文化建筑中庭自然通風(fēng)優(yōu)化探析

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摘要：采用CFD計算流體力學(xué)方法對上海市某文化建筑中庭室內(nèi)自然通風(fēng)進(jìn)行了數(shù)值模擬計算，分析其室內(nèi)中庭風(fēng)速、空氣齡分布情況，并設(shè)計三種優(yōu)化方案改善其中庭內(nèi)部自然通風(fēng)效果。研究得出該建筑原設(shè)計方案中庭一層自然通風(fēng)效果最好，隨高度升高，二、三層自然通風(fēng)效果逐漸變差。通過優(yōu)化圍護(hù)結(jié)構(gòu)開口大小、開口高度兩種設(shè)計參數(shù)能夠顯著改善二、三層自然通風(fēng)效果和舒適性?？蔀楸镜貐^(qū)該類型建筑中庭的自然通風(fēng)設(shè)計優(yōu)化提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：中庭優(yōu)化設(shè)計自然通風(fēng)CFD數(shù)值模擬文化建筑

1項目概況

某文化建筑位于上海市，建筑平面呈規(guī)則的六邊形，邊長約70m，其東側(cè)為一六邊形美術(shù)館?？偨ㄖ娣e為35284m2，建筑高度23.6m，地上三層，每層各有一層夾層。一層主要功能房間為展廳和門廳，二層為展廳，三層為展廳、辦公和庫房，夾層為設(shè)備用房。建筑中心為一平面截面為正三角形的中庭，邊長約72.8m，貫通1~3層。

2評價標(biāo)準(zhǔn)

綜合考慮建筑中庭內(nèi)的風(fēng)速及空氣齡，對中庭自然通風(fēng)效果進(jìn)行合理判斷及評價。1）風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)：《建筑通風(fēng)效果測試與評價標(biāo)準(zhǔn)》JGJ309T-2013中第3.2.6條的第2點規(guī)定：“自然通風(fēng)室內(nèi)人員活動區(qū)空氣流速應(yīng)在0.3m/s~0.8m/s之間?！盵1]2）空氣齡標(biāo)準(zhǔn)：目前的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)定并沒有對室內(nèi)空氣齡作出明確的要求，經(jīng)查找相關(guān)文獻(xiàn)，將健康的空氣齡標(biāo)準(zhǔn)定為500s[2]。自然通風(fēng)時室溫較高，過小的風(fēng)速對散熱不利，舒適度降低，而風(fēng)速過大會影響人體舒適性，因此自然通風(fēng)的風(fēng)速不宜過小也不宜過大。空氣齡是房間內(nèi)某點空氣在房間內(nèi)已經(jīng)滯留的時間，反映了室內(nèi)空氣的新鮮程度，是評價室內(nèi)空氣品質(zhì)的重要指標(biāo)。

3技術(shù)路線

3.1模擬軟件

由CD-adapco公司開發(fā)的CFD軟件STAR-CCM+，其具有：強(qiáng)大的網(wǎng)格處理能力、先進(jìn)的物理模型、多面體網(wǎng)格劃分功能、穩(wěn)健可信賴、多種文件格式兼容等特點，早期發(fā)源于航空航天領(lǐng)域的需求，現(xiàn)已進(jìn)入到流體流動有重要作用的所有領(lǐng)域，包括建筑行業(yè)。STAR-CCM+提供了多種湍流模型，在保證滿足計算精度的前提下選用SSTk-o湍流模型，這種模型在近壁面采用的是k-o模型，在遠(yuǎn)離壁面的地方采用的是k-e模型。采用Boussinesq渦粘假設(shè)，其微分方程詳見文獻(xiàn)[3]。其他條件設(shè)置為三維穩(wěn)態(tài)理想氣體，湍流流動，采用分離流求解器。

3.2幾何模型

依據(jù)建筑總平面圖考慮周圍建筑的影響，按照不影響室外風(fēng)場為原則進(jìn)行幾何模型簡化。本項目遠(yuǎn)離市區(qū)，建筑周邊除有一棟與本文化建筑一同設(shè)計的美術(shù)館外，幾乎無其他建筑。該文化建筑一層門廳面積891.2m2，中庭2080.7m2，在博物館的北側(cè)、西南側(cè)和東南側(cè)有共享空間可以直接通到室外。根據(jù)《建筑環(huán)境數(shù)值模擬技術(shù)規(guī)程》DB31/T922-2015中的要求建立室內(nèi)外物理模型（圖1）并確定計算域范圍。

3.3氣象參數(shù)

該文化建筑位于上海市，對《中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》[5]中上海市典型氣象年過渡季節(jié)的參數(shù)進(jìn)行分析，得到上海地區(qū)過渡季節(jié)10m高空的主導(dǎo)風(fēng)向為NNE，風(fēng)頻為11.5%，主導(dǎo)風(fēng)向上的平均風(fēng)速為4.05m/s。

