張朝朋

西安世園投資（集團）有限公司

0 引言

建筑自然通風(fēng)是充分利用自然條件來改善室內(nèi)空氣環(huán)境品質(zhì)的措施，并且也是降低建筑能耗的最有效方法。引入新鮮空氣有利于降低室內(nèi)污染物（有毒有害氣體、顆粒物、病毒）濃度，提升舒適度，滿足室內(nèi)人員衛(wèi)生安全與心理健康需求。教學(xué)建筑是學(xué)生學(xué)習(xí)生活的主要核心區(qū)域，也是人員密集區(qū)，某些建筑結(jié)構(gòu)由于設(shè)計規(guī)劃問題，室內(nèi)通風(fēng)條件差，尤其今年的新冠肺炎疫情對室內(nèi)通風(fēng)提出更高的要求，因此保持室內(nèi)的良好通風(fēng)是保證學(xué)生身體健康的重要保障。

教學(xué)建筑的規(guī)劃、建筑單體設(shè)計到內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計對自然通風(fēng)的可應(yīng)用性和效果影響顯著，合理布局將能有效地利用自然通風(fēng)解決室內(nèi)熱舒適性和空氣質(zhì)量問題[1]。目前主要的研究方向有多元通風(fēng)模式研究，熱壓與風(fēng)壓通風(fēng)方式的分析與優(yōu)化，被動通風(fēng)方式的熱工模擬與分析，傳統(tǒng)民居的物理環(huán)境模擬等。具體到自然通風(fēng)與建筑內(nèi)部設(shè)計的關(guān)系，研究主要集中建筑朝向、窗戶尺寸、窗戶面積、窗戶局部構(gòu)件形式等影響自然通風(fēng)的因素[2-4]。而對于自然通風(fēng)在具體建筑結(jié)構(gòu)形式的對比與優(yōu)化方面，尚且還存在研究空間?；诮ㄖ芎?、占地面積、空間使用等方面特點，目前在實際中應(yīng)用較為廣泛的有內(nèi)廊式、外廊式、雙廊式三種結(jié)構(gòu)形式建筑[5]。由于建筑自然通風(fēng)受建筑結(jié)構(gòu)形式，通風(fēng)面積，熱源以及室外氣流環(huán)境等多種因素的影響，因此，有很多機理仍需深入探索和研究[6-9]。

1 數(shù)值模型與數(shù)值方法

1.1 建筑體建模參數(shù)

建筑群規(guī)劃總建筑面積 23066.22 m2，其中地上建筑面積 17603.86 m2，選取地上四層教學(xué)主體建筑（65.1 m×20 m×15.8 m）為研究對象（圖 1），參照實際設(shè)計規(guī)劃CAD 圖建立物理模型，對三種建筑結(jié)構(gòu)形式（圖2）的自然通風(fēng)效果進行模擬分析。

圖1 教學(xué)主體建筑位置及平面圖

圖2 廊道式建筑結(jié)構(gòu)示意

1.2 計算模型建立

模擬計算區(qū)域的大小會影響到模擬效果的準確性和計算效率[10]。結(jié)合教學(xué)樓主體建筑所處地理條件以及周邊環(huán)境因素影響，設(shè)置模擬計算區(qū)域。當(dāng)模擬分析目標為建筑群時，建筑群整體覆蓋區(qū)域應(yīng)低于整個模擬計算區(qū)面積的10%，本次模擬選取整體計算區(qū)域的長度，寬度和高度分別為建筑體實際長度，高度和寬度尺寸的10 倍，5 倍和5 倍，如圖3 所示。

