楊 瑛 蔡岳峰 黃永益 劉柱梁 徐 峰

0 引言

中庭空間是人們探索建筑空間過程中的一個創(chuàng)造性成果，不僅豐富了建筑空間，而且在人居環(huán)境的改善上起到了一定的作用。特別在辦公建筑的功能中，中庭空間不僅為建筑提供空間樞紐，而且為人們提供休憩、交往、娛樂等活動空間。隨著社會的發(fā)展及人民生活需求的不斷進步，舒適性變得越來越重要[1]，然而中庭空間的熱舒適性與節(jié)能性通常是一對矛盾體，在雙碳目標推行的政策下，如何通過前期的設計來更好地優(yōu)化辦公建筑中庭空間舒適性與節(jié)能性的平衡問題，成為建筑設計師們研究的一個重要方向。

自然通風作為一項廉價而成熟的被動式節(jié)能技術措施，在建筑熱舒適性中發(fā)揮著重要的作用，也備受設計者們的青睞。以往自然通風的研究主要是通過實驗或者實測的方式來進行，比如譚剛等人通過對中庭的自然通風的實驗研究，提出了自然通風計算經驗公式，為自然通風的研究奠定了理論基礎[2-3]；陳沂等人通過對城村古建民居的室外熱環(huán)境參數(shù)進行實測來研究自然通風的效果，并為城村民居的改造提供優(yōu)化方案[4]。隨著計算流體力學（computational fluid dynamic,CFD）分析工具及技術的逐漸成熟，對于自然通風效果的研究，計算機仿真技術比起實驗測試的方法結果更加的直觀可視且經濟性更高，因此，CFD技術越來越多的被研究者采用。張曾榮（Chang T.J）等人通過采用CFD數(shù)值模擬技術來研究自然通風對室內顆粒物的影響，并提出自然通風對于較大的顆粒物有明顯的效果[5]；法里亞（Farea）等人利用CFD技術來研究建筑中的采光井對自然通風的影響，提出了風向的重要性，并為改善高層建筑自然通風的設計提供了適當?shù)闹笇6]。

然而，針對辦公建筑中庭空間的自然通風在項目前期設計中的研究仍然存在一定的不足。一方面，CFD模擬多用于對已有建筑方案的性能驗證，而較少用于設計推敲；另一方面，以往自然通風的研究主要集中在風速單指標上[7-8]，較少針對熱舒適性其他指標進行研究，而且熱舒適性關聯(lián)的指標之間通常沒有明確的關聯(lián)性，增加了研究的難度。針對以上不足，本文以長沙江雅園辦公樓項目為例，引入模糊數(shù)學的理念，采用數(shù)值模擬的方法，嘗試從自然通風的風速和溫度兩方面來對熱舒適性進行評估，提出一套針對辦公建筑中庭空間自然通風舒適性的優(yōu)化設計方法。

1 中庭空間自然通風舒適性研究的必要性

中庭空間位于建筑中部或者邊側，在頂部（側面）利用大面積玻璃進行采光，高度上貫通多層的空間形式。具有利用自然采光、組織自然通風、引入自然植被等措施從而調節(jié)建筑室內微氣候的作用，受到越來越多的學者的重視和研究。趙巍等人通過對商業(yè)建筑中庭的聲環(huán)境和自然采光環(huán)境進行現(xiàn)場測試和問卷調研，得出商業(yè)建筑中庭室內聲環(huán)境與光環(huán)境的影響權重占比，為中庭微氣候調節(jié)的優(yōu)化設計提供了理論基礎[9]；彭小云等人在研究中指出建筑的中庭對熱環(huán)境具有調節(jié)作用，并提出了一系列措施和手段來改善中庭的熱環(huán)境[10]。

