某商業(yè)綜合體中庭自然通風性能分析

李永飛

卓展工程顧問（北京）有限公司上海分公司

隨著2019 年9 月1 日《近零能耗建筑技術(shù)標準》的實施，我國開始由推動綠色建筑建設向推動可再生建筑應用方向邁進，進而引導建筑逐步實現(xiàn)近零能耗[1]。然而當前國內(nèi)空調(diào)、通風及供熱能耗占社會總能耗的18.9%左右，如何降低建筑中空調(diào)能耗是當前節(jié)能減排所面臨的重要課題[2-3]。相關(guān)研究表明自然通風可以有效降低室內(nèi)溫濕度，并且在成都地區(qū)其自然通風潛力巨大[4]。故而本文通過對開啟與關(guān)閉中庭天窗對比分析，得出中庭區(qū)域的溫度、風速、空氣齡等參數(shù)的變化，來衡量本項目中庭區(qū)域自然通風的可行性，以實現(xiàn)建筑節(jié)能，進而實現(xiàn)可持續(xù)性發(fā)展的目的。

1 項目概況

本項目位于四川省成都市龍泉驛區(qū)，驛都大道以南；天鵝西湖南路以東；金楓路以西，占地51822 m2。集商業(yè)、超市、影院為一體的大型綜合體。其中商業(yè)建筑面積約13.6 萬m2，地上四層及地下二層為商業(yè)，地下三層為車庫。商業(yè)中庭面積約3000 m2。

2 自然通風可行性分析

自然通風是以風壓或熱壓為動力，不消耗人工能源，經(jīng)濟且綠色的通風方式，來使空氣流動，有效擴散室內(nèi)的熱量，改善空氣品質(zhì)的通風方式，其易受室外氣象條件的影響，尤其是風力的影響很不穩(wěn)定，所以需要首先探討自然通風的可行性，才能進一步的利用自然通風[5]。

2.1 時間上的可行性

根據(jù)有關(guān)研究，自然通風可用小時數(shù)主要為在工作時間室外干球溫度在大于16 ℃，不高于26 ℃的小時數(shù)[6]。成都地區(qū)在自然通風逐月可應用小時數(shù)詳見圖1。

圖1 成都自然通風逐月可應用小時數(shù)

從圖1 中可以得出以下幾點：

1）全年在營業(yè)時間段內(nèi)可以采用自然通風的時間占全年比例為25.01%，占工作時間段比例達39.8%。

2）5 月，6 月以及8 月至10 月可自然通風應用的時間比例較高，其綜合占比為70.76%，其中10 月份占比最高，為412 個小時，占10 月份營業(yè)時間的91.56%。

由上可知，對于成都地區(qū)的建筑而言，在過渡季節(jié)自然通風可利用的小時數(shù)占過渡季節(jié)的70.76%，尤其是十月份，91.56%的營業(yè)時間均可利用自然通風，所以應優(yōu)先采用自然通風，特別是中庭、大堂等高大空間區(qū)域，通過開窗等實現(xiàn)一定的自然通風。對于本項目，過渡季節(jié)通過開啟天窗利用風壓及熱壓作用進行“免費供冷”在時間上是可行的，利用室外新風進行“免費供冷”。

2.2 溫度上的可行性

根據(jù)氣象數(shù)據(jù)分析，成都地區(qū)合理利用自然通風被動式設計可以將舒適時段提高2 倍以上，自然通風潛力較大。從焓濕圖（圖2）可知，適合自然通風的室外溫度理論上可達到17.5～28.1 ℃左右。但本項目中庭區(qū)域為高大空間，由于熱壓作用，在垂直溫度分層現(xiàn)象的影響下，過高的室外溫度可能導致上層區(qū)域的溫度偏高，但由分析可知，過渡季節(jié)室外溫度在16～26 ℃的時間，綜合占比70.76%，所以其在溫度適合進行自然通風。

圖2 自然通風在設計在焓濕圖上的熱舒適度表現(xiàn)

2.3 風速上的可行性

從圖3 可以看出主要風向：N（14%）NNE（13.9%）NE（10.0%）。由圖4 可知風速：近50%時段風速低于1 m/s，80%時段風速不高于2 m/s。室外風速較小，室內(nèi)通風驅(qū)動力不足。成都地區(qū)過渡季室外低風速概率較高，導致室外風壓通風能力欠佳。商業(yè)中庭的自然通風設計應以熱壓通風為主，同時盡量避免風壓對熱壓通風的負面影響。風壓可能增大室內(nèi)熱空氣排出到室外的阻力。

圖3 商場過渡季營業(yè)時段風玫瑰圖

圖4 商場風速分布圖

3 物理模型的建立

3.1 物理模型及簡化假設

根據(jù)建筑溝通，本商業(yè)建筑可開口區(qū)域詳見圖5標注，據(jù)此利用CFD 軟件建立模型，并做如下假定：

1）室內(nèi)氣流視為低速且不可壓縮并且符合Boussinesq 假設，即考慮浮升力產(chǎn)生影響；

2）流動為穩(wěn)態(tài)湍流；

3）忽略四周墻壁及室內(nèi)物體的輻射熱。

圖5 通風開口示意圖

3.2 邊界條件

1）室外計算溫度：18 ℃（過渡季營業(yè)時段平均的溫度）；

2）室外無風（極端工況）；

3）中庭步行區(qū)人員密度：6 m2/人（由設計確認）；

4）照明設備負荷：25 W/m2（由設計確認）。

4 模擬結(jié)果與評估

依據(jù)相同的邊界條件，通過在開啟或關(guān)閉中庭天窗的情況下，模擬分析得出了其室內(nèi)的溫度、風速、空氣齡。

4.1 空氣質(zhì)量的評估

空氣齡是反映了房間內(nèi)某點處空氣已經(jīng)滯留的時間，是室內(nèi)空氣品質(zhì)的體現(xiàn)，更是評價室內(nèi)空氣品質(zhì)的重要指標[5]。圖6 是天窗開啟條件下的空氣齡分布圖，從圖中可以看出，在天窗開啟的條件下，在風壓和熱壓共同作用下，產(chǎn)生的抽力對下部空間影響更大，其空氣齡最短，頂層的空氣齡相對于2 層而言成倍增加。

