文／馮維佳 浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院 碩士研究生

楊 毅 浙江大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 院 長 博士生導(dǎo)師（通訊作者）

陳錦韜 浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院 碩士研究生

邢浩威 浙江大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 博士后

引言

2020年9月，習(xí)近平總書記在第七十五屆聯(lián)合國大會上提出，中國的二氧化碳排放量力爭于2030年前達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和[1]。建筑部門是能源消費(fèi)的三大領(lǐng)域（工業(yè)、交通、建筑）之一，造成了大量直接和間接的碳排放量。在當(dāng)前“雙碳”目標(biāo)背景下，建筑行業(yè)具有極大的減碳潛力。

自然通風(fēng)主要是指利用自然手段（熱壓、風(fēng)壓等）來促進(jìn)室內(nèi)空氣流動而進(jìn)行的通風(fēng)換氣方式，是當(dāng)今生態(tài)建筑采用的主要通風(fēng)方式[2]。研究發(fā)現(xiàn)，利用自然通風(fēng)來節(jié)省建筑能耗，降低建筑碳排放量是一種切實(shí)可行的方式，自然通風(fēng)的優(yōu)勢不僅在于它的節(jié)能，如果設(shè)計(jì)得當(dāng)，它還可以提升室內(nèi)環(huán)境的舒適性及空氣品質(zhì)[3]。

目前已有大量學(xué)者研究寒冷地區(qū)門斗及入口空間對室內(nèi)環(huán)境的影響。如王太洋等[4]對東北嚴(yán)寒地區(qū)商業(yè)建筑入口前庭形態(tài)進(jìn)行模擬研究，得出增加前庭平面外側(cè)面寬，減少內(nèi)側(cè)面寬可一定程度控制冷風(fēng)滲透問題的結(jié)論；安法潤等[5]通過流體力學(xué)軟件及多區(qū)域網(wǎng)絡(luò)模型軟件耦合計(jì)算，研究了有無陽臺情況下冬季濟(jì)南某高校宿舍室內(nèi)通風(fēng)情況，結(jié)果表明有陽臺時平均通風(fēng)量比無陽臺時低22.48m3/h，且有陽臺時東北和西南側(cè)宿舍通風(fēng)量最大。

但當(dāng)前缺少夏熱冬冷地區(qū)建筑門斗及入口空間對室內(nèi)風(fēng)環(huán)境影響的研究。為提高夏季和冬季建筑的能源利用效率，杭州地區(qū)建筑入口處常常設(shè)有門斗結(jié)構(gòu)，然而在過渡季節(jié)門斗可能會給室內(nèi)自然通風(fēng)帶來一定的影響。為提高門斗在春秋過渡季節(jié)的適應(yīng)能力，本文基于綠色建筑理念，利用PHOENICS軟件進(jìn)行模擬分析,對某建筑大廳門斗的自然通風(fēng)情況進(jìn)行了定量分析，為該建筑實(shí)現(xiàn)良好的自然通風(fēng)效果奠定了基礎(chǔ)，同時也為類似建筑大廳的自然通風(fēng)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了思路和參考。

1 研究方法

1.1 研究對象及邊界條件

本研究以杭州地區(qū)2005年5月1日的天氣狀況為環(huán)境條件，擬以一個設(shè)有門斗的長寬高為40×20×5m的大廳作為研究對象，以門斗的長寬比作為自變量，即依次將門斗的寬度調(diào)整為0m（即無門斗）、2m、2.67m、4m、8m（長寬比分別為0，4 : 1，3 : 1，2 : 1，1 : 1），其他條件均保持不變，進(jìn)行五次模擬。探究在給定環(huán)境條件背景下，門斗對大廳風(fēng)環(huán)境、壓力場產(chǎn)生的影響以及其長寬比對室內(nèi)風(fēng)環(huán)境產(chǎn)生的不同效果。

1.2 研究內(nèi)容

基于PHOENICS軟件對上節(jié)所述5種不同的門斗的門廳內(nèi)部空氣流場進(jìn)行模擬，對比分析三種不同情況下大廳內(nèi)氣流與溫度分布特點(diǎn)，并判斷門斗空間長寬比對大廳內(nèi)風(fēng)環(huán)境有何影響，得出最佳的門斗長寬比。

