內(nèi)廊式學(xué)生公寓室內(nèi)風(fēng)環(huán)境研究——以蘇州科技大學(xué)研究生宿舍樓為例

張康

（蘇州科技大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，江蘇　蘇州　215011）

內(nèi)廊式學(xué)生公寓室內(nèi)風(fēng)環(huán)境研究——以蘇州科技大學(xué)研究生宿舍樓為例

張康

（蘇州科技大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，江蘇蘇州215011）

通過(guò)對(duì)蘇州科技大學(xué)江楓校區(qū)的研究生宿舍樓（8#）室內(nèi)風(fēng)環(huán)境進(jìn)行數(shù)值模擬和實(shí)測(cè)記錄分析，來(lái)研究蘇州地區(qū)內(nèi)廊式學(xué)生公寓的室內(nèi)風(fēng)環(huán)境。并在文丘里效應(yīng)（Venturieffect）的基礎(chǔ)上，調(diào)整局部建筑空間來(lái)改善夏季（過(guò)渡季節(jié)）室內(nèi)風(fēng)環(huán)境。同時(shí)，借用DeST分析不同模式室內(nèi)風(fēng)環(huán)境對(duì)建筑全年能耗的影響。

風(fēng)環(huán)境；數(shù)值模擬；DeST；能耗

學(xué)生公寓對(duì)于各大院校的學(xué)生來(lái)說(shuō)是主要的學(xué)習(xí)、生活的場(chǎng)所之一。宿舍內(nèi)的熱環(huán)境直接關(guān)系到學(xué)生的學(xué)習(xí)質(zhì)量與心理健康［1］。文章用數(shù)值模擬蘇州夏季內(nèi)廊式宿舍室內(nèi)風(fēng)環(huán)境，通過(guò)合理調(diào)整局部空間來(lái)加強(qiáng)內(nèi)廊式公寓的自然通風(fēng)，提高室內(nèi)熱環(huán)境的質(zhì)量，從而減少建筑能耗。

1　建筑概況

該研究生宿舍樓（8#樓）位于蘇州市高新區(qū)蘇州科技大學(xué)江楓校區(qū)內(nèi)，南側(cè)為本科生宿舍樓，北側(cè)、東側(cè)為樟樹(shù)林，西側(cè)為籃球場(chǎng)，東側(cè)為二層高的教學(xué)樓（見(jiàn)圖1）。宿舍樓共六層，層高3.3m，總高度為19.8m。首層架空為設(shè)備間。二至六層為宿舍，標(biāo)準(zhǔn)層面積1 217.88m2（61.2m×19.9m），每層32個(gè)標(biāo)準(zhǔn)間，各宿舍標(biāo)準(zhǔn)間平面布局與門(mén)窗尺寸見(jiàn)圖2。

圖1　8#樓總平面（衛(wèi)星圖）

圖2　標(biāo)準(zhǔn)間平面及立面

2　氣象數(shù)據(jù)

蘇州屬于北亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，七月進(jìn)入盛夏，受副熱帶高壓影響，主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|南偏東，夏季最多風(fēng)向?yàn)槟希骄L(fēng)速為3.4m/s，夏季相對(duì)濕度69%［2］。根據(jù)蘇州市氣象統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表1可知，每年夏季中7、8月份室外溫度不高于最熱月平均溫度27.49℃且相對(duì)濕度不超過(guò)90%的天數(shù)都是近似于20天左右［3］?？紤]到冬季寒冷，自然通風(fēng)的主要利用還在夏季和過(guò)渡季節(jié)。因此，蘇州地區(qū)利用自然通風(fēng)改善室內(nèi)通風(fēng)效果具有很大的研究潛力。

