綠色建筑自然通風(fēng)設(shè)計(jì)研究
——以陜西體育館建筑中心為例

呂 越 葛 娟

(紹興文理學(xué)院 土木工程學(xué)院，浙江 紹興 312000)

0 引言

體育館的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)受自身的建筑性質(zhì)決定而較為特殊，由于其自身的建筑體型體量和建筑內(nèi)部的整體空間比較大，且每一項(xiàng)體育比賽對(duì)于體育館這類建筑而言有著特定的室內(nèi)環(huán)境使用要求，因此，在使用體育館的過程中為了滿足每個(gè)運(yùn)動(dòng)員以及觀眾對(duì)于室內(nèi)光線、熱舒適度及環(huán)境濕度等各項(xiàng)參數(shù)的要求[1]，會(huì)產(chǎn)生不同種類的能源消耗(空調(diào)照明).如何在保證室內(nèi)環(huán)境滿足舒適性的前提下，充分采用被動(dòng)優(yōu)先、主動(dòng)優(yōu)化的綠色設(shè)計(jì)[2-6]并采用體感溫度的概念，對(duì)陜西體育館建筑進(jìn)行模擬分析，旨在營造一個(gè)擁有健康舒適的室內(nèi)環(huán)境的綠色體育建筑.

1 綠色節(jié)能設(shè)計(jì)

1.1 建筑概況

陜西省體育館位于西安市南門外廣場東南角，建筑面積為16 000多平方米.基礎(chǔ)采用預(yù)制樁基， 樁斷面為350×350 mm，樁長有13.5 m及9 m兩種.承重結(jié)構(gòu)采用全框架式，八角形柱兩部分44根柱子為預(yù)制框架.體育館采用屋面與立面一體化設(shè)計(jì)，并配備可滑動(dòng)式開敞關(guān)閉陜西體育館建筑屋頂，由于設(shè)計(jì)條件的限制，館內(nèi)張弦梁結(jié)構(gòu)與導(dǎo)光管結(jié)合引進(jìn)自然采光及通風(fēng)這種被動(dòng)的技術(shù).

1.2 熱舒適程度指數(shù)與體感溫度

熱舒適程度指數(shù)是指溫度較高并且相對(duì)濕度增加，人體自身所真實(shí)體會(huì)到的溫度偏大[3].體感溫度因?yàn)闈穸群吞栞椛涞扔绊懲c實(shí)際氣溫存在差值[4-5].按照大氣邊界層理論，通風(fēng)和空氣質(zhì)量有著正相關(guān)性，而且空氣對(duì)熱的吸收會(huì)受到一些要素的直接影響，例如相對(duì)濕度及密度，而人體能夠接觸的空氣的成分(如可吸入顆粒物)與含量又受風(fēng)速的影響.表1表示各個(gè)溫度與修正關(guān)系及相關(guān)性.

表1 各個(gè)溫度與修正關(guān)系及相關(guān)性的對(duì)應(yīng)關(guān)系

溫度T1T2T3T4T5修正體感氣溫輻射濕度風(fēng)速相關(guān)性++++-

人體能夠接觸的空氣的成分與含量的多少與風(fēng)速成正比，這就是理論上定義的“風(fēng)寒指數(shù)”[6-7].表2表示溫度與相對(duì)濕度的聯(lián)系.

表2 溫度與平均相對(duì)濕度的對(duì)應(yīng)關(guān)系

相對(duì)濕度/%1009080706050403020105溫度/℃65432101234

2 舒適性分析

若某建筑的室內(nèi)環(huán)境為封閉的狀態(tài)，此時(shí)室內(nèi)空氣環(huán)境會(huì)較差，處于室內(nèi)環(huán)境的人體會(huì)感覺到不同程度的不適.因此要稀釋空氣污染物，保持室內(nèi)空氣潔凈，最常規(guī)的方法就是保持自然通風(fēng)[9].自然通風(fēng)方面的建筑設(shè)計(jì)內(nèi)容直接關(guān)系著人體的新城代謝變化而最終影響人體的舒適性，因?yàn)槿梭w對(duì)溫度的感覺有著最大程度的關(guān)系，所以運(yùn)動(dòng)人體在體育館內(nèi)分別位于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，人體的熱舒適性其實(shí)是有著本質(zhì)差別的.

