許江英，陳 宏，熊魚(yú)雅

引言

2020 年，一場(chǎng)突如其來(lái)的新冠疫情席卷全球，給人類(lèi)社會(huì)造成了難以估量的損失，并加劇了全球健康危機(jī)。我們生活和工作的室內(nèi)環(huán)境是傳染病傳播最常見(jiàn)的場(chǎng)所。既有研究表明，室內(nèi)有效的自然通風(fēng)可以預(yù)防傳染病傳播[1]、有利于健康，且相比于空調(diào)環(huán)境，人體處于自然通風(fēng)環(huán)境中的舒適度更高[2]。此外，自然通風(fēng)是降低空調(diào)能耗的主要被動(dòng)式策略。因此，建筑自然通風(fēng)在保證人們健康、舒適的同時(shí)可有效減少建筑能耗和環(huán)境污染[3]，對(duì)“健康中國(guó)2030”1）及“中國(guó)2030 碳達(dá)峰”2）均具有重要意義。

在過(guò)去的30 年中，國(guó)內(nèi)外學(xué)者們展開(kāi)了一系列關(guān)于建筑自然通風(fēng)的研究，并發(fā)表了大量論文，這使得建筑自然通風(fēng)的研究重點(diǎn)和現(xiàn)狀難以掌握。當(dāng)前國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)建筑自然通風(fēng)研究的綜述型文章大多從單一視角切入，如技術(shù)[4]、效果[5]、應(yīng)用[6]等，且多依時(shí)間進(jìn)度梳理進(jìn)展，但較少涉及國(guó)內(nèi)外研究的整體脈絡(luò)對(duì)比?；诖?，本文運(yùn)用文獻(xiàn)計(jì)量方法對(duì)國(guó)內(nèi)外建筑自然通風(fēng)研究的文獻(xiàn)進(jìn)行可視化分析，并對(duì)部分經(jīng)典文獻(xiàn)進(jìn)行梳理總結(jié)，以期對(duì)未來(lái)建筑自然通風(fēng)的深入研究提供參考和借鑒。

1 研究方法與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究方法

本文采用CiteSpace 和VOSviewer 作為文獻(xiàn)計(jì)量工具，兩款軟件均可以進(jìn)行文獻(xiàn)關(guān)鍵詞聚類(lèi)、演變等方面的分析，但是兩者各有特色。VOSviewer 可以通過(guò)美觀清晰的不同色調(diào)密度視圖展示研究熱點(diǎn)；CiteSpace 則更擅長(zhǎng)關(guān)鍵詞的突變分析來(lái)展示研究脈絡(luò)和演化進(jìn)程，便于挖掘?qū)W科近期的研究前言。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

中、英文獻(xiàn)來(lái)源分別為CNKI 和Web of Science，檢索時(shí)間為1990年1 月1 日至2020年12 月31 日。為全面搜集相關(guān)文獻(xiàn)，通過(guò)以下方式進(jìn)行文獻(xiàn)檢索[7]。（1）直接檢索：分別運(yùn)用專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)“自然通風(fēng)、單面/側(cè)/向通風(fēng)、交叉/對(duì)流/雙向通風(fēng)、穿堂風(fēng)”與“建筑”，“natural ventilation、single-side ventilation、cross ventilation”與“building”組合進(jìn)行高級(jí)主題檢索；（2）追溯檢索：在上一步檢索到的文獻(xiàn)中，利用類(lèi)似相關(guān)關(guān)鍵詞，包括“住宅、辦公、大空間、體育館”，“residen＊、offic＊、universit＊”等進(jìn)行追溯檢索；（3）循環(huán)檢索：循環(huán)前2 步的檢索，將相關(guān)度高的文獻(xiàn)納入進(jìn)來(lái)。以CNKI“全部期刊”作為來(lái)源共得到中文文獻(xiàn)3049 篇，以Web of Science 的核心集“全部期刊”為來(lái)源共得到外文文獻(xiàn)4068 篇。其中建筑科學(xué)領(lǐng)域的“重要期刊”3）中文569 篇，外文466 篇。

2 國(guó)內(nèi)外研究總體概況

總體分析包括年發(fā)文量、建筑科學(xué)領(lǐng)域代表期刊兩方面。年發(fā)文量以“全部期刊”的檢索結(jié)果進(jìn)行分析，充分體現(xiàn)發(fā)文趨勢(shì)；代表期刊以具有一定權(quán)威性的“重要期刊”檢索結(jié)果分析，進(jìn)一步展示研究背景與整體格局。

2.1 年發(fā)文量

文獻(xiàn)數(shù)量反應(yīng)該領(lǐng)域?qū)W術(shù)研究受關(guān)注程度的變化。比較中英文獻(xiàn)各年度發(fā)表量，國(guó)內(nèi)外呈現(xiàn)不同的發(fā)展趨勢(shì)。分別對(duì)1990～2020 年間3049 篇中文文獻(xiàn)及4068 篇英文文獻(xiàn)進(jìn)行發(fā)文量分布指數(shù)擬合分析，兩曲線的擬合度（R2）分別達(dá)到0.8523、0.8382，可認(rèn)為在該時(shí)間段內(nèi)有關(guān)建筑自然通風(fēng)的中文文獻(xiàn)數(shù)量呈乘冪型增長(zhǎng)，英文文獻(xiàn)數(shù)量呈指數(shù)型增長(zhǎng)（圖1）。