圖3 教學(xué)建筑模型及室外場計算區(qū)域設(shè)定

1.3 網(wǎng)格獨立化驗證

根據(jù)教室建筑體結(jié)構(gòu)特點，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，進、出風(fēng)口表面及建筑間隔結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分加密，建筑室外網(wǎng)格劃分采用較粗網(wǎng)格，建筑體周圍網(wǎng)格隨著與建筑體距離的增大而逐漸稀疏。網(wǎng)格進行獨立性驗證，進行三種網(wǎng)格劃分：粗網(wǎng)格，細網(wǎng)格，密網(wǎng)格。在區(qū)域主導(dǎo)風(fēng)向ENE、主導(dǎo)風(fēng)速 2.5 m/s 的條件下，將內(nèi)廊式教室模型在三種網(wǎng)格形式下的模擬結(jié)果（選取靠廊點室內(nèi)工作區(qū)風(fēng)速值為代表），與文獻[11]實測均值進行對比。如圖4 所示，通過對比結(jié)果可知，粗網(wǎng)格與細網(wǎng)格計算結(jié)果偏差大，最大差值為 15%以上。細網(wǎng)格與密網(wǎng)格模擬的工作區(qū)速度分布規(guī)律一致，風(fēng)速平均差值約為1.2%。由此可知，在細網(wǎng)格計算結(jié)果中，已經(jīng)能得到需要的計算精度，所以在數(shù)值模擬中采用細網(wǎng)格劃分方法（總網(wǎng)格數(shù)1504500），以保證模擬計算效率。

圖4 數(shù)值模擬網(wǎng)格獨立化驗證

1.4 計算模型離散與求解

對于湍流流動的模擬，采用 RNGk-ε模型，可由下式表示：

式中：Gk為由于平均速度梯度造成的湍動能的產(chǎn)生；G b為由于浮力造成的湍動能的產(chǎn)生；YM為在可壓縮湍流中的波動膨脹對整體膨脹的貢獻率；Sk為用戶定義的源項。其他計算參數(shù)設(shè)置如表1 所示。

表1 建筑體數(shù)值模擬計算參數(shù)設(shè)置

2 模擬計算結(jié)果與分析

在自然通風(fēng)模式的熱壓和風(fēng)壓共同作用下，進風(fēng)口氣流作為室內(nèi)空氣流動的重要源動力，對室內(nèi)流場分布起到重要影響。為合理優(yōu)化建筑自然通風(fēng)氣流組織，結(jié)合參數(shù)化建模與數(shù)值模擬分析對室內(nèi)空氣分布進行綜合性評價，現(xiàn)根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)類型、通風(fēng)面積因子變量設(shè)置通風(fēng)工況，提取空氣齡、通風(fēng)效率、PMV 等典型參數(shù)作為通風(fēng)性能評價指標，對模擬結(jié)果進行對比分析。

2.1 室內(nèi)速度場和平均空氣齡

室內(nèi)速度場分布直接影響著室內(nèi)溫度場與舒適度需求。舒適的風(fēng)速將有助于提高工作效率與工作質(zhì)量，為滿足教室內(nèi)人員適宜環(huán)境，空氣流速限值為：u≤0.2 m/（s 冬季），u≤0.3 m/s（夏季）。

空氣齡（AGE）是指空氣質(zhì)點自進入房間至到達室內(nèi)某點所經(jīng)歷的時間，如果空氣停留的時間短，空氣品質(zhì)較好，則空氣齡小。空氣齡長代表通風(fēng)換氣不暢，可造成污染物局的部堆積，會降低該區(qū)域附近的空氣品質(zhì)[12]。

由圖5～6 模擬結(jié)果可知，三種建筑結(jié)構(gòu)形式下的室內(nèi)速度場分布基本滿足舒適度要求。內(nèi)廊式與外廊式局部區(qū)域由于穿堂風(fēng)的影響，風(fēng)速過大。而雙廊式教室由于中間結(jié)構(gòu)的阻擋作用，影響了通風(fēng)流暢性，并且在背風(fēng)區(qū)教室內(nèi)產(chǎn)生局部渦旋，通風(fēng)效果較差。

圖5 三種建筑結(jié)構(gòu)形式下的室內(nèi)速度場（通風(fēng)面積因子50%）

圖6 三種建筑結(jié)構(gòu)形式下的空氣齡對比（通風(fēng)面積因子50%）

在靠近迎風(fēng)側(cè)窗戶位置，內(nèi)廊式與外廊式教室平均空氣齡較低，在 100 s 以下。新鮮空氣從通風(fēng)口擴散至房間中部，平均空氣齡分布較均勻，分層效果明顯。內(nèi)廊式與外廊式建筑中，靠近背風(fēng)區(qū)位置，空氣齡數(shù)值漸增，但也基本維持在150 s 以下，只有個別背風(fēng)區(qū)房間空氣齡超過300 s。對于雙廊式建筑，整個背風(fēng)區(qū)教室均通風(fēng)紊亂，換氣不暢，容易造成污染物局部堆積。