一方面，自然通風技術具有顯著的節(jié)能效果。通常情況下，采用自然通風的建筑比采用空調的建筑的能耗成本降低40%[11]；余元波等人通過對某辦公建筑中庭在不同開窗策略下自然通風特性的研究，得出采用自然通風的方式能實現(xiàn)節(jié)能率10%~25%的結論[12]。另一方面，自然通風技術對辦公中庭空間具有提升熱舒適性的作用。徐春桃等人通過運用實地檢測和計算機模擬等技術手段，對某辦公建筑中庭的熱舒適性進行研究分析，得出自然通風對于建筑中庭熱舒適性有明顯改善效果的結論[13]。

綜上所述，自然通風在辦公建筑中庭空間具備節(jié)能和熱舒適性改善的雙重作用，因此不管是從綠色建筑的視角出發(fā)，還是從人體熱舒適性需求的角度出發(fā)，辦公建筑中庭空間的自然通風研究都有重要的意義。

2 中庭空間自然通風舒適性的模糊優(yōu)化

2.1 模糊數(shù)學在熱舒適性評價中的應用

模糊數(shù)學是繼經典數(shù)學、統(tǒng)計數(shù)學之后發(fā)展起來的一個新學科，偏重于研究和處理模糊性現(xiàn)象。程凱麗等人通過實測對比的方式驗證了模糊數(shù)學在熱舒適判別分析中的可行性和科學性[14]；曹雙華等人應用模糊綜合評價法建立了模擬自然風的熱舒適模型，并通過實驗的方式來驗證其科學性[15]。由此可見，模糊數(shù)學為熱舒適性的研究分析提供了一種新型的科學方法。

因熱舒適性評價的關聯(lián)因素很多，并且各評價因素之間通常沒有明確的關聯(lián)性，而模糊數(shù)學正是用來解決不確定性關系的一種學科，用來評價自然通風熱舒適性則具有優(yōu)勢。陳佳，胥仁海等人用模糊綜合評判理論與建筑風環(huán)境的評價相結合的方法，以廠區(qū)室外風場的舒適性作為評價對象，形成對象集A={a1，a2，......，an},其中a1，a2，......，an為各個采集點的風場；評價過程中影響區(qū)域風環(huán)境的兩個主要因素：風速以及氣溫稱為要素集U={u1，u2}，其中u1表示風速，u2表示氣溫；另外，風速和溫度對于風環(huán)境影響的程度定義為不同權重值W={w1，w2}，其中w1表示與風速對應的權重，w2表示與溫度對應的權重；并設定對象集中的第i個采集對象ai對于要素集中的第j個對象uj的隸屬度為rij，其結果可以通過模糊矩陣R來表示，

根據確定的“各要素對應的權重值”以及“各要素的指標隸屬度”得出風環(huán)境的評價結果用矩陣B表示，即B=RWT[16]。B值越大，證明舒適性越好。

案例表明模糊數(shù)學在風環(huán)境熱舒適性的評價中發(fā)揮了較好的作用，也為本文的中庭自然通風熱舒適性的評估提供了理論支撐。

2.2 基于數(shù)值模擬的自然通風熱舒適性模糊優(yōu)化技術方法

自然通風的熱舒適性是多種因素綜合作用的結果，就熱舒適性本身而言，它是一個精神上的、主觀的心理反映。以往人們對熱舒適性評價時，無論是采用溫度指標、有效溫度，還是熱舒適方程、舒適圖或預測平均投票值（PMV）—預測平均不滿意率（PPD）體系，均是用傳統(tǒng)數(shù)學方法，對熱舒適性感覺各個級別間原本很模糊的邊界給了精確的界定。這樣就會出現(xiàn)用精確數(shù)學處理熱舒適性反而不精確的現(xiàn)象。本文引入模糊數(shù)學的方法，建立了一種更加科學的熱舒適評判體系。介于影響熱舒適性的因素較多，基于設計階段中庭空間內部濕度、太陽輻射等因素在室內變化較小，因此本文主要從風速和溫度兩個影響較大的因素和維度來進行熱舒適性的模糊評估。