圖1 以建筑自然通風(fēng)為研究主題的期刊論文年發(fā)表量

相關(guān)研究最早出現(xiàn)在1990 年，前期總體發(fā)文量較少。國(guó)外建筑自然通風(fēng)相關(guān)研究的發(fā)文量在1996 年之后快速上升，尤其2010 至2019年間發(fā)文量呈現(xiàn)井噴式增長(zhǎng)。國(guó)內(nèi)發(fā)文量呈現(xiàn)較大的波動(dòng)性，2003年是重要的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，該年非典的爆發(fā)使人們認(rèn)識(shí)到建筑自然通風(fēng)對(duì)健康的重要性，在此之前相關(guān)研究較少，而該年相關(guān)研究隨之增加，至2016年發(fā)文量達(dá)到最高點(diǎn)；而近年來(lái)隨著非典熱潮的褪去發(fā)文量略有下滑。建筑自然通風(fēng)作為直接影響人們健康的重要因素，2020年新冠疫情的爆發(fā)可能促進(jìn)2020 年之后相關(guān)發(fā)文量出現(xiàn)新的增長(zhǎng)趨勢(shì)。

2.2 代表期刊

將檢索到的論文發(fā)表期刊整理，得到建筑自然通風(fēng)代表期刊旭日?qǐng)D。從期刊刊文量來(lái)看，國(guó)外建筑自然通風(fēng)研究成果主要發(fā)表在《Building and Environment》、《Energy and Building》、《Building Simulation》、《Indoor Air》等期刊（圖2），分別為178 篇、157 篇、28 篇、24 篇，合計(jì)占比83%。這四種期刊的影響因子分別為4.971、4.867、2.472、4.739，均是建筑領(lǐng)域的重量級(jí)SCI 期刊。國(guó)內(nèi)論文主要發(fā)表在《暖通空調(diào)》、《建筑節(jié)能》、《建筑科學(xué)》、《建筑學(xué)報(bào)》、《工業(yè)建筑》等期刊（圖3），分別為175 篇、135 篇、93 篇、35 篇、34 篇，合計(jì)占比83%。這五種期刊的影響因子分別為0.955、0.659、1.093、1.745、0.828，均是建筑科學(xué)領(lǐng)域的重要期刊。

圖2 國(guó)外建筑自然通風(fēng)研究的代表期刊

圖3 國(guó)內(nèi)建筑自然通風(fēng)研究的代表期刊

3 國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展

3.1 國(guó)外研究進(jìn)展

3.1.1 研究熱點(diǎn)

利用VOSviewer 對(duì)國(guó)外建筑自然通風(fēng)研究相關(guān)文獻(xiàn)的關(guān)鍵詞進(jìn)行共現(xiàn)分析（圖4），對(duì)檢索到的4068 篇外文文獻(xiàn)的關(guān)鍵詞進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，將其中高頻出現(xiàn)的581 個(gè)關(guān)鍵詞劃分為5 個(gè)聚類(lèi)。聚類(lèi)內(nèi)部的關(guān)鍵詞出現(xiàn)頻次越高，共現(xiàn)分析圖中的圓球越大，也表明該關(guān)鍵詞是該聚類(lèi)的熱點(diǎn)研究主題。但是由于相同概念有多個(gè)詞語(yǔ)表達(dá)（如圖4 中energy、energy efficiency 均表征建筑能耗），因此圓球大小并不能很好地表征聚類(lèi)的研究主題，所以類(lèi)似關(guān)鍵詞的合并對(duì)于聚類(lèi)的熱點(diǎn)主題分析尤為重要。此外有些聚類(lèi)中各關(guān)鍵詞間聯(lián)系弱，沒(méi)有明顯的主題特征，并不能表達(dá)該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，因此在熱點(diǎn)分析中可忽略?；诖?，可將研究主題重新歸置為以下四類(lèi)：一是空氣質(zhì)量與人體健康，關(guān)鍵詞包括健康（health）、癥狀（symptoms）、室內(nèi)空氣質(zhì)量（indoor air quality）、PM2.5 等；二是熱舒適性與建筑能耗，關(guān)鍵詞包括熱舒適（thermal comfort）、能源（energy）、能源效率（energy efficiency）等；三是行為管理研究，關(guān)鍵詞包括行為（behavior）、管理（management）等；四是研究方法的范疇，關(guān)鍵詞包括cfd、大渦模擬（large-eddy simulation）、湍流模型（turbulence models）、風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)（wind tunnel experiment）等；這四個(gè)聚類(lèi)基本表征了國(guó)外建筑自然通風(fēng)領(lǐng)域近30 年來(lái)主要的研究熱點(diǎn)及方法。