1.3 模型及參數(shù)設(shè)置

基于PHOENICS中計(jì)算域的設(shè)計(jì)原則，計(jì)算域設(shè)定為620×440×55m，分別對應(yīng)坐標(biāo)系X、Y、Z軸。計(jì)算域左側(cè)為進(jìn)風(fēng)口，右側(cè)為出風(fēng)口（圖1）。考慮模型的可行性與可操作性，將現(xiàn)實(shí)中的建筑簡化為下圖物理模型（圖2）。在大廳北面設(shè)有5×2.5m的出風(fēng)口。門斗保持長度（L）以及高度（H））尺寸不變（8×3.5m），以保證垂直風(fēng)向面積相等為28m2，門廳寬度分別采取0m、2m、2.67m、4m、8m進(jìn)行對比。

圖1 計(jì)算域大小及相對位置（圖片來源：作者自繪）

圖2 大廳出入風(fēng)口示意圖（圖片來源：作者自繪）

1.3.1 網(wǎng)格劃分

本次研究中劃分工具采用PHOENICS自帶網(wǎng)格工具進(jìn)行網(wǎng)格劃分，整體以均勻網(wǎng)格為基礎(chǔ)，X軸、Y軸方向于大廳內(nèi)部適當(dāng)加密。本例共劃分網(wǎng)格111×120×35個，共462000個。

1.3.2 邊界條件

風(fēng)場入口為計(jì)算域左側(cè)，以2005年5月1日14:00時的環(huán)境狀況設(shè)定，風(fēng)速為4m/s，溫度為25.6℃。

1.3.3 計(jì)算曲線

PHOENICS數(shù)值模擬代數(shù)方程的終止標(biāo)準(zhǔn)按連續(xù)性方程與動量方程殘差為10-2，本次模擬迭代次數(shù)設(shè)定為1000次。

2 模擬結(jié)果與分析

根據(jù)模擬結(jié)果（圖3），發(fā)現(xiàn)不同門斗的門廳內(nèi)部風(fēng)速變化主要集中于出入風(fēng)口之間，故將測點(diǎn)集中分布，為5×5m網(wǎng)格（圖4）。

圖3 1.5m高度處X-Y軸截面風(fēng)速場模擬結(jié)果圖（圖片來源：作者自繪）

圖4 測點(diǎn)分布示意圖（圖片來源：作者自繪）

對比建筑大廳無門斗與設(shè)有門斗（表1）的模擬情況，可以發(fā)現(xiàn)在過渡季節(jié)，設(shè)有門斗后大廳內(nèi)人體活動高度（1.5m處）風(fēng)環(huán)境的平均風(fēng)速下降約0.43m/s，且室內(nèi)最高風(fēng)速也有所下降（表2）；在不同門斗長寬比情況下，當(dāng)門斗長寬比為4 : 1時，室內(nèi)測點(diǎn)平均風(fēng)速以及中位數(shù)最大，且通風(fēng)量最優(yōu)；當(dāng)門斗長寬比為2 : 1時，室內(nèi)通風(fēng)量最差且平均風(fēng)速不佳（圖5）。

表1 有無門斗室內(nèi)平均風(fēng)速對比（表格來源：作者自繪）

表2 不同長寬比門斗的室內(nèi)風(fēng)環(huán)境對比情況（表格來源：作者自繪）

圖5 不同長寬比門斗的室內(nèi)風(fēng)環(huán)境情況折線圖（圖片來源：作者自繪）

結(jié)語

（1）在杭州地區(qū)過渡季節(jié)，建筑大廳設(shè)有不同長寬比門斗后對廳內(nèi)風(fēng)環(huán)境產(chǎn)生不同程度的改變，因此在對入口采取門斗結(jié)構(gòu)的建筑，應(yīng)考慮其對室內(nèi)風(fēng)環(huán)境造成的影響。

（2）模擬結(jié)果表明，在四種不同長寬比門斗方案中，當(dāng)門斗長寬比為2 : 1時，廳內(nèi)通風(fēng)量最差且平均風(fēng)速不佳，不適宜用于杭州地區(qū)過渡季節(jié)建筑室內(nèi)通風(fēng)。

（3）綜合門廳內(nèi)部風(fēng)環(huán)境情況，在所選定的四種不同長寬比的門斗方案中，位于杭州地區(qū)的案例建筑當(dāng)門斗寬比為4 : 1時，過渡季節(jié)室內(nèi)自然通風(fēng)效果最佳。