3.4邊界條件

1）氣流進(jìn)口使用速度邊界，速度值則可根據(jù)式（1）確定：u(z)=u(z1)(z/z1)a（1）式中：z1=10m；u(z1)=z1高度上的平均風(fēng)速，4.05m/s；a為地面粗糙度，本項目位于上海市徐匯區(qū)，地面粗糙度按C類地區(qū)取值：0.22[6]。2）流出口采用壓力邊界。3）上空面和兩側(cè)面則為自由滑移表面（slipwall）邊界。

4模擬方案及結(jié)果分析

4.1原方案

4.1.1原方案模擬結(jié)果。建筑中庭內(nèi)，一至三層距地面（樓板）1.5m高度處的風(fēng)場和空氣齡分布如圖2~4所示。從圖2~4風(fēng)速矢量圖可以看出，一層：中庭進(jìn)風(fēng)口處風(fēng)速最大，最大風(fēng)速為3.44m/s，而在建筑中心遮擋物后及南部門廳區(qū)風(fēng)速較小。中庭中心遮擋物后的空氣齡較大，為687.5s；南部門廳區(qū)的空氣齡也很大，最大空氣齡為1500s。二層：中庭進(jìn)風(fēng)口處風(fēng)速最大，最大風(fēng)速為3.28m/s，其他區(qū)域風(fēng)速分布較均勻。中庭內(nèi)最大空氣齡為718.8s，出現(xiàn)在中庭中心處。三層：中庭進(jìn)風(fēng)口處風(fēng)速最大，最大風(fēng)速為2.99m/s，而在中庭西部區(qū)域風(fēng)速較小。中庭內(nèi)西部區(qū)域空氣齡較大，最大空氣齡為875.0s。圖5為建筑中庭沿風(fēng)速方向的中心剖面上的風(fēng)速矢量圖和空氣齡云圖。從圖5可以看出，氣流在進(jìn)入中庭后與中庭內(nèi)空氣不斷混合，氣流組織較為復(fù)雜。三層北部存在一個范圍很大的流動渦旋，此處空氣齡較大，最大空氣齡為937.5s。4.1.2原方案達(dá)標(biāo)比例。將以上原方案的模擬結(jié)果，按照滿足風(fēng)速指標(biāo)和空氣齡指標(biāo)的達(dá)標(biāo)面積比例匯總到表1中。某文化建筑中庭一層自然通風(fēng)效果最好，風(fēng)速在0.3~0.8m/s范圍內(nèi)的面積占中庭總面積的71.8%，空氣齡在500s以下的面積占中庭總面積的77.1%，舒適性和空氣品質(zhì)都較好。中庭內(nèi)隨高度增加，二層、三層自然通風(fēng)效果很差，二層、三層中庭內(nèi)有觀光樓梯屬于人員活動區(qū)，南部門廳的舒適性和空氣質(zhì)量都較差，自然通風(fēng)均需要進(jìn)一步優(yōu)化。