圖4 國(guó)外建筑自然通風(fēng)研究關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析

（1）空氣質(zhì)量與人體健康

人們90%的時(shí)間在室內(nèi)度過(guò)，室內(nèi)空氣質(zhì)量（IAQ）對(duì)人們身心健康起著重要作用[8]。自然通風(fēng)是改善IAQ、減少建筑病態(tài)綜合征的重要方面[9]。開(kāi)窗是實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng)的必要條件，但這會(huì)降低室內(nèi)熱舒適[10]，因此開(kāi)窗必須滿足適當(dāng)寬度和時(shí)長(zhǎng)才能保證健康和熱舒適需求。值得注意的是，IAQ 會(huì)因?yàn)殚_(kāi)窗而受到室外污染的影響，因此建筑能否自然通風(fēng)與其周邊的微氣候環(huán)境息息相關(guān)。交通污染是街谷污染物的重要來(lái)源之一，Yang[11]等探究了交通污染物在不同開(kāi)窗比條件下對(duì)臨近交通干道建筑IAQ 的影響，Tong 等進(jìn)一步探究了不同建筑參數(shù)的影響[12]。除了街區(qū)尺度，城市區(qū)域尺度的大氣污染也會(huì)降低建筑的自然通風(fēng)潛力。Tong 基于中國(guó)的大氣環(huán)境質(zhì)量估算了主要城市的自然通風(fēng)潛力[13]，發(fā)現(xiàn)冬季北方的自然通風(fēng)潛力小于南方。由此看來(lái)如何改善北方室外環(huán)境質(zhì)量從而提高建筑的自然通風(fēng)潛力是一個(gè)值得關(guān)注的課題。

（2）熱舒適性與建筑能耗

人們對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的滿意度通常被稱(chēng)為熱舒適，它是評(píng)估建筑性能的重要方面。C·andido[14]及Kwong[15]等人發(fā)現(xiàn)高風(fēng)速可以增大熱舒適范圍，自然通風(fēng)建筑由于其較高的風(fēng)速而具有較寬泛的熱舒適范圍[16]。通常單側(cè)通風(fēng)建筑更難獲得良好的自然通風(fēng)條件而導(dǎo)致其室內(nèi)熱舒適較差，為此學(xué)者們做了大量研究。Montazeri[17]、D.Cui[18]和S.Omrani[19]等人發(fā)現(xiàn)單側(cè)通風(fēng)建筑的陽(yáng)臺(tái)對(duì)其附屬空間的熱舒適具有明顯改善作用。人們?cè)谧非笫孢m的同時(shí)難免使用機(jī)械設(shè)備造成建筑能耗增加，因此關(guān)于熱舒適與建筑能耗的研究是同時(shí)展開(kāi)的。從節(jié)能角度考慮，自然通風(fēng)是一種理想方式，它可以通過(guò)降溫達(dá)到節(jié)能目的[20，21]，但其不穩(wěn)定性導(dǎo)致它很難滿足全時(shí)段熱舒適需求，因此自然通風(fēng)需要與暖通空調(diào)相結(jié)合。隨著建筑設(shè)備自動(dòng)化發(fā)展，利用窗戶自動(dòng)開(kāi)關(guān)系統(tǒng)控制自然通風(fēng)的技術(shù)得到廣泛研究[22，23]，將該策略集合到混合通風(fēng)中可節(jié)省大量能源[24]，在未來(lái)的研究中勢(shì)必更加關(guān)注智能控制對(duì)建筑能耗的降低作用，更好地促進(jìn)建筑可持續(xù)發(fā)展。

（3）行為管理

自然通風(fēng)與人的行為密切相關(guān)，因此對(duì)自然通風(fēng)的研究離不開(kāi)人的行為，關(guān)于人行為的研究主要體現(xiàn)在兩大方面。第一是人的行為對(duì)于建筑能耗的影響[25]，Sorgato[26]和Cedeno[27]等人均發(fā)現(xiàn)人的開(kāi)窗行為對(duì)建筑能耗具有明顯降低作用。第二是關(guān)于人開(kāi)窗行為的預(yù)測(cè)與控制。Zhang[28]等探究了自然通風(fēng)建筑預(yù)測(cè)窗戶開(kāi)啟和風(fēng)扇使用的方法。Schulze[29]等人嘗試制定自然通風(fēng)建筑在保證空氣質(zhì)量、熱舒適前提下最節(jié)能的開(kāi)窗行為控制方案。由此可知，人的行為不僅與建筑性能相關(guān)，而且對(duì)于人行為的考慮可改善當(dāng)前設(shè)計(jì)階段自然通風(fēng)性能預(yù)測(cè)的不準(zhǔn)確性，通過(guò)大數(shù)據(jù)挖掘人的環(huán)境控制行為偏好是一個(gè)很好的研究課題。

3.1.2 研究趨勢(shì)

