潘仁穎 （安徽省建筑科學(xué)研究設(shè)計(jì)院 安徽 合肥 230031）

1 引言

隨著綠色低碳概念的提出，綠色低碳建筑的策劃向經(jīng)濟(jì)、適宜的方向落實(shí)，項(xiàng)目所在地的地理氣候、文化特征、生活習(xí)慣等因素都影響著各專業(yè)設(shè)計(jì)措施的選擇。作為降低空調(diào)能耗、改善建筑熱濕環(huán)境的一種重要手段，自然通風(fēng)在建筑設(shè)計(jì)中有著廣泛的應(yīng)用。一方面，通過(guò)加速室內(nèi)外空氣的交換減小空氣齡，使室內(nèi)獲得足夠的新鮮空氣，保障呼吸健康的根本需求；另一方面，氣流速度也對(duì)人體熱感覺(jué)有著直接作用。

通風(fēng)方式主要分為自然通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)兩種方式。機(jī)械通風(fēng)可以直接地實(shí)現(xiàn)室內(nèi)通風(fēng)目的，但會(huì)產(chǎn)生建筑能耗及通風(fēng)噪音。在綠色低碳建筑的理念下，自然通風(fēng)的方式越來(lái)越受到重視。對(duì)民用建筑來(lái)說(shuō)，自然通風(fēng)是指依靠室外風(fēng)力造成的風(fēng)壓和由于室內(nèi)外空氣溫度差所形成的熱壓來(lái)驅(qū)動(dòng)空氣流動(dòng)，以形成室內(nèi)外空氣的交換。

風(fēng)環(huán)境對(duì)體表感受影響十分重要，因此風(fēng)環(huán)境的設(shè)計(jì)應(yīng)予以重視。傳統(tǒng)的自然通風(fēng)設(shè)計(jì)是根據(jù)風(fēng)玫瑰圖和氣候分區(qū)的解讀，無(wú)法精確地分析建筑的自然通風(fēng)微環(huán)境。計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，簡(jiǎn)稱CFD）為建筑設(shè)計(jì)提供了更加精準(zhǔn)、科學(xué)的模擬分析方法和設(shè)計(jì)思路，為設(shè)計(jì)師提供更加直觀的風(fēng)環(huán)境設(shè)計(jì)評(píng)估依據(jù)。

在當(dāng)前建筑設(shè)計(jì)過(guò)程中，普遍存在建筑設(shè)計(jì)和模擬等技術(shù)分析協(xié)同性差的問(wèn)題，為進(jìn)一步優(yōu)化節(jié)能設(shè)計(jì)，就要求建筑師利用CFD 模擬分析進(jìn)行自然通風(fēng)設(shè)計(jì)策略的綜合運(yùn)用。本文主要以合肥地區(qū)的典型辦公建筑為例，結(jié)合CFD 模擬技術(shù)分析建筑設(shè)計(jì)中可以利用的自然通風(fēng)優(yōu)化策略，為本地區(qū)同類型建筑優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

2 項(xiàng)目概況

2.1 建筑規(guī)模

該項(xiàng)目位于合肥市蜀山區(qū)，總用地面積 13333.33m2，總建筑面積56677.68m2，容積率2.96，建筑密度31.3%，綠地率25%，綠色建筑設(shè)計(jì)目標(biāo)為二星級(jí)。項(xiàng)目規(guī)劃平面圖及鳥(niǎo)瞰圖如圖1、圖2所示。

圖1 項(xiàng)目規(guī)劃平面圖

圖2項(xiàng)目規(guī)劃鳥(niǎo)瞰圖

圖3 冬季工況1.5m處風(fēng)速矢量圖

圖4 夏季壓力云圖

2.2 氣候特點(diǎn)

合肥屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候，地處中緯度地帶，氣候溫和，季風(fēng)明顯，雨量適中。年均氣溫15.7 ℃，年均降水量約1038.33 mm，多年平均日照數(shù)在2100 h 左右，平均相對(duì)濕度為77%。規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮日照、風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度等因素對(duì)建筑朝向、布局的影響。

表1 風(fēng)向參數(shù)

