黑瞎子島植物園建筑風(fēng)環(huán)境分析

胡 洪 陸 揚(yáng) 蘇 駿

(1.上海建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200041;2.上?，F(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)(集團(tuán))有限公司，上海 200041)

1 工程概況

黑龍江省黑瞎子島植物園位于我國(guó)東北地區(qū)，黑龍江省撫遠(yuǎn)縣黑瞎子島主島上，黑瞎子島部分處于我國(guó)的最東方。本工程為島上獨(dú)立植物園，建筑面積約19 284m2，包括地上展覽溫室建筑面積約9 784m2，地下附屬用房建筑面積約9 500m2。展覽溫室用以展示生長(zhǎng)在不同地域和氣候條件的植物及其生存環(huán)境。

2 地理與氣象環(huán)境

黑瞎子島位于 E134°27'，N48 °17'，海拔高度81.2m，夏季主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲髂巷L(fēng)，2.9m/s，當(dāng)?shù)卮髿鈮毫?994.1kPa。

由于地球上各區(qū)域的不同緯度和太陽(yáng)方位角使得其接受太陽(yáng)輻射熱量不同，再加上地球自轉(zhuǎn)，大氣環(huán)流形成，進(jìn)而形成地球宏觀氣候;而近地面地區(qū)生物的生存、人對(duì)自然資源的利用與開發(fā)、各種建造活動(dòng)等人為因素影響等，影響了區(qū)域性生態(tài)，改變了大氣中各物質(zhì)的組成結(jié)構(gòu)，使局部氣候狀況出現(xiàn)變化，進(jìn)而形成了特定地區(qū)的微觀氣候特征。而建筑的形成受宏觀氣候與區(qū)域微觀氣候的共同作用，氣候差異性在不同地區(qū)建筑特征上呈現(xiàn)出一定的多樣性[1-3]。

圖1 黑瞎子島地理位置

展覽溫室是由人工控制的、展示生長(zhǎng)在不同地域和氣候條件的植物及其生存環(huán)境的空間，而不同地域和氣候條件下的植物要求不同的生存環(huán)境。為此，采用空氣調(diào)節(jié)技術(shù)對(duì)展覽溫室內(nèi)部環(huán)境進(jìn)行調(diào)節(jié)，即通過(guò)科學(xué)技術(shù)手段，以空調(diào)、采暖、通風(fēng)等技術(shù)措施來(lái)模擬展覽植物原生長(zhǎng)地的溫度、相對(duì)濕度、通風(fēng)狀況和CO2濃度，再造展覽植物的原長(zhǎng)地生態(tài)環(huán)境，營(yíng)造植物健康成長(zhǎng)的室內(nèi)環(huán)境，同時(shí)保證全年公眾觀園游覽、學(xué)習(xí)認(rèn)識(shí)的舒適性。

3 室外風(fēng)環(huán)境

不同區(qū)域條件存在不同的風(fēng)環(huán)境狀況，室外風(fēng)環(huán)境這一氣候因子直接影響到建筑的布局、形體、圍護(hù)結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生以及相關(guān)技術(shù)的選擇[4]。為此，在建筑方案初期就充分考慮到建筑體得朝向，結(jié)合CFD技術(shù)來(lái)達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。

建立了建筑體的BIM模型，并利用模型生成CFD需要的分析模型，導(dǎo)入CFD相關(guān)軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分、邊界條件指定和流場(chǎng)計(jì)算。并在計(jì)算過(guò)程中動(dòng)態(tài)調(diào)整流場(chǎng)的建筑體的朝向，使建筑布局充分迎合當(dāng)?shù)叵募局鲗?dǎo)風(fēng)向，以此加強(qiáng)建筑內(nèi)部自然通風(fēng)效果。計(jì)算所得的室外風(fēng)場(chǎng)矢量圖和云圖如圖2、圖3所示。