關(guān)鍵詞突變（Burst Detection）用于表征短期內(nèi)關(guān)鍵詞的躍遷現(xiàn)象，有助于把握某領(lǐng)域各階段研究熱點(diǎn)。通過(guò)CiteSpace 對(duì)4068 篇英文文獻(xiàn)進(jìn)行關(guān)鍵詞突變分析，得到國(guó)外研究發(fā)展趨勢(shì)（圖5）。國(guó)外建筑自然通風(fēng)研究主要包括4 個(gè)階段：（1）1990～2004 年，研究重點(diǎn)關(guān)注空氣質(zhì)量和人體健康，“病態(tài)建筑綜合征（sick building syndrome）、患病率（prevalence）、空氣質(zhì)量（indoor air quality）、暴露（exposure）”等關(guān)鍵詞出現(xiàn)頻率較高；（2）2005～2010年，研究方法是重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象，新突現(xiàn)的關(guān)鍵詞有CFD（computational fluid dynamics）、風(fēng)洞試驗(yàn)（wind tunnel experiment）、模擬（simulation）等；（3）2011～2015，新突現(xiàn)的關(guān)鍵詞較為廣泛，主要有熱舒適（thermal comfort）、效率（efficiency）、可持續(xù)發(fā)展（sustainability）等，研究?jī)?nèi)容主要集中在建筑熱舒適和建筑節(jié)能；（4）2016～2020，新突現(xiàn)的關(guān)鍵詞集中在污染物擴(kuò)散和研究方法兩方面，“污染物擴(kuò)散（pollutant dispersion）、大渦模擬（large eddy simulation）、深度/機(jī)器學(xué)習(xí)（deep/ machine learning）等關(guān)鍵詞出現(xiàn)頻率較高。

圖5 國(guó)外建筑自然通風(fēng)研究關(guān)鍵詞突變分析

總體上，國(guó)外建筑自然通風(fēng)的研究表現(xiàn)為兩方面的趨勢(shì)。首先，研究?jī)?nèi)容趨于多元化，從早期僅關(guān)注空氣質(zhì)量與人體健康到后期關(guān)注熱舒適、節(jié)能、可持續(xù)發(fā)展等。雖然對(duì)于室內(nèi)空氣質(zhì)量的研究熱度一直未減，但研究視角由空氣質(zhì)量對(duì)人體健康的影響機(jī)制轉(zhuǎn)向污染物的擴(kuò)散規(guī)律。研究者開(kāi)始探索建筑物周邊環(huán)境對(duì)污染物跨戶傳播的影響[30]以及污染物在室內(nèi)各空間的傳播規(guī)律[31，32]。其次，研究方法更加注重新方法的引入，在最新發(fā)表的論文中，跨學(xué)科研究是一個(gè)顯著的特征。如通過(guò)敏感性分析[33]等定量方法測(cè)度建筑形態(tài)要素與建筑環(huán)境性能的關(guān)聯(lián)性；在建筑方案設(shè)計(jì)階段引入計(jì)算機(jī)人工智能與數(shù)值模擬平臺(tái)耦合，依賴(lài)計(jì)算機(jī)的人工智能算法，反向自動(dòng)生成自然通風(fēng)性能最優(yōu)的建筑設(shè)計(jì)方案[34]。

3.2 國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展

3.2.1 研究熱點(diǎn)

用同樣的方法對(duì)國(guó)內(nèi)建筑自然通風(fēng)的研究進(jìn)行關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析（圖6），可將近30 年的研究熱點(diǎn)重新歸置為以下四類(lèi)：一是建筑節(jié)能，關(guān)鍵詞包括建筑節(jié)能、節(jié)能設(shè)計(jì)、建筑能耗等；二是熱環(huán)境，關(guān)鍵詞包括熱環(huán)境、熱舒適、室內(nèi)熱環(huán)境等；三是綠色建筑，關(guān)鍵詞包括綠色建筑、建筑設(shè)計(jì)、生態(tài)建筑、低能耗建筑等；四是研究方法的范疇，關(guān)鍵詞包括數(shù)值模擬、cfd、計(jì)算流體力學(xué)等；這4 個(gè)聚類(lèi)基本表征了國(guó)內(nèi)建筑自然通風(fēng)研究近30 年來(lái)主要的研究熱點(diǎn)及方法。

圖6 國(guó)內(nèi)建筑自然通風(fēng)研究關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析

（1）建筑節(jié)能

自然通風(fēng)可以顯著減少空調(diào)的使用，降低建筑能耗[35]48-49，國(guó)內(nèi)對(duì)于建筑自然通風(fēng)的研究重點(diǎn)為建筑節(jié)能，主要體現(xiàn)在兩方面。第一是自然通風(fēng)的節(jié)能效果，研究表明自然通風(fēng)可以減少體育館約84.7%的機(jī)械通風(fēng)時(shí)間[36]，同時(shí)它對(duì)于居住建筑臥室的節(jié)能效果也非常顯著，尤其是南向臥室[37]。第二是節(jié)能分析對(duì)自然通風(fēng)潛力的預(yù)測(cè)。由于自然通風(fēng)是降低能耗的重要手段，因此節(jié)能分析也成為自然通風(fēng)潛力評(píng)價(jià)的重要方法[38]。黃河[39]等開(kāi)發(fā)了自然通風(fēng)及建筑能耗的全年逐時(shí)模擬軟件DeST-Vent+，通過(guò)對(duì)不同自然通風(fēng)條件下建筑的全年空調(diào)能耗模擬來(lái)分析不同自然通風(fēng)形式的節(jié)能潛力。針對(duì)建筑節(jié)能的研究一直保持熱度，在我國(guó)已成為世界上消耗能源最多的國(guó)家之一的背景下，對(duì)于自然通風(fēng)節(jié)能方面的研究在未來(lái)依舊值得關(guān)注。