2.2 通風(fēng)效率

通風(fēng)效率用來表示送風(fēng)排除熱量和污染物能力。對于自然送風(fēng)排除工作區(qū)余熱來說，當(dāng)室內(nèi)建筑熱源相對穩(wěn)定，主要采用穩(wěn)態(tài)通風(fēng)效率評價通風(fēng)的排熱性能，此時通風(fēng)效率又可稱為溫度效率，定義如下[13]：

式中：tn為室內(nèi)工作區(qū)平均溫度，K ；tp為排風(fēng)溫度，K ；tw為自然通風(fēng)（室外）溫度，K 。

建筑通風(fēng)口作為自然通風(fēng)室外空氣與室內(nèi)空氣交流的直接路徑，通風(fēng)面積對自然通風(fēng)效果起決定性影響作用。將三種廊道式建筑在自然通風(fēng)模式下，通風(fēng)口面積因子為30%，50%，80%和100%（如表 2 所示）時的典型房間通風(fēng)效率進行對比。由圖 7 可知，在通風(fēng)效果穩(wěn)定的情況下，加大通風(fēng)口面積可以提高自然通風(fēng)利用率，保證良好的室內(nèi)空氣品質(zhì)。當(dāng)通風(fēng)口面積增加到 80%以后，繼續(xù)增加通風(fēng)口面積，自然通風(fēng)的通風(fēng)效率并沒有隨之發(fā)生顯著變化。分析其原因為：通風(fēng)口面積增大時，自然通風(fēng)通風(fēng)效果滿足室內(nèi)人員新風(fēng)量以及溫度需求，但可能出現(xiàn)局部風(fēng)速過高，室內(nèi)速度場不穩(wěn)定的現(xiàn)象。

表2 典型房間不同通風(fēng)工況下的通風(fēng)溫度對比

圖7 三種廊道式建筑自然通風(fēng)模式下典型房間通風(fēng)效率對比

建筑結(jié)構(gòu)形式對自然通風(fēng)效果也有較大影響。對于內(nèi)廊式教室、外廊式教室，無論通風(fēng)面積因子如何變化，該氣流組織的通風(fēng)效率均維持較穩(wěn)定的通風(fēng)效率值，基本均在 1.1～1.3 之間，通風(fēng)效果良好。而雙廊式教室，由于建筑結(jié)構(gòu)形式的阻隔作用，使得其通風(fēng)效率在0.3～0.5 之間。

2.3 室內(nèi)預(yù)測平均評價（PMV）

PMV 指標是結(jié)合人體熱?舒適方程，在大量實驗統(tǒng)計分析的基礎(chǔ)上得出，其理論依據(jù)是當(dāng)人體處于穩(wěn)態(tài)的熱環(huán)境下，人體偏離熱舒適的狀態(tài)就越遠，正負值區(qū)間越大，人體不舒適性越強[14]。

由圖8 可知，當(dāng) PMV 在-1～1 間時，工作區(qū)處于較舒適的中等環(huán)境。通過PMV 模擬分析可知，內(nèi)廊式教室與外廊式教室，均處于 0～1 的微暖區(qū)間內(nèi)，滿足要求。對于外廊式教室，當(dāng)通風(fēng)面積因子大于80%時，滿足舒適度要求，但當(dāng)開窗面積減小，人體舒適性區(qū)間偏向“ 暖”區(qū)間。人體舒適性不僅與室內(nèi)空氣溫度有關(guān)，與室內(nèi)空氣風(fēng)速也有很大關(guān)系。因此，在設(shè)計建筑結(jié)構(gòu)形式時，不能只單純依靠降低室內(nèi)空氣溫度來提高房間內(nèi)人體的熱舒適性。合理利用穿堂風(fēng)，保證自然通風(fēng)下的室內(nèi)速度，依然可以達到相同的舒適性效果，同時還達到節(jié)能的目的。

