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        沈陽某高校既有圖書館中庭通風(fēng)分析優(yōu)化

        2022-08-05 12:07:50唐晨旭金雯歆張九紅
        低溫建筑技術(shù) 2022年6期
        關(guān)鍵詞:空氣流速中庭天窗

        唐晨旭, 金雯歆, 張九紅

        (東北大學(xué)江河建筑學(xué)院,沈陽 110000)

        0 引言

        隨著城市化進(jìn)展推進(jìn),建筑能耗占比愈發(fā)巨大,其中建筑運(yùn)行能耗占建筑全壽命周期能耗的近一半[1]。而既有建筑由于當(dāng)初建造時(shí)建造技術(shù)、材料、觀念較為落后,運(yùn)行階段能耗往往更大[2]。高校既有建筑由于一般承載高校精神內(nèi)核和歷史信息不宜拆除而高校既有圖書館建筑由于當(dāng)時(shí)建造材料、技術(shù)等問題,往往犧牲通風(fēng)以利保溫。沈陽市過渡季節(jié)風(fēng)力資源優(yōu)良,且溫度適宜,為營造建筑內(nèi)過渡季節(jié)自然通風(fēng)提供有利條件。

        高校圖書館建筑營造有利的自然通風(fēng),可以降低建筑運(yùn)行階段能耗,符合綠色改造原則。目前圖書館中庭閱覽空間屬于室內(nèi)與室外過渡空間,設(shè)置得當(dāng)可以改善室內(nèi)通風(fēng)。中庭空間承載一些重要使用功能,休閑閱覽、背誦朗讀等對(duì)噪聲不敏感功能。在室外尚佳的夏季和過渡季節(jié),合理利用中庭“煙囪效應(yīng)”引入外部空氣進(jìn)行自然通風(fēng),能有效改善室內(nèi)熱環(huán)境[3],改善中庭附近主要使用空間的氣流組織和降低氣體空氣齡,減少新風(fēng)系統(tǒng)使用,從而達(dá)到建筑節(jié)能的目的。

        目前國內(nèi)中庭空間的氣流分布研究較少,一些學(xué)者通過對(duì)商場(chǎng)建筑、住宅建筑等進(jìn)行實(shí)測(cè)和軟件模擬,綜合證明中庭可有效改善過渡季節(jié)室內(nèi)熱環(huán)境[4]。一些學(xué)者也對(duì)高層住宅的中庭的驅(qū)動(dòng)力作用、通風(fēng)口面積、位置、數(shù)量對(duì)中庭自然通風(fēng)換氣量的影響做了研究[5]。不過針對(duì)于圖書館建筑的中庭通風(fēng)研究較少。

        1 研究對(duì)象概況

        圖書館位于遼寧省沈陽市和平區(qū)某高校內(nèi),于1985 年建成并投入使用,具有一定的歷史價(jià)值,承載著每屆學(xué)生的記憶。該圖書館總建筑面積為16000m2,建筑高度16m,建筑一層為輔助用房,學(xué)生通過大臺(tái)階直接進(jìn)入2層,2~4層層高均為4.8m;其外墻采用370mm 厚非承重墻;南北方向?yàn)殚営[空間,中庭頂部采用玻璃采光頂。其中庭空間的主要功能為社交與閱覽。高校圖書館中庭關(guān)于建筑的關(guān)系一般可以分為核心式、線性式、嵌入式、接觸式[6]四種,寒地高校圖書館出于降低體形系數(shù)等目的,一般會(huì)選擇設(shè)置核心式中庭。研究對(duì)象中庭正是核心式中庭,貫通空間的尺寸為9.6m×7.6m?;拘畔⑷绫?所示。

        表1 圖書館基本信息

        2 調(diào)研測(cè)試與數(shù)據(jù)分析

        2.1 調(diào)研測(cè)試

        開窗率調(diào)查方式。從10月1日~10月3日連續(xù)觀察3d,早中晚三次進(jìn)行南北窗戶開窗率統(tǒng)計(jì)。

        室外風(fēng)速測(cè)試方式。從10月1日~10月3日在建筑周邊東南西北各設(shè)一個(gè)點(diǎn),在距離地面1.5m的地方采用量程在0.2~20m/s 的太灣路昌AM-4204HA 熱線式風(fēng)速儀從8:00 記錄到18:00,每2h 記錄一次數(shù)據(jù),作為節(jié)點(diǎn)風(fēng)速值,并將數(shù)值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