從室外風(fēng)速矢量圖和風(fēng)速云圖來(lái)看，夏季的主導(dǎo)風(fēng)西南風(fēng)迎建筑西南面吹來(lái)，此時(shí)建筑下部窗戶和ETFE膜同時(shí)開啟，引導(dǎo)空氣穿越為室內(nèi)導(dǎo)風(fēng)，很好地加強(qiáng)了室內(nèi)自然通風(fēng)效果;建筑外部橢球形表面使得室外風(fēng)自然分流，繞建筑表面兩側(cè)前行，并在橢球中后部出現(xiàn)邊界層分離，兩股氣流交匯前行。整個(gè)建筑外部區(qū)域沒(méi)有出現(xiàn)大的旋渦和氣流死角，這樣很好地避免了熱量在此堆積，及時(shí)將建筑外部余熱帶走，避免產(chǎn)生局部熱堆積效應(yīng);同時(shí)也避免了旋渦區(qū)域空氣停留聚集，加強(qiáng)了建筑外部通風(fēng)換氣，為建筑營(yíng)造一個(gè)良好的室外通風(fēng)環(huán)境。

4 室內(nèi)平面通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)

4.1 室內(nèi)平面通風(fēng)

在夏季和過(guò)度季節(jié)，采用可開啟ETFE膜進(jìn)行自然通風(fēng)，同時(shí)頂部適當(dāng)遮蔭，滿足夏季植物區(qū)降溫要求;在建筑下、中部設(shè)置可開啟側(cè)窗引風(fēng)，頂部天窗排風(fēng)，開窗面積為建筑面積14%，利用室外風(fēng)力所造成的風(fēng)壓以及室內(nèi)外溫度差所造成的熱壓來(lái)實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng)換氣，這一過(guò)程不僅引入了大量室外新風(fēng)提高了室內(nèi)舒適程度，同時(shí)使室外風(fēng)通過(guò)溫室植物區(qū)，帶走溫室熱量，達(dá)到自然通風(fēng)降溫的目的，大大降低了建筑空調(diào)能耗。

從室內(nèi)Z=1.5m標(biāo)高平面自然通風(fēng)矢量圖來(lái)看，室外風(fēng)通過(guò)外窗和可開啟ETFE膜進(jìn)入室內(nèi)，外窗和可開啟ETFE膜起到很好地導(dǎo)風(fēng)作用，促使室外自然風(fēng)進(jìn)入室內(nèi)各植物區(qū)，為植物呼吸帶來(lái)新鮮空氣的同時(shí)，帶走了室內(nèi)的熱量，使得植物處于一個(gè)適宜的熱濕風(fēng)環(huán)境下，保證植物的健康成長(zhǎng);同時(shí)，室內(nèi)各區(qū)域自然風(fēng)在各植物區(qū)域流動(dòng)暢通，沒(méi)有出現(xiàn)大的旋渦和氣流死角，這樣很好地避免了污濁空氣和粉塵在房間內(nèi)聚集，及時(shí)將其排出室外，保證了植物區(qū)和人員活動(dòng)區(qū)域的空氣品質(zhì)。

4.2 室內(nèi)空氣調(diào)節(jié)

展覽溫室是以熱帶、亞熱帶及其他具有特殊氣候或地域的植物種類為主要對(duì)象，根據(jù)植物生長(zhǎng)需求，夏季植物區(qū)溫度保持35℃以下便可不影響其生長(zhǎng)，所以從節(jié)約能源出發(fā)，并征詢有關(guān)植物學(xué)專家意見，溫室內(nèi)空調(diào)僅對(duì)人行道進(jìn)行局部區(qū)域空調(diào)，保證游人區(qū)域適當(dāng)?shù)氖孢m性。如圖5中，熱帶植物區(qū)區(qū)域的人行道地面布置了空調(diào)送風(fēng)口。人行道空調(diào)送風(fēng)采用全新風(fēng)機(jī)器露點(diǎn)送風(fēng)，夏季新風(fēng)處理到溫度20℃。

1.5m高度是人體活動(dòng)的重要范圍，其范圍內(nèi)的溫濕度直接關(guān)系到人體舒適，為此，此區(qū)域的風(fēng)速和溫度需要我們重點(diǎn)考慮。圖中給出了1.5m標(biāo)高處室內(nèi)溫度分布云圖，從圖中溫度分布來(lái)看，人體主要活動(dòng)的道路范圍內(nèi)，溫度基本維持在23～26℃左右，這一范圍正好能滿足人體的舒適性需求;而道路兩側(cè)的溫度相對(duì)較高一些，平均約為28～30℃左右，這一溫度范圍也是植物生產(chǎn)需求的合適溫度區(qū)域。