表1　蘇州市氣象統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

3　風(fēng)場(chǎng)分析

獲得良好的室內(nèi)自然通風(fēng)效果一直是建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)中考慮的重要因素之一。建筑內(nèi)部的自然通風(fēng)是由于建筑的開(kāi)口（門(mén)、窗、過(guò)道等）處存在空氣壓力差而產(chǎn)生的空氣流動(dòng)［4］，而建筑開(kāi)口處的風(fēng)壓又與周邊風(fēng)場(chǎng)存在關(guān)系。因此，建筑周?chē)娘L(fēng)場(chǎng)分析對(duì)于研究室內(nèi)風(fēng)環(huán)境是很有必要的。圖3～圖6，所示為采用CFD軟件（PHOENICS:授權(quán)號(hào)9-050FCF1F，參數(shù)見(jiàn)表2）模擬8#樓夏季周邊場(chǎng)地的風(fēng)環(huán)境。圖3所示1#、4#和B、C號(hào)樓迎、背風(fēng)面形成了正壓區(qū)和負(fù)壓區(qū)，8#樓的迎風(fēng)面（南側(cè)）的正壓區(qū)風(fēng)速分布均勻。從圖4可知，建筑迎風(fēng)面風(fēng)壓在1.5 Pa左右，而背風(fēng)面風(fēng)壓在-3.8～2.4 Pa之間（除兩側(cè)），前后壓差約為4 Pa。而在夏季，建筑前后風(fēng)壓差大于1.5Pa是有利于實(shí)現(xiàn)建筑內(nèi)部的自然通風(fēng)［5］。由圖5可知，整個(gè)場(chǎng)地內(nèi)風(fēng)速較大，分布均勻，都在0.7～1m/s之間。這些都有利于自然通風(fēng)潛力的提升［6］。

表2　物理模型參數(shù)及邊界條件

圖3　8#樓室外夏季風(fēng)壓云圖

圖4　8#樓表面風(fēng)壓云圖

圖5　8#樓夏季室外風(fēng)速矢量圖

4　室內(nèi)風(fēng)環(huán)境分析及改善措施

4.1現(xiàn)有室內(nèi)風(fēng)環(huán)境分析

受風(fēng)場(chǎng)阻擋，背風(fēng)面房間的通風(fēng)效果會(huì)受到影響，主要是由于迎風(fēng)面建筑房間對(duì)室外行空氣流通進(jìn)行阻擋，使得內(nèi)廊兩邊的房間不能有效通風(fēng)［7］。為更好進(jìn)行研究，并提出改善措施，文章對(duì)室內(nèi)風(fēng)環(huán)境進(jìn)行數(shù)值模擬分析，邊界條件采用Opening作為風(fēng)的模塊，無(wú)滑移的壁面條件（Object）作為地面和建筑面，門(mén)窗口留洞。對(duì)于黏性流體，采用黏附條件，即認(rèn)同壁面處流體速度與壁面該處的速度相同。風(fēng)速參數(shù)選用前一章介紹的典型氣候條件。模擬結(jié)果如圖6所示，南北向宿舍的門(mén)窗均打開(kāi)時(shí)，南向各層宿舍內(nèi)的自然風(fēng)速（1.16～2.32 m/s）大于北向宿舍的風(fēng)速（0.39～1.4m/s）。同時(shí)，北向靠近山墻宿舍的室內(nèi)風(fēng)速（1.16～1.94m/s）又相對(duì)于中間部位的宿舍風(fēng)速（0.39～1.94m/s）要大一些。由此可知，中間部位宿舍的室內(nèi)通風(fēng)效果相比兩邊宿舍要差一些。因此，此次改善主要部位是針對(duì)各層中間宿舍。在此理論的基礎(chǔ)上，對(duì)原有宿舍樓局部進(jìn)行修改，列出幾個(gè)模式來(lái)進(jìn)行室內(nèi)的風(fēng)環(huán)境模擬分析。

4.2改善措施

從圖4～圖6可知，8#樓的兩側(cè)的風(fēng)速、風(fēng)壓都是要大于中間部位的。說(shuō)明兩側(cè)（山墻向）的宿舍自然通風(fēng)會(huì)比中間宿舍好一些。因此，為改善各種中間部位宿舍的風(fēng)環(huán)境，運(yùn)用文丘里效應(yīng)，在不改變開(kāi)窗大小與位置的情況下，通過(guò)在將中間的宿舍改造為半室外空間，形成“文丘里管（Venturi tube）”來(lái)提高室內(nèi)空氣流動(dòng)速度，從而產(chǎn)生低壓來(lái)改善相鄰宿舍的室內(nèi)風(fēng)速。通過(guò)對(duì)宿舍內(nèi)部半室外空間進(jìn)行調(diào)整，再進(jìn)行風(fēng)環(huán)境數(shù)值模擬（見(jiàn)圖7）。