目前應用較廣泛的計算流體動力學軟件有Fluent, Phoenics, Vent等。本文借助Fluent 15.0軟件進行研究分析。Fluent軟件經過不斷的完善和發(fā)展，具有計算高效、表達直觀、建模快速等優(yōu)點，且經過了大量研究和實際工程的應用，計算結果相對可靠[17]。

本文以實際案例為例，采用計算機數(shù)值模擬仿真技術與模糊數(shù)學方法結合的方式來對辦公中庭的熱舒適性進行評估。通過Fluent 15.0模擬軟件，結合項目的實際情況，從中庭屋頂形態(tài)、中庭空間高度、進風口開啟三方面的變量形成的多工況角度來分析對熱舒適性評價指標的兩個重要因素（風速和溫度）的影響，最終通過模糊數(shù)學的方式來選擇最優(yōu)工況，從而為方案設計的優(yōu)化提供一種技術方法。具體的技術路線如圖1所示。

圖1 技術方法路線圖Fig.1 technology approach roadmap

3 江雅園辦公樓項目建筑中庭空間自然通風熱舒適性的模糊優(yōu)化

3.1 項目概述

3.1.1 項目簡介

江雅園辦公樓項目位于湖南省長沙市洋湖濕地公園以北，東臨雅河與湘江，西面與北面為城市街道，周邊100 m范圍內無其他大型建筑。本項目地上6層，地下2層，建筑設計高度21.25 m。本文研究對象為鑲嵌于建筑南部的核心式中庭，即建筑南側大堂聯(lián)通的1~3層中庭空間，其中首層層高5.5 m，主要為大廳及其他公共空間，二、三層層高3.15 m，中庭頂部玻璃天窗，局部可開啟（圖2），其中藍色部分為研究目標的剖面圖。

圖2 江雅園辦公樓中庭空間示意圖Fig.2 atrium space of Jiangyayuan office building

3.1.2 氣象條件

根據所在地區(qū)的氣象資料，制作了項目所在典型氣候的風向標（圖3），該地區(qū)季節(jié)盛行南風，室外平均風速2.6 m/s。

圖3 典型氣候風玫瑰圖Fig.3 typical climate wind-rose chart

3.2 模型建立及工況設定

首先，為了確保邊界條件的科學性，本文進行了相應優(yōu)化。對于中庭空間內部自然通風模擬的邊界條件采用室外自然通風模擬的方式提取，而沒有直接根據氣象參數(shù)來進行設定；其次，為了使工況更加真實和準確，本文從實際項目的可變因素出發(fā)來設定多種工況。

3.2.1 室外模型的建立

3.2.1.1 室外模型建立

為了得到穩(wěn)定的建筑周邊風速與溫度，需要充分考慮建筑外部環(huán)境的空氣流動。根據《建筑環(huán)境數(shù)值模擬技術規(guī)程》中的要求：對于研究目標建筑物周邊100 m范圍內無大型建筑的情況，僅需考慮本身建筑的影響，計算域不應小于建筑本身的3倍。因此，本文采用800 m×460 m×100 m的計算區(qū)域。考慮到計算機的內存和計算速度的限制，網格采用非結構性網格局部加密處理，網格數(shù)約400萬。

3.2.1.2 流體參數(shù)設定

根據建筑室內氣流流動一般屬于不可壓縮、低速湍流[18-19]，本文中研究目標采用Fluent中不可壓縮氣體的標準 k-ε湍流模型，其中C1ε、C2ε是常數(shù)，C1ε=1.44，C1ε=1.92；σk和σε是湍流數(shù)，σk=1.0，σε=1.3。

3.2.1.3 中庭自然通風模型及邊界條件設定

根據設計圖紙進行轉換建模，并根據項目實際情況設定四個方向進風口，分布定義為v0、v1、v2和v3（圖4）。

圖4 中庭空間模型示意圖Fig.4 atrium space of model diagram

入口邊界設定為速度入口：在數(shù)值模擬自然通風的計算過程中，入口邊界條件選用velocity-inlet邊界條件。通過室外自然通風的模擬計算來提取其他速度邊界條件（圖5），v0=1.5 m/s，v1、v2、v3=1.2 m/s。根據中國標準氣象數(shù)據（CSWD）長沙地區(qū)過渡季節(jié)（5月份）室外平均溫度為24 ℃，室外最高溫度30 ℃?？紤]到最不利情況，因此進風溫度設定為24 ℃，室內溫度設定為30 ℃。