從溫度分布云圖可以看出，路面下送風(fēng)形式僅僅對(duì)溫室內(nèi)人體活動(dòng)的小部分范圍(道路)進(jìn)行局部空氣調(diào)節(jié)，保證人體舒適性，同時(shí)也達(dá)到滿足植物生產(chǎn)的合適溫度需求。這樣設(shè)計(jì)的路面送風(fēng)“置換式(通風(fēng))”形式不僅達(dá)到了設(shè)計(jì)得目的，而且起到了很好的節(jié)能效果。

5 剖面風(fēng)與熱環(huán)境

新鮮空氣從開啟的門窗進(jìn)入，利用熱壓通風(fēng)和風(fēng)壓通風(fēng)實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng)，排出的空氣在中庭上空匯合，從頂部可開啟天窗拔出。中庭天窗出口空氣在太陽(yáng)直接輻射作用下溫度進(jìn)一步升高，同時(shí)反作用于出口處，加強(qiáng)了天窗拔風(fēng)效果。

從剖面溫度分布來(lái)看，路面下送風(fēng)置換式通風(fēng)形式取得的效果更為直觀、更明顯。室內(nèi)出現(xiàn)了明顯的溫度分層，梯度十分明顯。下部1～2m范圍內(nèi)為人體活動(dòng)區(qū)域，其溫度控制在23～26℃范圍內(nèi);這一范圍內(nèi)空氣在吸收室內(nèi)余熱余后溫度升高、密度將小，熱空氣慢慢上浮，與室外風(fēng)一起匯合從屋頂天窗導(dǎo)出。室內(nèi)人體活動(dòng)的范圍形成了一個(gè)相對(duì)的“低溫空氣湖”，不僅很好地滿足了人體的舒適性需求，同時(shí)達(dá)到了明顯的節(jié)能效果。

6 總結(jié)

隨著BIM技術(shù)的逐步發(fā)展，其在一些復(fù)雜造型復(fù)雜、超高層建筑等的應(yīng)用中越來(lái)越受到重視。黑瞎子植物園在建筑設(shè)計(jì)初期就成功地引入了BIM技術(shù)。如今，CFD技術(shù)廣泛運(yùn)用于建筑群體風(fēng)環(huán)境、室內(nèi)自然通風(fēng)、室內(nèi)空調(diào)溫度場(chǎng)以及熱舒適性計(jì)算，這在很大程度上可以指導(dǎo)建筑總體布局、建筑朝向以及室內(nèi)通風(fēng)、空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。在BIM技術(shù)日益推廣和應(yīng)用下，本文介紹了在BIM技術(shù)下，CFD技術(shù)的成功切入和應(yīng)用。并對(duì)植物園室外風(fēng)環(huán)境、室內(nèi)自然通風(fēng)、空調(diào)流場(chǎng)及熱舒適性等進(jìn)行了模擬計(jì)算。根據(jù)模擬的建筑室外風(fēng)環(huán)境結(jié)果動(dòng)態(tài)地調(diào)整和優(yōu)化建筑布局和朝向，使建筑擺放充分迎合夏季主導(dǎo)風(fēng)向，強(qiáng)化室內(nèi)自然通風(fēng)。同時(shí)，在暖通設(shè)計(jì)時(shí)，充分考慮到園區(qū)植物的生長(zhǎng)條件和游人的舒適性需要，采用緊緊對(duì)游人所在的觀賞道路上進(jìn)行路面送風(fēng)。同時(shí)，采用CFD技術(shù)對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了模擬計(jì)算。根據(jù)CFD的室內(nèi)溫濕度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果來(lái)看，這種設(shè)計(jì)方案能夠滿足植物的生長(zhǎng)條件需求，又能保證游人區(qū)域的舒適性，同時(shí)還起到了良好的節(jié)能效果。

[1]周淑貞等.氣象學(xué)與氣候?qū)W[M].第三版.北京:高等教育出版社，1997.

[2]楊柳.建筑氣候分析與設(shè)計(jì)策略研究[D].西安:西安建筑科技大學(xué)，2003.

[3] 周淑貞，束炯.城市氣候?qū)W[M].北京:氣相出版社，1994.

[4]陳飛.建筑風(fēng)環(huán)境——夏熱冬冷氣候區(qū)風(fēng)環(huán)境研究與建筑節(jié)能設(shè)計(jì)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社.2009.

[5]王旭，孫炳楠，陳勇，樓文娟.基于CFD的住宅小區(qū)風(fēng)環(huán)境研究[J].土木建筑工程信息技術(shù)，2009，1(1):35-39.