廊道式教學(xué)建筑自然通風(fēng)效果對(duì)比與優(yōu)化

張朝朋

西安世園投資（集團(tuán)）有限公司

0 引言

建筑自然通風(fēng)是充分利用自然條件來(lái)改善室內(nèi)空氣環(huán)境品質(zhì)的措施，并且也是降低建筑能耗的最有效方法。引入新鮮空氣有利于降低室內(nèi)污染物（有毒有害氣體、顆粒物、病毒）濃度，提升舒適度，滿足室內(nèi)人員衛(wèi)生安全與心理健康需求。教學(xué)建筑是學(xué)生學(xué)習(xí)生活的主要核心區(qū)域，也是人員密集區(qū)，某些建筑結(jié)構(gòu)由于設(shè)計(jì)規(guī)劃問題，室內(nèi)通風(fēng)條件差，尤其今年的新冠肺炎疫情對(duì)室內(nèi)通風(fēng)提出更高的要求，因此保持室內(nèi)的良好通風(fēng)是保證學(xué)生身體健康的重要保障。

教學(xué)建筑的規(guī)劃、建筑單體設(shè)計(jì)到內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)自然通風(fēng)的可應(yīng)用性和效果影響顯著，合理布局將能有效地利用自然通風(fēng)解決室內(nèi)熱舒適性和空氣質(zhì)量問題[1]。目前主要的研究方向有多元通風(fēng)模式研究，熱壓與風(fēng)壓通風(fēng)方式的分析與優(yōu)化，被動(dòng)通風(fēng)方式的熱工模擬與分析，傳統(tǒng)民居的物理環(huán)境模擬等。具體到自然通風(fēng)與建筑內(nèi)部設(shè)計(jì)的關(guān)系，研究主要集中建筑朝向、窗戶尺寸、窗戶面積、窗戶局部構(gòu)件形式等影響自然通風(fēng)的因素[2-4]。而對(duì)于自然通風(fēng)在具體建筑結(jié)構(gòu)形式的對(duì)比與優(yōu)化方面，尚且還存在研究空間?；诮ㄖ芎摹⒄嫉孛娣e、空間使用等方面特點(diǎn)，目前在實(shí)際中應(yīng)用較為廣泛的有內(nèi)廊式、外廊式、雙廊式三種結(jié)構(gòu)形式建筑[5]。由于建筑自然通風(fēng)受建筑結(jié)構(gòu)形式，通風(fēng)面積，熱源以及室外氣流環(huán)境等多種因素的影響，因此，有很多機(jī)理仍需深入探索和研究[6-9]。

1 數(shù)值模型與數(shù)值方法

1.1 建筑體建模參數(shù)

建筑群規(guī)劃總建筑面積 23066.22 m2，其中地上建筑面積 17603.86 m2，選取地上四層教學(xué)主體建筑（65.1 m×20 m×15.8 m）為研究對(duì)象（圖 1），參照實(shí)際設(shè)計(jì)規(guī)劃CAD 圖建立物理模型，對(duì)三種建筑結(jié)構(gòu)形式（圖2）的自然通風(fēng)效果進(jìn)行模擬分析。

圖1 教學(xué)主體建筑位置及平面圖

圖2 廊道式建筑結(jié)構(gòu)示意

1.2 計(jì)算模型建立

模擬計(jì)算區(qū)域的大小會(huì)影響到模擬效果的準(zhǔn)確性和計(jì)算效率[10]。結(jié)合教學(xué)樓主體建筑所處地理?xiàng)l件以及周邊環(huán)境因素影響，設(shè)置模擬計(jì)算區(qū)域。當(dāng)模擬分析目標(biāo)為建筑群時(shí)，建筑群整體覆蓋區(qū)域應(yīng)低于整個(gè)模擬計(jì)算區(qū)面積的10%，本次模擬選取整體計(jì)算區(qū)域的長(zhǎng)度，寬度和高度分別為建筑體實(shí)際長(zhǎng)度，高度和寬度尺寸的10 倍，5 倍和5 倍，如圖3 所示。