（2）熱舒適性

熱舒適性研究主要包括自然通風(fēng)條件下的熱舒適性能評(píng)價(jià)以及自然通風(fēng)對(duì)熱舒適的影響研究。熱舒適性能研究通常采用實(shí)地調(diào)查的方式展開(kāi)，研究廣度涉及不同城市[40]、不同季節(jié)[41]、不同人群[42]。涵蓋建筑類(lèi)型廣泛，其中住宅類(lèi)建筑最多，公建類(lèi)建筑比例較多,其余類(lèi)型建筑較少[43]。自然通風(fēng)對(duì)熱舒適的影響研究主要體現(xiàn)在氣候適應(yīng)性、建筑熱工性能兩方面。閆海燕等[44]比較了干熱和濕熱氣候?qū)θ梭w熱反應(yīng)的影響，結(jié)果顯示自然通風(fēng)條件下氣候可改變?nèi)藢?duì)環(huán)境的適應(yīng)能力，不同氣候條件下風(fēng)速對(duì)人們熱舒適的改善效果不同，風(fēng)速在濕熱地區(qū)更有效。王仙玲[45]173-175分析了遮陽(yáng)與自然通風(fēng)耦合作用下百葉參數(shù)對(duì)室內(nèi)熱舒適的影響。袁麗婷等[46]揭示了外墻、外窗傳熱系數(shù)對(duì)自然通風(fēng)建筑室內(nèi)熱舒適的影響規(guī)律，當(dāng)窗墻比小于0.6 時(shí)，加強(qiáng)外墻保溫可更有效地提高室內(nèi)熱舒適性，當(dāng)窗墻面積比大于0.6 時(shí)，加強(qiáng)外窗保溫更有效。

（3）綠色建筑

綠色建筑的“綠色”是指建筑充分利用被動(dòng)式技術(shù)為人們提供健康、適用和高效的使用空間。綠色建筑包括節(jié)地、節(jié)能、節(jié)材、節(jié)水、環(huán)保，其中節(jié)能作為綠色建筑評(píng)價(jià)的重要方面，一直是綠色建筑自然通風(fēng)研究的重點(diǎn)，同時(shí)也會(huì)涉及自然通風(fēng)對(duì)室內(nèi)環(huán)境的調(diào)節(jié)作用[47]170-171。當(dāng)前綠色建筑的自然通風(fēng)研究以公共建筑為主，包含體育建筑[47]、交通建筑[48]、辦公建筑[49]等。相關(guān)研究正在逐步用定量方法研究如何優(yōu)化建筑形態(tài)、開(kāi)窗等，為綠色建筑設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。如采用CFD 對(duì)自然通風(fēng)環(huán)境進(jìn)行模擬，避免了定性分析的不確定性，還可以對(duì)不同的建筑方案進(jìn)行比較，選取最優(yōu)方案[50]。

3.2.2 研究趨勢(shì)

通過(guò)Citespace 對(duì)3049 篇中文文獻(xiàn)進(jìn)行關(guān)鍵詞突變分析，得到建筑自然通風(fēng)研究的發(fā)展趨勢(shì)（圖7）。2006 年之前，國(guó)內(nèi)建筑自然通風(fēng)研究處于初始階段，暫未出現(xiàn)突現(xiàn)關(guān)鍵詞；之后共經(jīng)歷3 個(gè)發(fā)展階段：（1）2006～2009 年，研究?jī)?nèi)容主要集中在自然通風(fēng)的原理及生態(tài)可持續(xù)兩個(gè)方面；（2）2010～2013，研究主題為綠色建筑及節(jié)能；（3）2013～2020，新突現(xiàn)的研究重點(diǎn)關(guān)注CFD 數(shù)值模擬及室內(nèi)環(huán)境。

圖7 國(guó)內(nèi)建筑自然通風(fēng)研究關(guān)鍵詞突變分析

總體上，國(guó)內(nèi)建筑自然通風(fēng)領(lǐng)域的研究表現(xiàn)為兩方面的趨勢(shì)。首先，研究目標(biāo)由建筑節(jié)能轉(zhuǎn)向室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量提升?！熬G色建筑”在近10 年一直是眾多學(xué)者研究的重點(diǎn)，建筑節(jié)能作為綠色建筑的重要方面，在建筑自然通風(fēng)的研究中一直備受關(guān)注，“綠色建筑設(shè)計(jì)、建筑節(jié)能設(shè)計(jì)、綠色節(jié)能”等關(guān)鍵詞在近10 年突現(xiàn)出來(lái)（圖7）。2016 年國(guó)家發(fā)布了《“健康中國(guó)2030”規(guī)劃綱要》，健康建筑得到重視，建筑自然通風(fēng)的研究焦點(diǎn)轉(zhuǎn)向室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量的提升，由此“氣流組織、換氣次數(shù)”等關(guān)鍵詞突現(xiàn)出來(lái)（圖7）。研究表明自然通風(fēng)較機(jī)械通風(fēng)更易營(yíng)造良好的室內(nèi)環(huán)境[51，52]，因此利用自然通風(fēng)改善室內(nèi)環(huán)境是未來(lái)研究的重點(diǎn)。其次，研究對(duì)象更加多樣化，“辦公建筑、住宅建筑、體育館”等關(guān)鍵詞突現(xiàn)出來(lái)。對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)一步梳理發(fā)現(xiàn)，居住建筑自然通風(fēng)研究重點(diǎn)關(guān)注窗戶[53]、天井[54]、陽(yáng)臺(tái)[55]、建筑朝向及平面布局[35]47-48對(duì)通風(fēng)效果的影響，辦公建筑重點(diǎn)探究幕墻通風(fēng)器[56]、中庭邊庭[57]等對(duì)通風(fēng)效果的改善作用，大空間建筑則主要聚焦通風(fēng)口[58，59]、建筑形態(tài)[60，61]等。區(qū)別于前期自然通風(fēng)原理與節(jié)能的研究，后期更加關(guān)注通過(guò)建筑設(shè)計(jì)改善人們的生活品質(zhì)。