圖6 天窗開啟條件下的空氣齡分布圖（1.1m 高處）

由表1 可知，對于遠離建筑開口的低層區(qū)域以及排風層（2F，3F，4F），空氣齡均超800 s，4F 空氣齡最大。在關(guān)閉天窗時，空氣齡最短時間是420 s，為B1 層，空氣齡最長時間是1754 s，為4F 層。開啟天窗時，由于風壓與熱壓的共同作用，對于B1 層的作用更明顯，其空氣齡最短為376 s。雖然只比關(guān)閉天窗時的時間降低了11.7%，但是4F 層的空氣齡卻比關(guān)閉天窗時降低了37.2%，并且各層空氣齡時間平均降低達20.3%。從而可知，開啟天窗對于改善室內(nèi)空氣品質(zhì)有顯著作用。

表1 開啟與關(guān)閉天窗時各層空氣齡的平均值

由于商業(yè)中庭屬于高大空間，連接室外的通風口數(shù)量有限，復雜的內(nèi)部空間使遠離通風口和中庭高區(qū)的空氣滯留時間較長。就目前中庭空氣齡分布來看，自然通風時2F-4F 層仍建議開啟新風機，風量按人員最低新風量需求設定。

4.2 舒適性能力評估

由表2 可知，雖然開啟與關(guān)閉天窗時，各層的平均風速均在舒適性溫度0.2～0.5 ℃的范圍內(nèi)[7]，但是關(guān)閉天窗時4F 層的平均溫度比開啟天窗時升高了6.3 ℃，達到了29.9 ℃。開啟天窗時，各層平均溫度在19.8～23.6 ℃，溫感舒適，且平均溫度比開啟天窗時降低了9.7%。綜合圖7 中庭人員活動區(qū)風速分布，中庭人員活動區(qū)各層風速主要處于0.1～0.5 m/s 范圍，面積占比80%，風感較舒適。高風速主要出現(xiàn)在各出入口處，作為快速通過區(qū)，可以接受。對于引入室外空氣的低區(qū)樓層，在遠離入口的區(qū)域溫度較高，與入口溫差達到5 ℃左右，但足夠的步行距離可以緩解溫差帶來的不適。從表3 可知，由于垂直溫度分層的影響，4F 與室外溫差達到5.6 ℃。高層區(qū)域沒有室外空氣引入，雖然溫度較高，但同層溫差較小，行人不會有明顯不適。B2 由于只有一個外門與室外聯(lián)通，導致水平溫差和室內(nèi)外溫差都處于較高水平，自然通風效果欠佳。

表2 天窗開啟及關(guān)閉時各層的平均風速與溫度

圖7 中庭人員活動區(qū)風速分布

表3 天窗開啟時各層的風速與溫度分布

4.3 自然通風能力評估

由表4 可知，B2 至1F 的外門主要引入室外空氣，2F 處于整個中庭熱壓中和面，室內(nèi)外氣流交換較少，熱空氣主要由3F、4F 和天窗排出到室外，其中70%的熱空氣由天窗排出。天窗開啟時，自然通風總換氣次數(shù)2.8，達到綠色建筑評價標準要求的不小于2 次/h自然通風要求。

當天窗關(guān)閉后，中庭自然通風換氣次數(shù)僅1.7 次/h，通風換氣量降低40%，性能下降明顯。由于換氣不足，中庭室內(nèi)溫度明顯升高，特別是4F 已無法滿足熱舒適度要求。由此可見，如果中庭需要設計自然通風，天窗應提供足夠多的散熱空間。

表4 天窗開啟及關(guān)閉時各通風口的通風量統(tǒng)計

5 結(jié)論

本工程通過CFD 仿真模擬技術(shù)，測得了開啟及關(guān)閉天窗時各開口的通風量、室內(nèi)的平均風速、溫度、空氣齡等各項重要參數(shù)，為本項目打造一個可持續(xù)發(fā)展的“綠色生態(tài)建筑”。經(jīng)分析對比主要得出如下結(jié)論及建議：

1）考慮到室內(nèi)外溫差，為保證中庭整體自然通風舒適度，建議室外溫度在17～23 ℃左右進行自然通風。按商場營業(yè)時段的日平均溫度統(tǒng)計，過渡季有89 天滿足這一溫度范圍，過渡季49%的時間可以進行全天自然通風。

2）天窗是中庭主要的自然通風散熱通道（目前方案中庭70%的熱量由天窗排出），相比與通過3F 和4F外門散熱，增大天窗通風面積帶來的收益更大。建議在目前方案基礎上進一步增大由天窗通向屋頂?shù)耐ǖ烂娣e。

3）B2 層建議增加一個通向室外的門，與原有的外門隔開一定距離，可提高B2 室內(nèi)溫度均勻性和空氣新鮮度。

4）開窗自然通風時，需隨時監(jiān)測室外空氣質(zhì)量，當室外空氣質(zhì)量不達標時，需采取相應的空氣處理措施，以確保自然通風同時又能保證室內(nèi)空氣品質(zhì)。