同時(shí)，運(yùn)動(dòng)人體在運(yùn)動(dòng)時(shí)速度的大小直接產(chǎn)生著不同的作用，最主要的作用表現(xiàn)在空氣在熱環(huán)境中的流動(dòng)能夠加速空氣的流通，同時(shí)能夠?yàn)榻ㄖ覂?nèi)的人體不斷提供相對(duì)來說比較新鮮的空氣，達(dá)到冷卻空氣的效果，較快的空氣流通速度會(huì)加快人體的相對(duì)流通和蒸發(fā)散熱，使人體達(dá)到熱舒適[10-12].體感溫度與人體的感覺之間也有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如表3所示.

表3 體感溫度及相應(yīng)人體感覺的對(duì)應(yīng)關(guān)系

T /℃人體感受生理應(yīng)激水平<4很冷極端冷?4～<9冷強(qiáng)烈冷?9～<13涼中等冷?13～<18微涼輕微冷?18～<23舒適無熱?23～<29溫暖輕微熱?29～<35暖中等熱?35～<41熱強(qiáng)烈熱>41很熱極端熱

3 開敞關(guān)閉陜西體育館建筑屋頂體育館的節(jié)能特征

對(duì)于建筑物的氣流交換等內(nèi)容而言，通風(fēng)與空氣質(zhì)量密切聯(lián)系，氣流組織設(shè)計(jì)分為側(cè)送風(fēng)、上下送風(fēng)及綜合運(yùn)用.本文通過對(duì)陜西體育館屋頂開啟與關(guān)閉的數(shù)值模擬分析，對(duì)其不同狀態(tài)下的速度，熱舒適性方面進(jìn)行分析與對(duì)比.

3.1 夏季初始條件

本次研究的室內(nèi)的負(fù)荷主要來源于照明負(fù)荷(體育館內(nèi)為分區(qū)動(dòng)靜控制，通過光效調(diào)節(jié)照度來控制人工照明)，由于體育館特殊的建筑性質(zhì)，其外窗和幕墻玻璃選用可見光透比高的材料.與此同時(shí)，本次研究擬定每個(gè)燈管就是一個(gè)熱源，由于體育館室內(nèi)的熱源熱交換涉及到兩個(gè)過程，第一個(gè)過程為通過熱源向室內(nèi)空氣的輻射熱交換，第二個(gè)過程為建筑的室內(nèi)空氣對(duì)流交換.默認(rèn)風(fēng)向?yàn)槟舷颍彝鉁囟?、風(fēng)速、太陽輻射強(qiáng)度、室內(nèi)溫度及壁面溫度、相對(duì)濕度等相關(guān)的參數(shù)是由當(dāng)?shù)貧庀髷?shù)據(jù)的資料提供.

3.2 模型建立

綜合考慮建筑的朝向方位以及門窗開啟的程度，并結(jié)合之前的研究模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果，本次研究利用CFD和airpak，設(shè)定為陜西體育館的屋頂在開啟和關(guān)閉狀態(tài)下的送風(fēng)通道都為南北立面上的這些通風(fēng)窗(窗戶按照實(shí)際構(gòu)建和配件的尺寸來計(jì)算)，部分為穿堂風(fēng).為了達(dá)到良好的模擬效果，假定廢氣從排氣煙囪排出，同時(shí)，負(fù)壓時(shí)可以排出部分空氣并且設(shè)定空氣的熱物狀態(tài)是相同的.為了縮短此次模擬實(shí)驗(yàn)所用的時(shí)間，當(dāng)陜西體育館建筑屋頂開啟時(shí)，假定為玻璃建筑材料部分不起圍護(hù)的作用，因此無需賦予材質(zhì).