4 國(guó)內(nèi)外研究對(duì)比

4.1 研究基礎(chǔ)及研究?jī)?nèi)容的對(duì)比

從研究基礎(chǔ)上來(lái)看，國(guó)外在建筑自然通風(fēng)領(lǐng)域的研究占據(jù)絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，且發(fā)展較為成熟，整體呈現(xiàn)指數(shù)增長(zhǎng)。相比之下，國(guó)內(nèi)建筑自然通風(fēng)的研究還處于發(fā)展初級(jí)階段，發(fā)文量在2003 年非典后才開(kāi)始呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，且近年來(lái)伴隨著非典熱潮的褪去略微有所下降，持續(xù)性的研究仍較為缺乏（圖1）。受?chē)?guó)家政策與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的影響，文獻(xiàn)數(shù)量整體表現(xiàn)為量少，分布期刊質(zhì)量也有待進(jìn)一步提升。

從研究?jī)?nèi)容及研究趨勢(shì)上看，國(guó)外學(xué)術(shù)界在建筑自然通風(fēng)領(lǐng)域的研究重點(diǎn)關(guān)注室內(nèi)空氣質(zhì)量與人體健康。其發(fā)展過(guò)程經(jīng)歷了較為明顯的轉(zhuǎn)變：研究?jī)?nèi)容由早期空氣質(zhì)量對(duì)人體健康的影響機(jī)制轉(zhuǎn)向自然通風(fēng)下污染物的擴(kuò)散問(wèn)題（圖8）。而我國(guó)建筑自然通風(fēng)領(lǐng)域的研究?jī)?nèi)容較為廣泛，熱點(diǎn)多元，之后的一段時(shí)間內(nèi)重點(diǎn)關(guān)注綠色建筑與建筑能耗，近年來(lái)開(kāi)始基于數(shù)值模擬技術(shù)探究室內(nèi)空氣質(zhì)量的改善問(wèn)題（圖8）。自然通風(fēng)對(duì)于室內(nèi)空氣質(zhì)量的調(diào)節(jié)作用很大程度上取決于室外環(huán)境，我國(guó)北方城市冬季由于采暖而產(chǎn)生的環(huán)境污染問(wèn)題導(dǎo)致建筑的自然通風(fēng)潛力有限。因此基于室內(nèi)外環(huán)境耦合的角度去研究自然通風(fēng)對(duì)室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量的改善作用在我國(guó)具有重要意義。

圖8 國(guó)內(nèi)外建筑自然通風(fēng)研究熱點(diǎn)時(shí)區(qū)圖

國(guó)外建筑自然通風(fēng)的研究中對(duì)于人行為的考慮也一直是熱點(diǎn)，但國(guó)內(nèi)的研究對(duì)于人行為的關(guān)注度不多。而建筑自然通風(fēng)直接影響室內(nèi)舒適度，進(jìn)而影響人為的調(diào)控室內(nèi)環(huán)境。人的行為除了受到環(huán)境性能影響，也受私密性等心理因素的影響。當(dāng)前建筑性能模擬平臺(tái)中對(duì)于人的行為程序過(guò)于簡(jiǎn)化，不能真實(shí)反映人為調(diào)控環(huán)境的復(fù)雜性，影響了模擬預(yù)測(cè)的精確度，從而導(dǎo)致建筑投入使用后難以達(dá)到建筑設(shè)計(jì)的預(yù)期效果。在未來(lái)研究中應(yīng)充分利用數(shù)據(jù)挖掘人為調(diào)控環(huán)境的偏好、特定的需求等信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑使用者差異化需求的探索。結(jié)合統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)及問(wèn)卷調(diào)查數(shù)據(jù)，開(kāi)展多源數(shù)據(jù)支持的建筑自然通風(fēng)優(yōu)化設(shè)計(jì)將成為未來(lái)國(guó)內(nèi)研究的一個(gè)趨勢(shì)。