合肥地處夏熱冬冷地區(qū)，在夏季和春秋季，組織好室內(nèi)外自然通風(fēng)設(shè)計(jì)，不僅有利于改善熱環(huán)境，而且可以降低過(guò)渡季空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行能耗。例如在上海區(qū)域，合理設(shè)計(jì)自然通風(fēng)改善人們開(kāi)窗時(shí)間，空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能可達(dá)到40%以上。因此優(yōu)化建筑總體布局和建筑單體的室內(nèi)空間通風(fēng)設(shè)計(jì)是必要的。

3 自然通風(fēng)優(yōu)化策略

3.1 室外風(fēng)環(huán)境對(duì)建筑布局的影響

區(qū)域微氣候與室外氣流運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)，規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)往往更注重建筑群的功能、流線、外觀以及空間的利用等因素，實(shí)際上合理的室外風(fēng)環(huán)境是建筑舒適度的一個(gè)重要指標(biāo)，場(chǎng)地局部的湍流和渦旋不利于冬季的行走舒適性，同時(shí)也影響污染物的擴(kuò)散，嚴(yán)重降低室外空氣品質(zhì)。良好的室外場(chǎng)地風(fēng)環(huán)境不僅可以提升人員活動(dòng)區(qū)的行走舒適性和空氣品質(zhì)，合理的建筑室外表面風(fēng)壓差是形成良好建筑室內(nèi)自然通風(fēng)的前提條件。夏熱冬冷地區(qū)人員習(xí)慣于過(guò)渡季節(jié)開(kāi)窗通風(fēng)改善室內(nèi)空氣品質(zhì)，因此需首先保證室外合理的風(fēng)環(huán)境設(shè)計(jì)。

方案規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)，建筑物合理的布局是決定室外風(fēng)速和風(fēng)壓的重要影響因素之一，可以通過(guò)優(yōu)化架空層位置、建筑間距、建筑朝向、建筑高度等設(shè)計(jì)，結(jié)合地形高差、景觀布局、交通流線等綜合因素，形成室外風(fēng)速合理、流場(chǎng)均勻、無(wú)渦旋和滯風(fēng)區(qū)的室外風(fēng)場(chǎng)。利用CFD 技術(shù)優(yōu)化建筑與周邊建筑群體之間的關(guān)系，使建筑充分利用自然資源，獲得更好的自然通風(fēng)條件，同時(shí)弱化局部不利的風(fēng)環(huán)境影響因素，從而創(chuàng)造出一個(gè)安全舒適的室外風(fēng)環(huán)境。

設(shè)計(jì)初期本項(xiàng)目方案基于當(dāng)?shù)仫L(fēng)環(huán)境特征對(duì)建筑布局進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)。合肥地區(qū)冬季主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|北風(fēng)，在此風(fēng)向下，本項(xiàng)目將場(chǎng)前廣場(chǎng)布置于建筑主要出入口北側(cè)，通過(guò)場(chǎng)前廣場(chǎng)種植喬、灌、草結(jié)合的復(fù)層綠化，形成密集綠化景觀節(jié)點(diǎn)減弱冬季北方主導(dǎo)風(fēng)向下的風(fēng)速，單體主要出入口形成良好的行走舒適性區(qū)域；在研發(fā)中心轉(zhuǎn)角區(qū)域的渦旋區(qū)布置為出庫(kù)出入口，減小行走頻率。采用CFD 對(duì)室外自然通風(fēng)模擬，根據(jù)模擬結(jié)果，冬季1.5m 高度人行區(qū)域最大風(fēng)速出現(xiàn)在科研設(shè)計(jì)中心東北角，由于“峽谷效應(yīng)”和建筑物的阻滯原因，出現(xiàn)局部強(qiáng)風(fēng)，此處考慮加強(qiáng)復(fù)層綠化的設(shè)計(jì)，種植高大灌木或加強(qiáng)灌木密度起到阻滯作用，1.5m 高度處風(fēng)速有了明顯降低，最大風(fēng)速為3.7m/s，達(dá)到了“建筑周圍人行區(qū)風(fēng)速＜5m/s”的要求，建筑周圍1.5m 高度人行區(qū)域的風(fēng)速在0.5～1.7m/s 之間，人行區(qū)域風(fēng)速舒適度良好；人行區(qū)風(fēng)速放大系數(shù)為1.7，達(dá)到了“室外風(fēng)速放大系數(shù)＜2”的要求。夏季和過(guò)渡季建筑周圍1.5m 高度人行區(qū)域的風(fēng)速在0.6～2.7m/s之間。

