文化建筑中庭自然通風優(yōu)化探析
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摘要：采用CFD計算流體力學方法對上海市某文化建筑中庭室內自然通風進行了數(shù)值模擬計算，分析其室內中庭風速、空氣齡分布情況，并設計三種優(yōu)化方案改善其中庭內部自然通風效果。研究得出該建筑原設計方案中庭一層自然通風效果最好，隨高度升高，二、三層自然通風效果逐漸變差。通過優(yōu)化圍護結構開口大小、開口高度兩種設計參數(shù)能夠顯著改善二、三層自然通風效果和舒適性?？蔀楸镜貐^(qū)該類型建筑中庭的自然通風設計優(yōu)化提供一定的參考。
關鍵詞：中庭優(yōu)化設計自然通風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，其東側為一六邊形美術館?？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評價標準
綜合考慮建筑中庭內的風速及空氣齡，對中庭自然通風效果進行合理判斷及評價。1）風速標準：《建筑通風效果測試與評價標準》JGJ309T-2013中第3.2.6條的第2點規(guī)定：“自然通風室內人員活動區(qū)空氣流速應在0.3m/s~0.8m/s之間。”[1]2）空氣齡標準：目前的標準、規(guī)定并沒有對室內空氣齡作出明確的要求，經查找相關文獻，將健康的空氣齡標準定為500s[2]。自然通風時室溫較高，過小的風速對散熱不利，舒適度降低，而風速過大會影響人體舒適性，因此自然通風的風速不宜過小也不宜過大?？諝恺g是房間內某點空氣在房間內已經滯留的時間，反映了室內空氣的新鮮程度，是評價室內空氣品質的重要指標。
3技術路線
3.1模擬軟件
由CD-adapco公司開發(fā)的CFD軟件STAR-CCM+，其具有：強大的網(wǎng)格處理能力、先進的物理模型、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)源于航空航天領域的需求，現(xiàn)已進入到流體流動有重要作用的所有領域，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，在遠離壁面的地方采用的是k-e模型。采用Boussinesq渦粘假設，其微分方程詳見文獻[3]。其他條件設置為三維穩(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，按照不影響室外風場為原則進行幾何模型簡化。本項目遠離市區(qū)，建筑周邊除有一棟與本文化建筑一同設計的美術館外，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、西南側和東南側有共享空間可以直接通到室外。根據(jù)《建筑環(huán)境數(shù)值模擬技術規(guī)程》DB31/T922-2015中的要求建立室內外物理模型（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)進行分析，得到上海地區(qū)過渡季節(jié)10m高空的主導風向為NNE，風頻為11.5%，主導風向上的平均風速為4.05m/s。
3.4邊界條件
1）氣流進口使用速度邊界，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）上空面和兩側面則為自由滑移表面（slipwall）邊界。
4模擬方案及結果分析
4.1原方案
4.1.1原方案模擬結果。建筑中庭內，一至三層距地面（樓板）1.5m高度處的風場和空氣齡分布如圖2~4所示。從圖2~4風速矢量圖可以看出，一層：中庭進風口處風速最大，最大風速為3.44m/s，而在建筑中心遮擋物后及南部門廳區(qū)風速較小。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：中庭進風口處風速最大，最大風速為3.28m/s，其他區(qū)域風速分布較均勻。中庭內最大空氣齡為718.8s，出現(xiàn)在中庭中心處。三層：中庭進風口處風速最大，最大風速為2.99m/s，而在中庭西部區(qū)域風速較小。中庭內西部區(qū)域空氣齡較大，最大空氣齡為875.0s。圖5為建筑中庭沿風速方向的中心剖面上的風速矢量圖和空氣齡云圖。從圖5可以看出，氣流在進入中庭后與中庭內空氣不斷混合，氣流組織較為復雜。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原方案達標比例。將以上原方案的模擬結果，按照滿足風速指標和空氣齡指標的達標面積比例匯總到表1中。某文化建筑中庭一層自然通風效果最好，風速在0.3~0.8m/s范圍內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%，舒適性和空氣品質都較好。中庭內隨高度增加，二層、三層自然通風效果很差，二層、三層中庭內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量都較差，自然通風均需要進一步優(yōu)化。