圖6　現(xiàn)有2～6層風(fēng)速云圖

圖7　 8#樓（模式2-5）室內(nèi)各層1.2m高度風(fēng)速分布平面圖

模式2，將公寓各層中間部位的南北向宿舍打通作為半室外空間。從圖7中模式2可知，相比于模式1（見(jiàn)圖6）的中間部位，室內(nèi)風(fēng)速提高了很多。但北向左右相連宿舍的室內(nèi)風(fēng)速?zèng)]有受到明顯影響。

模式3，將公寓各層中間部位的南向單獨(dú)一間宿舍改為半室外空間。從圖7中模式3可知，相比于模式1，南向中間的內(nèi)廊室內(nèi)風(fēng)速得到提高，但相鄰北向的宿舍風(fēng)速?zèng)]有提高。

模式4，將公寓各層中間部位的南北向宿舍（錯(cuò)開(kāi)）改為半室外空間。從圖7中模式4可知，相比于模式1，中間內(nèi)廊的風(fēng)速得到提高。而相比于模式2、3，錯(cuò)開(kāi)后的室外空間使得相鄰的北向宿舍風(fēng)速得到提升，且影響的宿舍數(shù)量較多。

模式5，將公寓各層中間部位的南北向宿舍（南向一間，北向兩間）改為半室外空間。從圖7中的模式5可知，相比于前面四個(gè)模式，內(nèi)廊和相鄰宿舍的風(fēng)速都得到提升，而且影響范圍比其他四種模式都大。但是，宿舍數(shù)量減少，過(guò)于浪費(fèi)公寓面積。

小結(jié):模式2，通風(fēng)效果明顯，但影響宿舍的數(shù)量少；模式3，通風(fēng)效果不明顯，且影響范圍?。荒Ｊ?，通風(fēng)效果明顯，而且影響范圍相對(duì)于模式2、3要多；模式5，通風(fēng)效果明顯，影響范圍也大，但過(guò)于浪費(fèi)宿舍樓使用空間。由此可知，模式4，相比于其他模式更有利于自然通風(fēng)，更加合理。而據(jù)國(guó)內(nèi)相關(guān)學(xué)者研究表明，在夏季高溫環(huán)境下，吹風(fēng)（增加空氣流動(dòng)）可以在一定程度上改善室內(nèi)熱環(huán)境，提高人體熱舒適感［8］。而從節(jié)能角度出發(fā)，用增大空氣流動(dòng)來(lái)補(bǔ)償溫度的升高有重大意義［9］。

5　自然通風(fēng)能耗分析比較

2015年8月學(xué)校集體安裝空調(diào)，用以改善室內(nèi)環(huán)境，建筑能耗必然會(huì)增加。因此，為了解自然通風(fēng)與建筑節(jié)能的關(guān)系，運(yùn)用清華大學(xué)開(kāi)發(fā)的建筑熱環(huán)境軟件DeST—Vent模塊計(jì)算建筑自然通風(fēng)區(qū)域的空調(diào)（假設(shè)為中央空調(diào)系統(tǒng)）能耗情況，分析建筑能否在夏季（過(guò)渡季節(jié)）或外溫適宜時(shí)，充分利用自然通風(fēng)及室外溫度允許的情況下不用空調(diào)，或減少空調(diào)使用時(shí)間，降低空調(diào)負(fù)荷，減少建筑能耗。

5.1建筑模型和主要圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)

由于8#樓底層為設(shè)備間，沒(méi)有宿舍，但高度保留，整棟樓按五層考慮，DeST模型可視化如圖8所示，主要外圍護(hù)結(jié)構(gòu)域參數(shù)設(shè)置如表3所示。