4.2 研究方法的對(duì)比

從研究方法上來(lái)看，國(guó)外學(xué)者對(duì)于研究方法的探究要多于國(guó)內(nèi)，在CiteSpace 的關(guān)鍵詞突現(xiàn)分析中，國(guó)外共有8 個(gè)與研究方法相關(guān)的關(guān)鍵詞突現(xiàn)出來(lái)，而國(guó)內(nèi)僅有3 個(gè)。無(wú)論是實(shí)驗(yàn)還是數(shù)值模擬的方法，相關(guān)關(guān)鍵詞在國(guó)外突現(xiàn)出來(lái)的時(shí)間均早于國(guó)內(nèi)，國(guó)內(nèi)對(duì)于研究方法的研究仍處于起步階段。國(guó)外近兩年更加注重新方法的引入，關(guān)于研究方法的探究轉(zhuǎn)向了跨學(xué)科，學(xué)者們嘗試在建筑方案設(shè)計(jì)階段引入計(jì)算機(jī)人工智能與數(shù)值模擬平臺(tái)耦合，依賴(lài)計(jì)算機(jī)的人工智能算法反向自動(dòng)生成建筑設(shè)計(jì)方案。相比于國(guó)外，國(guó)內(nèi)關(guān)于該方面的研究較少，關(guān)鍵詞突現(xiàn)分析中并沒(méi)有相關(guān)關(guān)鍵詞突現(xiàn)出來(lái)（圖9）。

圖9 國(guó)內(nèi)外建筑自然通風(fēng)研究方法時(shí)區(qū)圖

傳統(tǒng)的自然通風(fēng)研究方法包括實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬兩大類(lèi)，其中實(shí)驗(yàn)包括實(shí)測(cè)和風(fēng)洞試驗(yàn)兩種。風(fēng)洞試驗(yàn)最早出現(xiàn)在國(guó)外，其結(jié)果通常被用于與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比，進(jìn)而驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的有效性[62]。相較于數(shù)值模擬，實(shí)測(cè)和風(fēng)洞試驗(yàn)的成本高、周期長(zhǎng)，難以同時(shí)研究不同方案，近幾年并沒(méi)有太多發(fā)展。而數(shù)值模擬方法具有快速簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確有效、成本較低等優(yōu)點(diǎn)，受到研究者的青睞。同時(shí)隨著現(xiàn)今計(jì)算機(jī)科技的發(fā)展，數(shù)值模擬的周期和經(jīng)濟(jì)成本也大大降低，成為近年來(lái)國(guó)內(nèi)外研究自然通風(fēng)的熱點(diǎn)研究方法。

數(shù)值模擬常用模型主要包括計(jì)算流體力學(xué)模型（CFD）、多區(qū)域網(wǎng)絡(luò)模型（multi-zone）、耦合模型3 種，其中CFD 模型精確度最高，耦合模型次之，多區(qū)域網(wǎng)絡(luò)模型最差[63]（表1）。CFD 模型主要用于初步設(shè)計(jì)階段對(duì)室內(nèi)氣流及溫度分布的預(yù)測(cè)，如建立模型對(duì)不同朝向或幾何形態(tài)的建筑通風(fēng)情況進(jìn)行分析，研究朝向、形態(tài)[64]59-62及開(kāi)口幾何參數(shù)[65]18-22等眾多影響因素對(duì)自然通風(fēng)性能的影響，該模型常用的軟件有ANSYS Fluent[65]18，PHOENICS[64]58、Fluent Airpak[66]等。CFD 模型是近10 年來(lái)建筑自然通風(fēng)領(lǐng)域?qū)W者們最常用的數(shù)值模擬方法，其使用率遠(yuǎn)超其他兩種模型。國(guó)外學(xué)者對(duì)于CFD 模型的熱度不減，相比之下國(guó)內(nèi)近兩三年略有下降（圖10）。多區(qū)網(wǎng)絡(luò)模型在美國(guó)、英國(guó)等國(guó)家起步較早，且已發(fā)展到較為成熟的階段，主要用于不同自然通風(fēng)條件下室內(nèi)環(huán)境品質(zhì)的比較[67]。CONTAM 和COMIS 是自然通風(fēng)研究最流行的多區(qū)域模型[68]。耦合模型是近年來(lái)為結(jié)合CFD 模型與多區(qū)域網(wǎng)絡(luò)模型優(yōu)點(diǎn)而發(fā)展起來(lái)的一種新方法，主要用于探究交通污染對(duì)臨街建筑室內(nèi)環(huán)境的影響[69]。國(guó)外學(xué)者對(duì)多區(qū)域模型及耦合模型的使用頻率遠(yuǎn)高于國(guó)內(nèi)，相對(duì)而言，國(guó)內(nèi)學(xué)者更愿意采用CFD 模型來(lái)研究建筑的自然通風(fēng)問(wèn)題（圖10）。