表2 風(fēng)速與人體感覺(jué)統(tǒng)計(jì)表

為利用氣候條件實(shí)現(xiàn)室內(nèi)自然通風(fēng)，建筑布局及朝向應(yīng)迎合夏季和過(guò)渡季主導(dǎo)風(fēng)向，形成合理的室內(nèi)外風(fēng)壓差。合肥地區(qū)夏季和過(guò)渡季的主導(dǎo)方向?yàn)槟巷L(fēng)或東風(fēng)，建筑迎風(fēng)面或通風(fēng)窗所在外立面宜與夏季或過(guò)渡季主導(dǎo)風(fēng)向夾角為60°～90°，并盡可能增加迎風(fēng)面積。本項(xiàng)目單體建筑均設(shè)計(jì)為正南朝向，其中科研樓5F，建筑高度22.2m，布置于場(chǎng)地西南角；研發(fā)中心10F，建筑高度42.2m，布置于場(chǎng)地西北角；科研設(shè)計(jì)中心19F，建筑高度78.6m，布置于場(chǎng)地東側(cè)。單體建筑迎風(fēng)面平均風(fēng)壓與建筑背風(fēng)面平均風(fēng)壓在2.2～4.8Pa，整體建筑高度“北高南低”，各單體建筑迎風(fēng)面積、南北風(fēng)壓差有利于形成室內(nèi)風(fēng)速場(chǎng)的合理邊界條件。

3.2 建筑室內(nèi)通風(fēng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

室內(nèi)自然通風(fēng)效果的影響因素主要有建筑布局、體型、通風(fēng)開(kāi)門(mén)面積和位置、室內(nèi)空間布局等。在建筑平面設(shè)計(jì)過(guò)程中，室內(nèi)通風(fēng)優(yōu)化的設(shè)計(jì)主要考慮以下三個(gè)方面：

①在功能需求滿足的前提下控制房間的進(jìn)深，減少建筑內(nèi)區(qū)的面積比例，同時(shí)考慮“大空間”布局，減少內(nèi)隔斷的通風(fēng)阻擋；

②建筑群的布局利于形體導(dǎo)風(fēng)，通過(guò)布局分散、架空、通風(fēng)開(kāi)口等方式形成穿越建筑的通風(fēng)通道引導(dǎo)自然通風(fēng)的形成；

③引入熱壓通風(fēng)的空間形式，如中庭、天井等。

基于室外布局的優(yōu)化結(jié)果，本項(xiàng)目室外風(fēng)作用于建筑表面形成良好風(fēng)壓差，建筑通風(fēng)開(kāi)口與內(nèi)部空間產(chǎn)生空氣交換，形成通風(fēng)流線。單體采用條式建筑，內(nèi)部布局盡可能采用大空間設(shè)計(jì)保證自然通風(fēng)時(shí)各房間之間空間暢通，南北對(duì)稱布置的外窗使室內(nèi)形成通風(fēng)通道，有利于誘導(dǎo)自然風(fēng)深入內(nèi)區(qū)空間形成“穿堂風(fēng)”，提升室內(nèi)換氣次數(shù)。

研發(fā)中心和科研樓之間設(shè)計(jì)內(nèi)庭院優(yōu)化低樓層區(qū)域通風(fēng)效果。設(shè)置內(nèi)庭院后，研發(fā)中心和科研樓近地面處的風(fēng)速有一定程度的增加，并仍在舒適范圍內(nèi)。這是由于內(nèi)庭院與建筑之間形成拔風(fēng)作用導(dǎo)致研發(fā)中心和科研樓低層和內(nèi)庭院區(qū)域的風(fēng)壓為負(fù)壓值，產(chǎn)生風(fēng)壓差，使底層架空空間處的風(fēng)速值也有所增大，改善了原本風(fēng)速一般的風(fēng)環(huán)境，對(duì)底層室內(nèi)空間的自然通風(fēng)是有利的（見(jiàn)圖5）。