        室內(nèi)熱環(huán)境測(cè)試方式。測(cè)試位置是以中庭為中心的周邊閱覽空間和正常閱覽空間。測(cè)點(diǎn)如圖1 所示,每個(gè)點(diǎn)位記錄3次數(shù)據(jù),之后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。室內(nèi)風(fēng)環(huán)境及熱環(huán)境評(píng)價(jià)對(duì)使用者采用線下發(fā)放紙質(zhì)問卷調(diào)查方式,并且針對(duì)每個(gè)樓層的的不同空間進(jìn)行室內(nèi)熱環(huán)境測(cè)試。

        圖1 室內(nèi)測(cè)點(diǎn)位置

        通過室內(nèi)實(shí)地調(diào)研內(nèi)部和周圍環(huán)境,我們也發(fā)現(xiàn)中庭空間存在網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的天窗,但是不可以打開,四角存在尺寸約為1.6m×2.7m的單開扇窗戶。

        2.2 數(shù)據(jù)分析

        根據(jù)室外每日平均風(fēng)速測(cè)試結(jié)果,可知該圖書館周邊室外風(fēng)環(huán)境在1~3m/s 之間,室外風(fēng)環(huán)境宜人,風(fēng)力資源較為優(yōu)良。

        我們發(fā)出50 份問卷,有效問卷為49 份。我們將風(fēng)舒適選項(xiàng)從1~7 進(jìn)行賦值,將“很悶”設(shè)置為1,將“適中無風(fēng)”設(shè)置為3,將“風(fēng)很大”設(shè)置為6。同時(shí)將室內(nèi)熱環(huán)境測(cè)試與問卷相結(jié)合,即記錄被訪談?wù)咚谖恢茫瑢⒃摌菍訁^(qū)域的平均溫度、濕度、風(fēng)速等與問卷數(shù)據(jù)聯(lián)系,通過相關(guān)系數(shù)公式計(jì)算,可知風(fēng)舒適和濕度之間的相關(guān)系數(shù)為-0.439,呈現(xiàn)弱相關(guān)性即濕度較高,感覺越悶。而風(fēng)舒適和溫度、風(fēng)速之間相關(guān)性不是很明顯。這可能是因?yàn)槭覂?nèi)風(fēng)速受到各個(gè)因素影響,且不穩(wěn)定,在實(shí)驗(yàn)中未得出較明顯的關(guān)聯(lián)。而溫度高低與否,對(duì)應(yīng)著認(rèn)知上的冷與熱,并不對(duì)應(yīng)風(fēng)速高低導(dǎo)致的結(jié)果。在實(shí)驗(yàn)中問卷的風(fēng)感覺和溫度相關(guān)性不明顯。

        2.3 問題提出

        圖書館冬季采用暖氣空調(diào)聯(lián)合供暖的方式,一般為11 月份至來年的3 月底。夏季采用空調(diào)制冷的方式,無特殊時(shí)間限制,隨時(shí)可開。通過調(diào)研我們認(rèn)為該圖書館目前未徹底充分利用周邊風(fēng)能。室內(nèi)風(fēng)場(chǎng)不均勻,且個(gè)體感受存在比較大的差異性。內(nèi)部氣流組織也存在不合理的地方,中庭空間采用玻璃采光頂集熱但氣流組織不暢,導(dǎo)致中庭空間不僅未充分發(fā)揮其溝通南北閱覽空間氣流組織的功能,甚至于略有阻擋氣流。如何提升既有建筑中庭空間通風(fēng)能力,是我們需要研究的問題。

        3 現(xiàn)狀模擬分析

        3.1 模擬過程

        我們采用目前通用的的CFD 軟件之一AIRPAK對(duì)室內(nèi)氣流做數(shù)值模擬。AIRPAK 軟件是在FLUENT軟件基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一個(gè)工具軟件,針對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)和熱舒適以及氣流組織的模擬。AIRPAK提供多種湍流模型,包含標(biāo)準(zhǔn)k-e模型、零方程等。目前零方程在滿足精度的前提下,較顯著減小計(jì)算量,在此選擇零方程模型。