圖8 三種廊道式結(jié)構(gòu)建筑自然通風(fēng)模式熱感覺值PMV 對比

3 自然通風(fēng)方案優(yōu)化

為了進一步提高自然通風(fēng)條件下，教學(xué)建筑室內(nèi)人員的舒適度，現(xiàn)將其主要評價參數(shù)（平均速度、通風(fēng)效率、平均空氣齡和PMV）綜合進行對比。首先，三種通風(fēng)結(jié)構(gòu)方案的典型教室室內(nèi)平均風(fēng)速為 0.35 m/s，0.55 m/s 和 0.18 m/s，內(nèi)廊式建筑、雙廊式建筑滿足0.3 m/s 的限值標準要求，外廊式建筑可以通過減小開窗面積因子達到。雙廊式建筑在自然通風(fēng)模式下，由于建筑中間結(jié)構(gòu)阻礙通風(fēng)流暢性，背風(fēng)區(qū)與室內(nèi)差壓又不足以引起良好的通風(fēng)效果，使得通風(fēng)效率、通風(fēng)空氣齡、P MV 值均不理想。另外，基于建筑熱穩(wěn)定性與實用性，內(nèi)廊式建筑略優(yōu)于外廊式建筑。綜上所述，內(nèi)廊式教室在自然通風(fēng)模式中具有相對優(yōu)越性，能夠產(chǎn)生令室內(nèi)人員滿意的舒適性環(huán)境。

為完善內(nèi)廊式教室背風(fēng)區(qū)個別房間通風(fēng)效果不佳的現(xiàn)象，下面將對該類型結(jié)構(gòu)開展進一步優(yōu)化。在內(nèi)廊道設(shè)置橫向通風(fēng)口，通過調(diào)整內(nèi)墻窗墻比參數(shù)，保證背風(fēng)區(qū)各房間達到自然風(fēng)舒適區(qū)域。如圖 9 所示，內(nèi)窗面積增大，空氣齡隨之降低，通風(fēng)換氣順暢，空氣品質(zhì)提升。當(dāng)內(nèi)墻窗墻比達到 25%左右時，繼續(xù)增加通風(fēng)口面積，自然通風(fēng)的通風(fēng)效果并沒有隨之發(fā)生顯著變化。

圖9 內(nèi)墻窗墻比對平均空氣齡的影響

4 結(jié)論

本文通過對西安地區(qū)某教學(xué)主體建筑熱壓、風(fēng)壓共同作用下的自然通風(fēng)環(huán)境進行模擬計算，預(yù)測迎風(fēng)區(qū)、背風(fēng)區(qū)房間的速度場和溫度場。以空氣齡、通風(fēng)效率、PMV 等參數(shù)作為通風(fēng)性能評價指標，對三種建筑結(jié)構(gòu)形式（內(nèi)廊式、外廊式、雙廊式）的自然通風(fēng)效果進行對比與優(yōu)化。研究結(jié)果分析表明：

1）建筑結(jié)構(gòu)形式、通風(fēng)面積因子等因素對建筑自然通風(fēng)效果有顯著影響。內(nèi)廊式建筑和外廊式建筑的整體自然通風(fēng)氣流組織形式良好，雙廊式建筑由于中間結(jié)構(gòu)，阻礙通風(fēng)流暢性，背風(fēng)區(qū)房間通風(fēng)效果不佳。

2）通風(fēng)效果穩(wěn)定的情況下，加大通風(fēng)口面積可以提高自然通風(fēng)利用率，通風(fēng)口面積因子增加到 80%以后，繼續(xù)增加通風(fēng)口面積，自然通風(fēng)的通風(fēng)效率不會發(fā)生顯著變化。

3）綜合評價，對比于外廊式和雙廊式建筑，內(nèi)廊式教室在自然通風(fēng)模式中熱穩(wěn)定性和通風(fēng)效率更佳。在滿足室內(nèi)熱環(huán)境穩(wěn)定性與舒適性的條件下，內(nèi)廊式建筑結(jié)構(gòu)更適用于教學(xué)建筑。結(jié)合工程設(shè)計經(jīng)驗值，可以通過調(diào)整內(nèi)墻窗墻比參數(shù)（25%左右），進一步優(yōu)化自然通風(fēng)效果。