圖5 典型樓層平面圖

3.3 通風(fēng)開(kāi)口優(yōu)化設(shè)計(jì)

建筑通風(fēng)開(kāi)口顯著影響房間風(fēng)速及流線分布，特別是建筑外窗開(kāi)啟面積和位置的設(shè)置，是保證室內(nèi)實(shí)現(xiàn)良好的自然通風(fēng)的關(guān)鍵。《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50378-2019）中關(guān)于公共建筑自然通風(fēng)方式下房間通風(fēng)開(kāi)口面積比規(guī)定，“過(guò)渡季典型工況下主要功能房間平均自然通風(fēng)換氣次數(shù)不小于2 次/h 的面積比例達(dá)到70%，得5 分；每再增加10%，再得1 分，最高得8 分。”如公共建筑進(jìn)深大，或者由于特殊原因不能保證外窗通風(fēng)開(kāi)口面積，僅依靠自然風(fēng)壓與熱壓不足以實(shí)現(xiàn)良好的自然通風(fēng)，則需進(jìn)行自然通風(fēng)優(yōu)化或創(chuàng)新設(shè)計(jì)，以保證建筑在過(guò)渡季典型工況下平均自然通風(fēng)換氣次數(shù)大于2次/h。

通過(guò)本項(xiàng)目室內(nèi)風(fēng)速模擬結(jié)果可見(jiàn)，進(jìn)風(fēng)口處有明顯的氣流經(jīng)過(guò)，即通風(fēng)構(gòu)造可以有效地引導(dǎo)并組織室內(nèi)通風(fēng)，同時(shí)由于進(jìn)出風(fēng)口的對(duì)流，氣流相互摻混碰撞后加速擴(kuò)散，使得室內(nèi)更多區(qū)域有氣流經(jīng)過(guò)，進(jìn)一步優(yōu)化了室內(nèi)風(fēng)速場(chǎng)。本項(xiàng)目通風(fēng)開(kāi)口面積與房間地板面積的比例控制達(dá)到8%以上，外窗在基于室內(nèi)大空間布局下對(duì)稱開(kāi)口。模擬結(jié)果顯示，本項(xiàng)目典型樓層主要功能房間的換氣次數(shù)達(dá)標(biāo)面積比例為86.33%，平均空氣齡為89.6 s，室內(nèi)通風(fēng)效果良好，有效降低了空調(diào)能耗（見(jiàn)圖6）。

圖6 室內(nèi)風(fēng)速模擬圖

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，運(yùn)用CFD 模擬建筑室內(nèi)外空間風(fēng)環(huán)境進(jìn)行綠色建筑方案的優(yōu)化，可以高效精準(zhǔn)的為建筑設(shè)計(jì)師提供被動(dòng)式設(shè)計(jì)參考依據(jù)。夏熱冬冷地區(qū)公共建筑通過(guò)合理的通風(fēng)設(shè)計(jì)可有效降低建筑能耗，自然通風(fēng)優(yōu)化可從建筑總體布局、單體建筑兩個(gè)方面進(jìn)行考慮。室外風(fēng)環(huán)境行走舒適性是影響建筑總體布局的主要參考因素之一，在室外風(fēng)速偏大時(shí)，可通過(guò)喬灌木植物合理的布置和搭配優(yōu)化行走舒適性；單體建筑合理的建筑形體、通風(fēng)開(kāi)口位置和面積、內(nèi)部空間布局設(shè)計(jì)是改善內(nèi)部空間自然通風(fēng)較為有效的手段。自然通風(fēng)這種經(jīng)濟(jì)、健康、舒適的通風(fēng)方式必然是綠色、低碳、可持續(xù)發(fā)展建筑重點(diǎn)應(yīng)用的節(jié)能方式之一。