        根據(jù)校園總平面,不影響室外風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行模型簡(jiǎn)化。項(xiàng)目位于市區(qū),建筑周邊有多棟既有建筑。由于地處市區(qū),需要考慮周邊建筑的影響,以及城市計(jì)算域長寬均為研究建筑長寬的6 倍,高度為研究建筑的4 倍。由于中庭內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜,存在多套外加桌椅和沙發(fā)且位置無法固定,因此,將模型簡(jiǎn)化如圖2所示。

        圖2 模型簡(jiǎn)化圖

        根據(jù)沈陽1971~2000年氣象平均溫度和月平均風(fēng)速,沈陽春季平均風(fēng)速為3.65m/s,秋季平均風(fēng)速為2.6m/s,根據(jù)實(shí)地調(diào)研以及多次模擬,改造對(duì)象中庭空間通風(fēng)較差,故設(shè)置室外平均風(fēng)速在春秋兩季室外風(fēng)速中選擇更低數(shù)值2.6m/s。

        經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn),春秋主導(dǎo)風(fēng)向略有差別,但是差別不明顯,春初秋末均以偏北風(fēng)更強(qiáng)勁,秋初春末以偏南風(fēng)更強(qiáng)勁,考慮到沈陽冬季不宜開窗,且實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為故在模擬中設(shè)置風(fēng)向?yàn)槟舷颉?/p>

        根據(jù)DB 31/T922-2015《建筑環(huán)境數(shù)值模擬技術(shù)規(guī)程》,氣流進(jìn)口使用速度邊界依據(jù):V=V1(Z/Z1)a,a根據(jù)地面粗糙程度,將指數(shù)設(shè)為0.22;Z1=10m;V1為設(shè)定距地面Z1的平均風(fēng)速2.6m/s。

        針對(duì)模型進(jìn)行合理的網(wǎng)格劃分可采用軟件自帶的六面體網(wǎng)格劃分工具。根據(jù)網(wǎng)格單元應(yīng)為對(duì)應(yīng)尺寸的1/20 的條件[7],確定改模型網(wǎng)格為x=4.0m,y=3.0m,z=0.72m,同時(shí)在自然風(fēng)口等局部加密。通過網(wǎng)絡(luò)無關(guān)性以及質(zhì)量檢驗(yàn),確定的網(wǎng)格數(shù)量為3038432個(gè)。

        由于計(jì)算區(qū)域的頂面與側(cè)面對(duì)于對(duì)稱邊界,速度邊界和壁面均可任意選擇[8],在此模擬中將頂面與側(cè)面設(shè)置為對(duì)稱界面。出流面一般可設(shè)為完全發(fā)展出流界面活速邊界或速度邊界,由于研究建筑下游存在其余建筑,出流面流速與入口流速無法相同,在此模擬中將出流面設(shè)置為完全發(fā)展出流邊界。

        3.2 模擬結(jié)果及分析

        (1) 室外氣流組織分析。周邊建筑對(duì)寧恩承圖書館氣流組織存在影響,室外風(fēng)速分布根據(jù)模擬顯示圖書館南面進(jìn)氣口空氣流速達(dá)到1.4m/s,與測(cè)試數(shù)據(jù)差別較小,可證明該軟件具有較高的有效性以及此邊界條件設(shè)置比較合理。

        (2) 室內(nèi)氣流組織現(xiàn)狀與分析。由于第1 層為地下書庫,不涉及中庭改造問題,2~4層樓距樓板1.5m風(fēng)速分布如圖3所示。

        圖3 室內(nèi)氣流組織模擬情況

        室內(nèi)氣流組織現(xiàn)狀。2層中庭空間在靠近樓板洞口的地方出現(xiàn)風(fēng)速最低,將近0.1m/s部分地方空氣流速超過1m/s??諝恺g在靠近四角位置較大,約為800s左右,空氣流動(dòng)總體上較好,但由于存在穿堂風(fēng),導(dǎo)致在區(qū)域內(nèi)部分地方氣流速較大。閱覽空間空氣流速不太均勻,南閱覽空間空氣齡比較小,北閱覽空間局部達(dá)到800s 以上。這是因?yàn)槟祥営[空間到北閱覽空間存在一些遮擋物并且北閱覽區(qū)靠近內(nèi)庭一側(cè)窗戶少于南閱覽區(qū),通風(fēng)較之南閱覽區(qū)略差。