圖5 室外風環(huán)境模擬結果Fig.5 outdoor wind environment simulation results

出口邊界條件：假設流動充分發(fā)展，邊界條件為自由出口邊界；另外墻面和屋頂均設置為絕熱體，表面溫度設定與室內溫度一致，擬定為30 ℃。

3.2.2 工況設定

眾所周知，中庭的天窗對于自然通風具有很好的拔風效果，對熱舒適性有提升效果，為了使中庭空間形成更好的對流效果，因此下文工況均設定天窗為開啟狀態(tài)，并根據項目的實際情況，本文僅考慮中庭屋頂形態(tài)、中庭高度及進風口開啟三種不同變量對中庭自然通風熱舒適性的影響進行研究分析。根據屋頂形態(tài)的不同，主要設定為坡屋頂（工況A1）和平屋頂（工況A2）兩種工況；根據中庭的高度不同，結合設計圖紙設定四種不同高度工況：H1=11.8m（工況B1）、H2=14.95 m（工況B2）、H3=18.1 m（工況B3）、H4=21.25 m（工況B4）。另外，根據項目實際進風口開啟的情況設定八種不同的通風方式工況，具體工況設定如表1。

表1 工況設定Tab.1 working condition setting

3.3 試驗結果與數(shù)據分析

由于人體主要活動區(qū)域為距離地面1.5 m左右的高度區(qū)域，因此將本文的研究對象擬定為地面1.5 m高度的風速場和溫度場。

3.3.1 風速模擬分析

速度云圖是基于流線上的反應速度大小的可視圖，因此用速度云圖來反應中庭空間內自然通風的氣流組織狀態(tài)更加的直觀，根據研究得出風速在1~4 m/s之間的舒適性較好[20]。通過各工況的模擬，制作了14種工況下的1.5 m高度處的速度云圖對比（圖6）。

圖6 各個工況下速度場云圖對比Fig.6 comparison of velocity field clouds under various operating conditions

首先，兩種不同的中庭屋頂形態(tài)變化下速度云圖：一方面隨著中庭進深的增加，風速逐漸遞減，且中庭存在不少靜風區(qū)；另一方面，看出斜屋頂工況下的風速的遞減比平屋頂較慢，風速區(qū)域較大。其次，四種不同中庭高度下速度云圖：從整體流動性來看工況B2、B3比B1、B4較好，但是效果并不明顯；從靜風區(qū)比例來看B2工況更優(yōu)。因此可以看出中庭高度對于風速有一定的影響，但不明顯。最后，八種不同進風口開啟方式下的速度云圖：從圖中可以看出，工況C2，C5，C6，C8在增加一樓側面通風的情況下，能明顯看出自然通風面積的增加，其中工況C8的流通死角最小，且風速均衡性最高。因此，進風口開啟越多，室內風速的均勻性越好。

另外，針對三種因素下的風速圖可以看出C工況下的風速云圖比A和B工況下風速更加均勻，證明進風口開啟方式對于風速的影響比起中庭屋頂形態(tài)和中庭屋頂高度的影響更大。

3.3.2 溫度模擬分析

相關的研究表明，人體舒適度比較適宜的溫度范圍為23 ℃ ~25 ℃[15]。由模擬結果制定了14種工況下人體活動區(qū)1.5 m處的溫度云圖對比（圖7）。

圖7 各個工況下溫度場云圖對比Fig.7 comparison of velocity field clouds under various operating conditions

首先，從表中可以看出，每個工況下均有溫度集中區(qū)，且顏色較深，本區(qū)域定義為溫度死角。溫度死角是舒適性較差的區(qū)域，也是在設計時需要避免出現(xiàn)的。因此合理的設計屋頂?shù)男螒B(tài)對于溫度場有重要的作用。