4.2優(yōu)化方案
4.2.1優(yōu)化方案設計。與中庭自然通風有關的建筑設計因素可能有中庭平面形狀，中庭尺寸，圍護結構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計師綜合考慮藝術性，經濟性，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，修改起來復雜且可實現(xiàn)性不強，可考慮通過修改圍護結構開口尺寸和開口高度來對其進行通風優(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結構開口尺寸很小，只能盡可能增大此因素的取值來對自然通風進行優(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將圍護結構開口尺寸增大一倍，即通風開口面積占地比增大為7.8%，開口高度保持不變。方案2圍護結構開口尺寸不變，開口高度增高為3.0m，即將通風口改為高窗，窗臺高為3.0m。方案3將圍護結構開口尺寸增大一倍，并將通風口改為高窗，即通風開口面積占地比增大為7.8%，窗臺高改為3.0m。4.2.2優(yōu)化方案模擬結果分析。將三種優(yōu)化方案進行自然通風的數(shù)值模擬，并將模擬結果的風速和空氣齡綜合達標面積比例與原始方案對比，如表3所示。方案1建筑中庭自然通風優(yōu)化效果顯著，綜合達標比例一層比原方案提高12.2%，二、三層分別提高39.3%和45.8%。中庭內最大風速大于3.44m/s，吹風感較強烈。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，空氣質量有很大改善。方案2建筑中庭自然通風優(yōu)化效果明顯不如方案1，綜合達標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%。中庭內最大風速在0.72~0.84m/s內，吹風感大大改善，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，空氣質量較原方案差。方案3建筑中庭自然通風優(yōu)化效果二、三層較明顯，綜合達標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%。中庭內最大風速在0.84~1.31m/s內，吹風感有所改善，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，空氣質量較差?？傮w來看，方案1的綜合達標比例提高的最多，中庭自然通風優(yōu)化效果最好，但風速較大，吹風感強烈，舒適性較差。方案2的二、三層綜合達標比例提高5%以上，中庭自然通風優(yōu)化效果不理想，但中庭內風速較低，人體舒適性較好，而空氣齡較大，空氣新鮮程度較差。方案3的一層綜合達標比例幾乎無變化，二、三層綜合達標比例明顯提高，中庭自然通風優(yōu)化效果顯著。中庭內風速較低，最大風速在1.5m/s以下，改善了原方案的吹風感，且中庭內最大空氣齡較原方案有所降低，但門廳內空氣質量依然較差。三種方案對中庭一層的自然通風優(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，且距離進風口較遠且面積很大，阻礙了氣流流動，室外新鮮空氣很難到達門廳區(qū)，在其背風面形成了大面積的靜風區(qū)（＜0.3m/s）。縱向來看，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標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標比例是方案2的2~6倍，說明圍護結構開口大小因素的影響力度遠大于開口高度因素。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和室內舒適性效果較好，但結果卻并不是二者的簡單線性疊加。
5結語
隨著當前經濟、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烈，大型文化建筑是城市的標志，近年來建設數(shù)量不斷上漲。針對上海市某擬建文化建筑，運用CFD軟件分析該建筑中庭自然通風效果，并設計三種優(yōu)化方案進行分析評價，構建更加良好舒適的室內環(huán)境，并得到以下結論：當建筑中庭自然通風效果較差時，可通過優(yōu)化圍護結構開口大小、開口高度等設計參數(shù)來改善室內環(huán)境。圍護結構開口大小因素的影響力度遠大于開口高度因素，綜合優(yōu)化兩種因素后的中庭自然通風結果結合了兩者的優(yōu)點，自然通風和室內舒適性較好，但并不是二者的簡單線性疊加，兩種因素的疊加效應原理有待進一步分析研究。
作者:李晨玉 王健 朱換換 謝孟曉 單位:同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司 同濟大學機械與能源工程學院