4 結(jié)果分析

4.1 熱舒適度評(píng)分分析

表3為體感溫度及相應(yīng)人體感覺的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以看出當(dāng)溫度在4 ℃以下時(shí)，人體對(duì)外界的環(huán)境感受為很冷，此時(shí)對(duì)應(yīng)的生理應(yīng)激水平程度為極端冷，即頂級(jí)的狀態(tài)，最不理想的狀態(tài)之一，人體無舒適度可言；當(dāng)溫度在4 ℃～9 ℃時(shí)，人體對(duì)外界的環(huán)境感受為冷，此時(shí)對(duì)應(yīng)的生理應(yīng)激水平程度為強(qiáng)烈冷，稍緩一度；當(dāng)溫度在9 ℃～13 ℃時(shí)，人體對(duì)外界的環(huán)境感受為涼，此時(shí)對(duì)應(yīng)的生理應(yīng)激水平程度為中等冷，又緩一度；當(dāng)溫度在13 ℃～18 ℃時(shí)，人體對(duì)外界的環(huán)境感受為輕微涼，此時(shí)對(duì)應(yīng)的生理應(yīng)激水平程度為輕微冷，再緩一度；當(dāng)溫度在18 ℃～23 ℃時(shí)，人體對(duì)外界的環(huán)境感受為舒適，即最佳的人體感受程度之一，此時(shí)對(duì)應(yīng)的生理應(yīng)激水平程度為無熱，即最佳的人體生理應(yīng)激水平；當(dāng)溫度在23 ℃～29 ℃時(shí)，人體對(duì)外界的環(huán)境感受為溫暖，即最佳的人體感受程度之一，此時(shí)對(duì)應(yīng)的生理應(yīng)激水平程度為輕微熱，即好的人體生理應(yīng)激水平；當(dāng)溫度在29 ℃～35 ℃時(shí)，人體對(duì)外界的環(huán)境感受為暖，即最佳的人體感受程度之一，此時(shí)對(duì)應(yīng)的生理應(yīng)激水平程度為中等熱，即較好的人體生理應(yīng)激水平；當(dāng)溫度在35 ℃～41 ℃時(shí)，人體對(duì)外界的環(huán)境感受為熱， 此時(shí)對(duì)應(yīng)的生理應(yīng)激水平程度為強(qiáng)烈熱，此時(shí)已不在最佳狀態(tài)范圍內(nèi)； 當(dāng)溫度大于41 ℃時(shí)，人體對(duì)外界的環(huán)境感受為很熱，此時(shí)對(duì)應(yīng)的生理應(yīng)激水平程度為極端熱，最不理想的狀態(tài)，人體無舒適度可言.

本研究中，PMV指標(biāo)(-0.5～+0.5)則是當(dāng)忽略不計(jì)人體外部做功消耗的熱量時(shí)的相應(yīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得的，本次研究的PMV指標(biāo)前提條件是衣服熱阻比較小的同時(shí)人體不處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài).換句話說，除本次研究以外的PMV(衣服熱阻大的同時(shí)人體處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài))值不在此次模擬范圍內(nèi)，因此本文選擇體感溫度作為主要的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)PMV作為輔助衡量標(biāo)準(zhǔn).

多項(xiàng)數(shù)據(jù)綜合比較而言，風(fēng)速和溫度這兩個(gè)變化元素在陜西體育館屋頂開啟和關(guān)閉的狀態(tài)都有不同程度的感應(yīng)，并最終影響著熱舒適度.具體表現(xiàn)為：最大風(fēng)速和最小風(fēng)速相差值為6倍，最高溫度和最低溫度相差值為10%.表4 PMV與熱感覺對(duì)應(yīng)的變化關(guān)系，可以看出當(dāng)PMV為3，對(duì)應(yīng)的熱感覺為熱；當(dāng)PMV為2，對(duì)應(yīng)的熱感覺為暖；當(dāng)PMV為1，對(duì)應(yīng)的熱感覺為微暖；當(dāng)PMV為0，對(duì)應(yīng)的熱感覺為適中，即最佳的人體感受程度，人體舒適度為最佳；當(dāng)PMV為-1，對(duì)應(yīng)的熱感覺為微涼；當(dāng)PMV為-2，對(duì)應(yīng)的熱感覺為涼；當(dāng)PMV為-3，對(duì)應(yīng)的熱感覺為冷，最不理想的狀態(tài)，人體無舒適度可言.