表1 建筑自然通風(fēng)領(lǐng)域研究方法簡(jiǎn)表

圖10 國(guó)內(nèi)外近十年重要期刊文獻(xiàn)的數(shù)值模擬方法對(duì)比

智能優(yōu)化方法是自然通風(fēng)領(lǐng)域近幾年引入的新方法，其在國(guó)外出現(xiàn)較早，且近幾年的相關(guān)研究也較多，關(guān)鍵詞突現(xiàn)較為明顯（圖9）。而國(guó)內(nèi)的智能優(yōu)化方法起步較晚，暫無(wú)關(guān)鍵詞突現(xiàn)。智能優(yōu)化方法依據(jù)其不同的技術(shù)特征可分為“基于CFD 數(shù)值模擬的優(yōu)化[71]”、“基于風(fēng)洞試驗(yàn)的優(yōu)化[72]”和“基于代理模型的優(yōu)化[73]102-104”3 種?；贑FD 的優(yōu)化方法是指在方案階段耦合CFD 與優(yōu)化算法進(jìn)行迭代尋優(yōu)，但由于CFD 大量模擬計(jì)算比較耗時(shí)，針對(duì)該缺點(diǎn)，研究者提出基于風(fēng)洞試驗(yàn)及代理模型的優(yōu)化方法。既有研究對(duì)這3 種優(yōu)化方法的原理、技術(shù)特點(diǎn)及優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)闡述和對(duì)比[73]100-104。優(yōu)化的基本流程如下：首先，遴選變量作為優(yōu)化的目標(biāo)；然后采用各種技術(shù)模型試驗(yàn)探究各影響因素對(duì)于目標(biāo)函數(shù)的影響；最后對(duì)得到的結(jié)果進(jìn)行評(píng)估，尋找優(yōu)秀的基因形成優(yōu)秀方案（圖11）。這種基于建筑性能的反向生成式優(yōu)化方法，已經(jīng)成為當(dāng)今建筑性能優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要方法，且在方案階段的優(yōu)化設(shè)計(jì)中發(fā)揮著重要作用。

圖11 自然通風(fēng)性能優(yōu)化流程

總結(jié)與拓展

借由對(duì)1990～2020 年國(guó)內(nèi)外建筑自然通風(fēng)研究的文獻(xiàn)計(jì)量與可視化分析，從文獻(xiàn)數(shù)量、期刊分布對(duì)研究現(xiàn)狀進(jìn)行了概述。以此為基礎(chǔ)再對(duì)研究熱點(diǎn)與研究趨勢(shì)進(jìn)行綜合分析。綜上所述可以發(fā)現(xiàn)目前國(guó)內(nèi)外建筑自然通風(fēng)研究的特點(diǎn)以及需要注意的問(wèn)題：

國(guó)內(nèi)建筑自然通風(fēng)的研究與國(guó)外相比還處于發(fā)展初級(jí)階段，持續(xù)性研究仍較為缺乏。且國(guó)內(nèi)大量研究仍停留在綠色建筑的節(jié)能性分析、節(jié)能設(shè)計(jì)策略等階段。就自然通風(fēng)本身而言，對(duì)建筑自然通風(fēng)下空氣質(zhì)量與健康的問(wèn)題鮮有探討。此外，研究過(guò)程缺乏對(duì)使用者行為的考慮，這會(huì)造成預(yù)測(cè)階段結(jié)果精度降低。

結(jié)合對(duì)研究領(lǐng)域現(xiàn)實(shí)認(rèn)識(shí)與圖譜分析可知，未來(lái)研究和實(shí)踐可從以下幾方面做出創(chuàng)新貢獻(xiàn)：

（1）探索室內(nèi)外耦合下的室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量提升策略。建筑周邊的微氣候環(huán)境直接影響建筑周?chē)娘L(fēng)場(chǎng)及建筑的通風(fēng)能力。由此，充分考慮建筑周邊微氣候環(huán)境對(duì)建筑自然通風(fēng)的影響，基于實(shí)際天氣條件展開(kāi)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)探究室外微氣候環(huán)境對(duì)室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量的影響十分必要。

（2）開(kāi)展基于新方法新技術(shù)的開(kāi)窗行為研究。自然通風(fēng)通過(guò)改變室內(nèi)舒適度影響人為調(diào)控環(huán)境的頻率，同時(shí)人的行為也受私密性等心理因素影響。在未來(lái)的研究中應(yīng)注重分析整合復(fù)雜的使用者行為，通過(guò)新方法、新技術(shù)探究不同地域、類(lèi)型的人為調(diào)控環(huán)境偏好、特定需求等，實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑使用者差異化需求的探索。

（3）關(guān)注建筑的健康性能提升。2020 年新冠肺炎疫情將健康的關(guān)注推到新高度，建筑作為公共安全事件發(fā)生之時(shí)的緊急“避難所”，其是否具有“抗疫”功能是未來(lái)建筑設(shè)計(jì)關(guān)注的重點(diǎn)。因此，自然通風(fēng)條件下建筑室內(nèi)外的空氣交叉感染的隱患與建筑形態(tài)之間的關(guān)系將成為未來(lái)建筑科學(xué)領(lǐng)域研究的重中之重。

圖、表來(lái)源

文中圖、表均為作者繪制。

注釋

1）2016 年，中共中央、國(guó)務(wù)院正式發(fā)布了《“健康中國(guó)2030”規(guī)劃綱要》，推出未來(lái)十五年中國(guó)健康醫(yī)療衛(wèi)生發(fā)展景愿和目標(biāo)；

2）2015年，中國(guó)政府在巴黎氣候變化大會(huì)上提出“中國(guó)將于2030 年左右實(shí)現(xiàn)碳排放達(dá)到峰值并爭(zhēng)取盡早實(shí)現(xiàn)”的目標(biāo)；

3）重要期刊指2020 年由中國(guó)建筑學(xué)會(huì)公布的建筑科學(xué)領(lǐng)域高質(zhì)量科技期刊（T1-T3 級(jí)）；

4）精確度：不同模型的數(shù)值模擬結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證，模擬與實(shí)測(cè)越接近則準(zhǔn)確性越高。其中CFD 模擬采用大渦模擬的方法。