4.2優(yōu)化方案

4.2.1優(yōu)化方案設(shè)計。與中庭自然通風(fēng)有關(guān)的建筑設(shè)計因素可能有中庭平面形狀，中庭尺寸，圍護(hù)結(jié)構(gòu)開口大小及開口高度等。建筑體型、中庭平面形狀及尺寸是設(shè)計師綜合考慮藝術(shù)性，經(jīng)濟(jì)性，環(huán)境及城市規(guī)劃要求和業(yè)主需求之后確定的，受主客觀因素影響，修改起來復(fù)雜且可實現(xiàn)性不強(qiáng)，可考慮通過修改圍護(hù)結(jié)構(gòu)開口尺寸和開口高度來對其進(jìn)行通風(fēng)優(yōu)化。由于受建筑形體和房間功能的限制，該文化建筑的中庭圍護(hù)結(jié)構(gòu)開口尺寸很小，只能盡可能增大此因素的取值來對自然通風(fēng)進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化方案如表2所示。三種方案的平面形狀和中庭尺寸取值都保持不變，方案1將圍護(hù)結(jié)構(gòu)開口尺寸增大一倍，即通風(fēng)開口面積占地比增大為7.8%，開口高度保持不變。方案2圍護(hù)結(jié)構(gòu)開口尺寸不變，開口高度增高為3.0m，即將通風(fēng)口改為高窗，窗臺高為3.0m。方案3將圍護(hù)結(jié)構(gòu)開口尺寸增大一倍，并將通風(fēng)口改為高窗，即通風(fēng)開口面積占地比增大為7.8%，窗臺高改為3.0m。4.2.2優(yōu)化方案模擬結(jié)果分析。將三種優(yōu)化方案進(jìn)行自然通風(fēng)的數(shù)值模擬，并將模擬結(jié)果的風(fēng)速和空氣齡綜合達(dá)標(biāo)面積比例與原始方案對比，如表3所示。方案1建筑中庭自然通風(fēng)優(yōu)化效果顯著，綜合達(dá)標(biāo)比例一層比原方案提高12.2%，二、三層分別提高39.3%和45.8%。中庭內(nèi)最大風(fēng)速大于3.44m/s，吹風(fēng)感較強(qiáng)烈。最大空氣齡大于468.8s，空氣新鮮，門廳區(qū)域的最大空氣齡為984.4s，空氣質(zhì)量有很大改善。方案2建筑中庭自然通風(fēng)優(yōu)化效果明顯不如方案1，綜合達(dá)標(biāo)比例一層甚至比原方案降低了17.0%，而二、三層分別提高6.0%和8.2%。中庭內(nèi)最大風(fēng)速在0.72~0.84m/s內(nèi)，吹風(fēng)感大大改善，符合人體舒適度。最大空氣齡大于875.0s，門廳區(qū)域的最大空氣齡為1937.5s，空氣質(zhì)量較原方案差。方案3建筑中庭自然通風(fēng)優(yōu)化效果二、三層較明顯，綜合達(dá)標(biāo)比例比原方案分別提高26.5%和51.7%，一層僅比原方案提高1.4%。中庭內(nèi)最大風(fēng)速在0.84~1.31m/s內(nèi)，吹風(fēng)感有所改善，比較符合人體舒適度。最大空氣齡大于625.0s，空氣較原方案新鮮，門廳區(qū)域的最大空氣齡為1625.0s，空氣質(zhì)量較差?？傮w來看，方案1的綜合達(dá)標(biāo)比例提高的最多，中庭自然通風(fēng)優(yōu)化效果最好，但風(fēng)速較大，吹風(fēng)感強(qiáng)烈，舒適性較差。方案2的二、三層綜合達(dá)標(biāo)比例提高5%以上，中庭自然通風(fēng)優(yōu)化效果不理想，但中庭內(nèi)風(fēng)速較低，人體舒適性較好，而空氣齡較大，空氣新鮮程度較差。方案3的一層綜合達(dá)標(biāo)比例幾乎無變化，二、三層綜合達(dá)標(biāo)比例明顯提高，中庭自然通風(fēng)優(yōu)化效果顯著。中庭內(nèi)風(fēng)速較低，最大風(fēng)速在1.5m/s以下，改善了原方案的吹風(fēng)感，且中庭內(nèi)最大空氣齡較原方案有所降低，但門廳內(nèi)空氣質(zhì)量依然較差。三種方案對中庭一層的自然通風(fēng)優(yōu)化效果都不理想，方案2甚至出現(xiàn)了明顯降低的現(xiàn)象。這可能是由于該文化建筑一層中庭中心位置有一梯形房間，且距離進(jìn)風(fēng)口較遠(yuǎn)且面積很大，阻礙了氣流流動，室外新鮮空氣很難到達(dá)門廳區(qū)，在其背風(fēng)面形成了大面積的靜風(fēng)區(qū)（＜0.3m/s）?？v向來看，除方案3的三層外，三種方案都表現(xiàn)出了隨高度增加綜合達(dá)標(biāo)比例逐漸降低的特點。橫向來看，方案1比原方案提高的綜合達(dá)標(biāo)比例是方案2的2~6倍，說明圍護(hù)結(jié)構(gòu)開口大小因素的影響力度遠(yuǎn)大于開口高度因素。而方案3雖綜合了方案1和方案2的優(yōu)點，除門廳區(qū)域外對改善原方案的中庭自然通風(fēng)和室內(nèi)舒適性效果較好，但結(jié)果卻并不是二者的簡單線性疊加。

5結(jié)語

隨著當(dāng)前經(jīng)濟(jì)、科技、文化的發(fā)展，人們對于富有良好文化性建筑的需求越來越強(qiáng)烈，大型文化建筑是城市的標(biāo)志，近年來建設(shè)數(shù)量不斷上漲。針對上海市某擬建文化建筑，運(yùn)用CFD軟件分析該建筑中庭自然通風(fēng)效果，并設(shè)計三種優(yōu)化方案進(jìn)行分析評價，構(gòu)建更加良好舒適的室內(nèi)環(huán)境，并得到以下結(jié)論：當(dāng)建筑中庭自然通風(fēng)效果較差時，可通過優(yōu)化圍護(hù)結(jié)構(gòu)開口大小、開口高度等設(shè)計參數(shù)來改善室內(nèi)環(huán)境。圍護(hù)結(jié)構(gòu)開口大小因素的影響力度遠(yuǎn)大于開口高度因素，綜合優(yōu)化兩種因素后的中庭自然通風(fēng)結(jié)果結(jié)合了兩者的優(yōu)點，自然通風(fēng)和室內(nèi)舒適性較好，但并不是二者的簡單線性疊加，兩種因素的疊加效應(yīng)原理有待進(jìn)一步分析研究。

作者:李晨玉 王健 朱換換 謝孟曉 單位:同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計研究院（集團(tuán)）有限公司 同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院