℃，而复合通风（C2）通过调整风帽倾角可使温度稳定在28.5℃±0.8℃。

### 实施建议与改进方向
1. **孔隙率优化**：建议采用梯度孔隙设计（入口40%→顶部33%），平衡初期风速与持续导热效率。
2. **动态风帽系统**：实验表明，当开孔形态从圆形（φ=40%）改为矩形时，风阻系数降低18%，可提升5%的ACH。
3. **热源分布调整**：在R2区域增设移动式热源隔离层（厚度0.15m），可使HRE提升至2.3。
4. **全年性能评估**：需补充冬季工况测试，当前模型显示在日均温18℃时，ACH仍保持C2方案的32%优势。

### 结论
本研究证实复合式通风（C2）较传统方案提升热移除效率2-3倍，特别在竖向温差超过5℃的工况下，可降低建筑能耗达15-20%。建议在建筑规范中纳入"阁楼热压系数"（Qh=0.12m3/s·K）作为设计参数，同时开发智能风道调节系统，实现孔隙率与风向的动态匹配。后续研究应结合建筑能耗模拟，量化通风策略与空调能耗的关联度，建立经济性评估模型。