        3層中庭空間出現(xiàn)較明顯的靜風(fēng)區(qū)域。整體空氣流速在0.1m/s 左右。空氣齡在超過一半面積達(dá)到750s 以上,空氣流動(dòng)差。閱覽空間空氣流速比較均勻,較為舒適,空氣齡大部分面積在750s以下,空氣流動(dòng)較好。

        4 層中庭空間平均空氣流速較之3 層更低,空氣齡更高。閱覽空間出現(xiàn)較大面積的靜風(fēng)區(qū),并且南閱覽空間出現(xiàn)空氣齡超過750s的較大區(qū)域。

        室內(nèi)氣流組織結(jié)論。根據(jù)JGJ/T 309-2013《建筑通風(fēng)效果測(cè)試與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》第3.2.6 條的第2 點(diǎn)規(guī)定:“自然通風(fēng)室內(nèi),人員活動(dòng)區(qū)空氣流速應(yīng)在0.3~0.8m/s之間?!蹦壳皹?biāo)準(zhǔn)對(duì)空氣齡尚未進(jìn)行明確的要求,一般來說空氣齡越大,通風(fēng)越差;空氣齡越小,通風(fēng)越好。通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)健康空氣齡標(biāo)準(zhǔn)一般空氣齡500s[9,10]以內(nèi)視為健康,500~750s 視為較健康,750s 以上為不健康。

        結(jié)合以上分析,如模擬分析可得出,目前寧恩承圖書館過渡季自然通風(fēng)存在的問題,2層風(fēng)速不均勻,局部存在風(fēng)速較大的地方。3、4 層空氣流速顯著下降,空氣齡增高。中庭空間的通風(fēng)作用未充分被挖掘。同時(shí)我們發(fā)現(xiàn)寧恩承圖書館在建造時(shí)設(shè)置的4個(gè)封閉式內(nèi)庭院,雖然能夠增加室內(nèi)照度,但是增加體型系數(shù)且不便于管理。

        4 優(yōu)化方案

        基于以上分析,由于該圖書館建成年代較久,考慮到側(cè)窗的過梁和圈梁等問題,故只針對(duì)天窗設(shè)計(jì)優(yōu)化方案并進(jìn)行模擬。目前我們尚未查閱到針對(duì)于天窗開啟面積大小對(duì)室內(nèi)通風(fēng)效果的影響詳細(xì)研究,我們?cè)诖酸槍?duì)側(cè)窗開啟與否設(shè)計(jì)兩種情況下進(jìn)行模擬。由于現(xiàn)有天窗水平投影尺寸為9600mm×7600mm,此尺寸亦為中庭空間樓板洞口的尺寸,故我們制定四種大小的開啟天窗面積,分別為2400mm×1900mm、4800mm×3800m、7200mm×5700mm、9600mm×7600mm,將天窗設(shè)置位置均設(shè)為中庭樓板洞口正上方,此方式減少阻礙便于氣流流通。

        以下占比為云圖中處于健康和較健康空氣齡的氣體占比,不完全代表流體在整個(gè)室內(nèi)空間占比。

        (1) 側(cè)窗未開啟時(shí),進(jìn)行模擬分析可得,以距樓板1.5m 距離的各層風(fēng)速云圖和對(duì)比分,當(dāng)開啟4800mm×3800mm 和9600mm×7600mm 室內(nèi)流體處于健康和較健康空氣齡占比較大,但是室內(nèi)流體空氣齡不如開啟面積更大的方案均勻。在側(cè)窗未開啟時(shí),天窗面積更大的7200mm×5700mm方案的室內(nèi)流體空氣齡處于健康和較健康的占比小于開啟面積為4800mm×3800mm的方案。

        表2 側(cè)窗全開啟空氣齡占比統(tǒng)計(jì)

        之所以造成這樣的模擬結(jié)果,分析可能是因?yàn)樽匀煌L(fēng)下通風(fēng)量是由孔口有效面積和孔口兩側(cè)壓力差共同決定[11]。

        所以,可能會(huì)出現(xiàn)天窗面積增大,通風(fēng)量并未增加,故而會(huì)導(dǎo)致在天窗可開啟面積增加時(shí),建筑內(nèi)部處于健康空氣齡的占比反而不如天窗可開啟面積較小的情況。