表4 PMV與熱感覺對(duì)應(yīng)的變化關(guān)系

熱感覺熱暖微暖適中微涼涼冷PMV值3210-1-2-3

當(dāng)陜西體育館建筑屋頂關(guān)閉時(shí)，體感溫度增加了8.19%，室內(nèi)PMV值在0.063到0.250之間(微暖)，人體感覺熱舒適度為可接受的狀態(tài)；陜西體育館建筑屋頂開啟時(shí)，風(fēng)速風(fēng)量溫度濕度等參數(shù)條件得到了優(yōu)化，模擬得出的體感溫度為23.87 ℃，人體感覺熱舒適度為最優(yōu)，如圖1所示的數(shù)據(jù).

圖1 PMV與PPD的關(guān)系

4.2 速度分析

陜西體育館建筑屋頂關(guān)閉時(shí)，在進(jìn)風(fēng)口與出風(fēng)口還見設(shè)置了熱交換器，這樣的情況下側(cè)邊的窗戶對(duì)流使得體育館室內(nèi)風(fēng)速小于1.5 m/s，陜西體育館建筑屋頂打開時(shí)，整個(gè)體育館成為半室外開放空間， 風(fēng)速為1.5～2.8 m/s. 可知陜西體育館建筑屋頂開啟和關(guān)閉時(shí)，對(duì)室內(nèi)風(fēng)速的影響有顯著的相關(guān)性.同時(shí)，通過模擬和計(jì)算可知， 該建筑室內(nèi)一年四季的平均風(fēng)速為0.2 m/s左右，這就說明該建筑滿足體育館這類建筑性質(zhì)對(duì)于比賽的使用要求.建立X=120，Y=1，Z=170在a、b、c、d不同位置的流速(參見圖2和圖3).可以看到，體育館內(nèi)的流線隨著屋頂?shù)年P(guān)閉而變得平穩(wěn)、隨屋頂?shù)拈_啟而變化，a、b、c、d共4條曲線所對(duì)應(yīng)的風(fēng)速值相比于原來的曲線都有所增加提高， 但加大通風(fēng)量與增加風(fēng)速的同時(shí)， 可以防止風(fēng)對(duì)建筑的室內(nèi)環(huán)境形成滯留效應(yīng)，同時(shí)對(duì)人體的最佳舒適度并無破壞.

圖2 X=120-150,Y=1,Z=170流速表(陜西體育館建筑屋頂關(guān)閉時(shí))

圖3 X=120-150,Y=1,Z=170流速表(陜西體育館建筑屋頂打開時(shí))

可知體育館內(nèi)的流線隨著屋頂?shù)年P(guān)閉而變得平穩(wěn)、隨屋頂?shù)拈_啟而變化.通風(fēng)量與風(fēng)速增加的同時(shí)，對(duì)人體的最佳舒適度并無破壞的影響.

5 結(jié)論

本研究通過將溫度、人體感受及生理應(yīng)激水平分為9個(gè)種類，分析了體感溫度及相應(yīng)人體感覺的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并通過將PMV與熱感覺分為7種程度，分析了PMV與熱感覺對(duì)應(yīng)的變化關(guān)系，得到如下一些結(jié)論：

(1)風(fēng)速和溫度這兩個(gè)變化元素在陜西體育館屋頂開啟和關(guān)閉的狀態(tài)都有不同程度的感應(yīng)，最終影響著熱舒適度，最大風(fēng)速和最小風(fēng)速相差值為6倍，最高溫度和最低溫度相差值為10%.

(2)陜西體育館屋頂開啟和關(guān)閉的狀態(tài)對(duì)應(yīng)的體感溫度都有不同程度的感應(yīng)，體育館內(nèi)的流線隨著屋頂?shù)年P(guān)閉而變得平穩(wěn)、隨屋頂?shù)拈_啟而變化，且通風(fēng)量與風(fēng)速增加的同時(shí)，對(duì)人體的最佳舒適度并無破壞的影響.