圖8　8#樓DeST模型（不含一層）

表3　圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱參數(shù)

5.2能耗模擬計(jì)算參數(shù)設(shè)置

根據(jù)《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ134-2010）的要求，宿舍樓室內(nèi)環(huán)境參數(shù)設(shè)置如表4。

表4　室內(nèi)模擬熱參數(shù)

5.3DeST模擬與實(shí)測(cè)對(duì)比分析

圖9　室溫計(jì)算值和實(shí)測(cè)室溫的逐日變化趨勢(shì)參考

目前，建筑風(fēng)環(huán)境的研究方法主要采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和數(shù)值模擬計(jì)算等［4］，通過(guò)將兩者的結(jié)果進(jìn)行比較，能有助于研究建筑風(fēng)環(huán)境，提高分析結(jié)果的說(shuō)服力。所以，為了驗(yàn)證DeST數(shù)值模擬的可行性，特意抽取一間宿舍（307）進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)。實(shí)測(cè)儀器采用德國(guó)德圖testo 405-V1風(fēng)速儀（0～10m/s），測(cè)試點(diǎn)位于宿舍幾何中心，1.2m高處。通過(guò)隨機(jī)抽取三個(gè)月中，定時(shí)溫度實(shí)測(cè)的結(jié)果與DeST逐時(shí)模擬結(jié)果進(jìn)行參考，如圖9，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的溫度記錄與數(shù)值模擬分析的數(shù)據(jù)非常類(lèi)似，房間溫度計(jì)算誤差的最大值、平均值及方差分別為1.85℃、1.15℃、0.67。由此可知，數(shù)值模擬分析的結(jié)果，真實(shí)性較強(qiáng)，為后面的數(shù)值模擬分析提供了可行性依據(jù)（由于2015年7月10～12日，蘇州受臺(tái)風(fēng)燦鴻的影響，可能會(huì)影響連續(xù)幾天的氣溫）。

5.4模式1與模式4的能耗模擬分析

為了較為符合實(shí)際通風(fēng)效果，根據(jù)PHOENICS的模擬數(shù)據(jù)計(jì)算，將模擬4的室內(nèi)換氣次數(shù)由模式1的1～5次/h增加到5～10次/h。再通過(guò)DeST-Vent模塊模擬分析兩種不同模式的建筑能耗。

首先，在總體上，如圖10所示，模式4相比于模式1，由于增加了中間部位的半室外空間，從而提高相鄰宿舍的室內(nèi)風(fēng)速，縮短了夏季（過(guò)渡季節(jié)）空調(diào)開(kāi)啟的時(shí)間。全年累計(jì)冷負(fù)荷指標(biāo)，由12.78 kW·h/m2到12.46 kW·h/m2，下降了0.32 kW·h/m2，同時(shí)最大冷負(fù)荷指標(biāo)也有所下降。因此，8#樓在夏季（過(guò)渡季節(jié)）加強(qiáng)自然通風(fēng)，能減少空調(diào)冷負(fù)荷（能耗）。但由于增加了室外空間，相對(duì)減少了兩間宿舍的使用面積，在總體的經(jīng)濟(jì)性比較上可能會(huì)受到一定的影響。

圖10　DeST模擬不同模式建筑能耗結(jié)果

其次，在個(gè)體上，如圖11所示，模式4的各層全年最大冷負(fù)荷、空調(diào)季累計(jì)能耗及空調(diào)季平均冷負(fù)荷都比模式1有所降低。由于受屋頂保溫層的影響，頂層相比于標(biāo)準(zhǔn)與室外有更多的圍護(hù)面積，其導(dǎo)熱、輻射的傳熱量也會(huì)更多。每種模式的第六層相比于標(biāo)準(zhǔn)層的負(fù)荷都要高，也間接的證明了模擬分析的合理性。由此可知，通過(guò)夏季（過(guò)渡季節(jié)）的自然通風(fēng)能改善室內(nèi)環(huán)境，減少建筑空調(diào)負(fù)荷。