        如果以空氣齡作為標(biāo)準(zhǔn),當(dāng)天窗開啟面積越大,室內(nèi)通風(fēng)效果越好,新風(fēng)量雖然不存在過度,但是超過一定限度,也必然會(huì)伴隨熱負(fù)荷過度消耗,帶來不利后果。

        (2) 側(cè)窗全開啟時(shí),當(dāng)側(cè)窗全開啟時(shí),我們可以顯著發(fā)現(xiàn)室內(nèi)通風(fēng)效果更加均勻且使得室內(nèi)流體處于健康空氣齡占比更多。此時(shí)天窗大小在等于樓板開動(dòng)面積時(shí)候,室內(nèi)流體處于健康空氣齡占比最大。但是當(dāng)側(cè)窗全開啟時(shí)候,天窗大小在2400×1900mm、4800×3800mm、7200×5700mm,室內(nèi)流體處于健康空氣齡的占比變化不明顯。

        鑒于我們實(shí)地調(diào)研發(fā)現(xiàn)中庭開窗率不會(huì)達(dá)到達(dá)到百分之百,整體開窗率一般在20%左右,所以結(jié)合以上模擬分析,我們認(rèn)為中庭空間應(yīng)當(dāng)增加天窗可開啟面積,且考慮到寒地因素,可開啟面積更適宜為中庭空間樓板洞口尺寸的1/2左右。

        表3 側(cè)窗全開啟空氣齡占比統(tǒng)計(jì)

        5 應(yīng)用展望

        一般而言,一天內(nèi)平均風(fēng)速曲線具有一定的規(guī)律性,無論是晴天、雨天還是陰天平均風(fēng)速最大值出現(xiàn)時(shí)間都在午后,最小值在深夜或凌晨[12]。調(diào)研發(fā)現(xiàn)目前該圖書館窗戶使用者自主開啟關(guān)閉,管理人員并不會(huì)統(tǒng)一關(guān)窗或者開窗,這就導(dǎo)致圖書館室內(nèi)在閉館之后并不能充分通風(fēng)。

        鑒于目前已經(jīng)存在智能窗戶系統(tǒng),故在人流密集的大型新建公共建筑,可以考慮采取智能窗戶系統(tǒng),只是目前市面上智能家居成本較高,是否能夠采用值得商榷。如不能采用,建議讓管理人員在過渡季早晨開館時(shí)統(tǒng)一打開窗戶。

        隨著新風(fēng)系統(tǒng)的發(fā)展,目前很多老舊公共建筑更多依靠機(jī)械通風(fēng)以滿足使用條件。市面上也存在著新風(fēng)系統(tǒng)在部分時(shí)候可以代替自然通風(fēng)的說法,但是自然風(fēng)所帶來的1/n的波動(dòng)的舒適性是新風(fēng)系統(tǒng)所不能帶來的。寒地過渡季節(jié)風(fēng)力資源優(yōu)良,良好的通風(fēng)設(shè)計(jì)更能因地制宜的實(shí)現(xiàn)建筑的可持續(xù)發(fā)展,降低建筑運(yùn)行周期能耗。

        6 結(jié)語

        通過問卷調(diào)查與實(shí)地測(cè)試,可以得出結(jié)論:一般來說,濕度越大,個(gè)體風(fēng)感覺越低,即個(gè)體會(huì)認(rèn)為風(fēng)速較小,二者存在相關(guān)性。

        通過運(yùn)用CFD軟件分析其中庭空間自然通風(fēng),基于效益優(yōu)先的原則針對(duì)客觀因素設(shè)計(jì)三類方向,并進(jìn)行模擬分析得出,中庭空間應(yīng)當(dāng)增加天窗可開啟面積,但增加天窗可開啟面積并不一定會(huì)使得主要使用空間的室內(nèi)流體處于較為健康狀態(tài)占比增加,存在會(huì)下降的情況。所以在既有建筑通風(fēng)改造時(shí),建議進(jìn)行多方案模擬確定經(jīng)濟(jì)且適宜的天窗開啟面積,文中的案例天窗可開啟面積更適宜為中庭空間樓板洞口尺寸的1/2左右。

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