其次，工況A1和工況A2為屋頂形態(tài)變化下的兩種不同的溫度云圖情況，從表中可以看出，在來流方向上，工況1的溫度流場更廣，同時溫度死角較少。因此工況A1的溫度場分布優(yōu)于工況A2。工況B1—B4為中庭高度化下的四種不同的溫度云圖情況，從表中可以看出，隨著高度的增加，溫度云圖有一定的影響，但是變化不明顯。工況C1—C8為不同的通風方式下的速度云圖情況，從表中可以看出，隨著進風口開啟越多，室內溫度云圖的舒適區(qū)域逐漸增加。由此可以看出三種不同的條件影響下，進風口開啟方式對于溫度場的影響更大。

3.3.3 舒適性的模糊最優(yōu)解

為了更好的評判室內自然通風帶來熱舒適性的效果，特提出在人體主要活動區(qū)域1.5 m處平面速度為1.0 m/s以上的面積占整個房間面積的百分比S1[21]以及1.2 m處溫度為23 ℃~25 ℃之間的面積占整個房間面積的百分比S2作為衡量自然通風熱舒適性的判斷依據。根據以上模擬的結果得出14種工況下面積占比S1和S2的值（表2）。

表2 各個工況下評價要素占比Tab.2 percentage of evaluation elements under various operating conditions

本文采用指派方法確定隸屬函數(shù)[22]。根據“風速面積占比”和“溫度面積占比”問題的實際情況采用梯形分布的偏大型的指派方法分別如下：

通過“風速面積占比”“溫度面積占比”的隸屬函數(shù)即可求出相關的隸屬度，得出14個工況的模糊矩陣

在本文設定的風速及溫度范圍內，擬定對溫度和風速的影響賦予均衡權重值，即W=(0.5，0.5)，得出14種工況下熱舒適性的模糊評價結果為：

通過模糊數(shù)學計算方法得知，在計算結果矩陣B中數(shù)值越大對應的設計方案則越優(yōu)[16]，因此本文工況設定條件下C8為最優(yōu)的設計方案。另外，在能開啟兩個進風口的情況下，C4優(yōu)于C2和C3；在能開啟三個進風口的情況下，C5和C7優(yōu)于C6。

4 結論與展望

隨著辦公中庭空間設計的不斷創(chuàng)新，熱舒適性將成為設計前期工作的一項重要指標工作。本文以實際項目為例，利用fluent數(shù)字仿真技術對中庭空間不同因素影響下的風速和溫度場進行模擬分析，對辦公建筑中庭自然通風的熱舒適性進行研究，并通過模糊數(shù)學的方法來選擇最優(yōu)工況，為建筑方案設計前期階段提供一種擇優(yōu)方法。主要得出以下結論。

第一，從中庭屋頂形態(tài)的變化可以看出，坡屋頂形態(tài)下的中庭空間自然通風熱舒適性更好，在前期的設計階段，應盡量采用坡屋頂?shù)闹型バ螒B(tài)；

第二，中庭的空間高度的變化對于自然通風熱舒適性的影響較小，因此在前期的設計階段綜合考慮其他實際情況時可以適當?shù)剡M行取舍；

第三，中庭的進風口開啟方式對于室內熱舒適性的影響較大，不同進風口開啟方式熱舒適性的影響不同，該方法能提供不同條件方案下的擇優(yōu)選擇。

限于篇幅問題對于熱舒適性的評估，本文僅考慮到了風速場和溫度場的模糊優(yōu)化，存在一定的局限性。但是，本文旨在提供一種科學有效的技術評估方法，此方法不僅能夠解決建筑師針對不同因素影響下進行設計時可能遇到的技術壁壘問題，提高設計效率；而且通過本文的技術分析有助于指導后期建筑開窗方式來引導自然通風，為建筑的運營實效提供建議。

圖表來源：

圖1-7：作者繪制

表1-2：作者繪制