圖11　不同模式各層空調(diào)冷負(fù)荷模擬結(jié)果

6　結(jié)語(yǔ)

（1）結(jié)合蘇州的氣候特點(diǎn)，通過(guò)模擬室外風(fēng)環(huán)境得出，8#樓的迎風(fēng)面與背風(fēng)面存在一定的壓力差，存在運(yùn)用自然通風(fēng)（風(fēng)壓通風(fēng)）的前提條件。（2）在蘇州夏季（過(guò)渡季節(jié)）時(shí)，8#樓通過(guò)合理的調(diào)整局部空間（運(yùn)用文丘里效應(yīng)），適當(dāng)增加半室外空間，能有效的增加內(nèi)廊式公寓相鄰房間的風(fēng)速，改善一定數(shù)量宿舍的室內(nèi)熱環(huán)境。（3）通過(guò)對(duì)不用模式的能耗模擬分析后發(fā)現(xiàn)，在夏季（過(guò)渡季節(jié)）時(shí)，8#樓合理運(yùn)用自然通風(fēng)，能有效的降低建筑空調(diào)系統(tǒng)的冷負(fù)荷，從而達(dá)到建筑節(jié)能的目的。

［1］饒永.合肥地區(qū)高校宿舍室內(nèi)熱環(huán)境研究［D］.合肥:合肥工業(yè)大學(xué)，2012:1-2.

［2］中國(guó)氣象局氣象信息中心氣象資料室，清華大學(xué)建筑技術(shù)科學(xué)系.中國(guó)建筑熱環(huán)境分析專(zhuān)用氣象數(shù)據(jù)集［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2005.

［3］All Regions:Asia WMO Region—China:U.S.Department of Energy［EB/OL］.［2015-02-25］.http://apps1.eere.energy.gov/buildings/energyplus/cfm/ weather_data3.cfm/region=2_asia_wmo_region_2/country=CHN/cname=China.

［4］楊麗.綠色建筑設(shè)計(jì)——建筑風(fēng)環(huán)境［M］.上海:同濟(jì)大學(xué)出版社，2014.

［5］劉小芳，李寶鑫，蘆巖，等.既有圍合場(chǎng)地中建筑布局對(duì)室外風(fēng)環(huán)境的影響分析［J］.建筑節(jié)能，2013，41（6）:62-73.

［6］陽(yáng)麗娜.建筑自然通風(fēng)的多解現(xiàn)象與潛力分析［D］.長(zhǎng)沙:湖南大學(xué)，2005.

［7］張國(guó)鋒，鄭志，劉塨.淺析廈門(mén)地區(qū)高校公寓自然通風(fēng)［J］.福建建筑，2011（3）:44-46.

［8］談美蘭，李百戰(zhàn)，李文杰，等.夏季空氣流動(dòng)對(duì)人體熱舒適性的影響［J］.土木建筑與環(huán)境工程，2011，33（2）:70-73.

［9］嵇赟吉，高屹，王曉杰，等.空氣流速對(duì)人體熱舒適影響的研究［J］.蘭州大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2003，39（2）:96-99.

［10］中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.JGJ134 2010夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.

The research on the indoor air environment of corridor student apartments——A case study of graduate student dormitories in SUST

ZHANG Kang
（School of Architecture&Urban Planning，SUST，Suzhou 215011，China）

The paper presents the numerical simulation and the actual recording analysis on the indoor air environment of the graduate student dormitory（8#）on Jiang Feng Campus of SUST in order to study the indoor air environment of the corridor student apartments in the Suzhou area.Based on the Venturi effect（Venturi effect），the local architectural space was adjusted to improve the indoor air environment during summer（transitional season）.Meanwhile，the DeST was used to analyze the impact of differentmodes of the indoor air environment on the annual energy consumption of the building.

wind environment；numerical simulation；DeST；energy consumption

TU83

A

1672-0679（2016）03-0054-05

2015-09-08

張康（1987-），男，湖北孝感人，碩士研究生。

（責(zé)任編輯:盧文君）