圖3 教學(xué)建筑模型及室外場(chǎng)計(jì)算區(qū)域設(shè)定

1.3 網(wǎng)格獨(dú)立化驗(yàn)證

根據(jù)教室建筑體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，進(jìn)、出風(fēng)口表面及建筑間隔結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分加密，建筑室外網(wǎng)格劃分采用較粗網(wǎng)格，建筑體周圍網(wǎng)格隨著與建筑體距離的增大而逐漸稀疏。網(wǎng)格進(jìn)行獨(dú)立性驗(yàn)證，進(jìn)行三種網(wǎng)格劃分：粗網(wǎng)格，細(xì)網(wǎng)格，密網(wǎng)格。在區(qū)域主導(dǎo)風(fēng)向ENE、主導(dǎo)風(fēng)速 2.5 m/s 的條件下，將內(nèi)廊式教室模型在三種網(wǎng)格形式下的模擬結(jié)果（選取靠廊點(diǎn)室內(nèi)工作區(qū)風(fēng)速值為代表），與文獻(xiàn)[11]實(shí)測(cè)均值進(jìn)行對(duì)比。如圖4 所示，通過(guò)對(duì)比結(jié)果可知，粗網(wǎng)格與細(xì)網(wǎng)格計(jì)算結(jié)果偏差大，最大差值為 15%以上。細(xì)網(wǎng)格與密網(wǎng)格模擬的工作區(qū)速度分布規(guī)律一致，風(fēng)速平均差值約為1.2%。由此可知，在細(xì)網(wǎng)格計(jì)算結(jié)果中，已經(jīng)能得到需要的計(jì)算精度，所以在數(shù)值模擬中采用細(xì)網(wǎng)格劃分方法（總網(wǎng)格數(shù)1504500），以保證模擬計(jì)算效率。

圖4 數(shù)值模擬網(wǎng)格獨(dú)立化驗(yàn)證

1.4 計(jì)算模型離散與求解

對(duì)于湍流流動(dòng)的模擬，采用 RNGk-ε模型，可由下式表示：

式中：Gk為由于平均速度梯度造成的湍動(dòng)能的產(chǎn)生；G b為由于浮力造成的湍動(dòng)能的產(chǎn)生；YM為在可壓縮湍流中的波動(dòng)膨脹對(duì)整體膨脹的貢獻(xiàn)率；Sk為用戶定義的源項(xiàng)。其他計(jì)算參數(shù)設(shè)置如表1 所示。

表1 建筑體數(shù)值模擬計(jì)算參數(shù)設(shè)置

2 模擬計(jì)算結(jié)果與分析

在自然通風(fēng)模式的熱壓和風(fēng)壓共同作用下，進(jìn)風(fēng)口氣流作為室內(nèi)空氣流動(dòng)的重要源動(dòng)力，對(duì)室內(nèi)流場(chǎng)分布起到重要影響。為合理優(yōu)化建筑自然通風(fēng)氣流組織，結(jié)合參數(shù)化建模與數(shù)值模擬分析對(duì)室內(nèi)空氣分布進(jìn)行綜合性評(píng)價(jià)，現(xiàn)根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)類型、通風(fēng)面積因子變量設(shè)置通風(fēng)工況，提取空氣齡、通風(fēng)效率、PMV 等典型參數(shù)作為通風(fēng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

2.1 室內(nèi)速度場(chǎng)和平均空氣齡

室內(nèi)速度場(chǎng)分布直接影響著室內(nèi)溫度場(chǎng)與舒適度需求。舒適的風(fēng)速將有助于提高工作效率與工作質(zhì)量，為滿足教室內(nèi)人員適宜環(huán)境，空氣流速限值為：u≤0.2 m/（s 冬季），u≤0.3 m/s（夏季）。

空氣齡（AGE）是指空氣質(zhì)點(diǎn)自進(jìn)入房間至到達(dá)室內(nèi)某點(diǎn)所經(jīng)歷的時(shí)間，如果空氣停留的時(shí)間短，空氣品質(zhì)較好，則空氣齡小。空氣齡長(zhǎng)代表通風(fēng)換氣不暢，可造成污染物局的部堆積，會(huì)降低該區(qū)域附近的空氣品質(zhì)[12]。

由圖5～6 模擬結(jié)果可知，三種建筑結(jié)構(gòu)形式下的室內(nèi)速度場(chǎng)分布基本滿足舒適度要求。內(nèi)廊式與外廊式局部區(qū)域由于穿堂風(fēng)的影響，風(fēng)速過(guò)大。而雙廊式教室由于中間結(jié)構(gòu)的阻擋作用，影響了通風(fēng)流暢性，并且在背風(fēng)區(qū)教室內(nèi)產(chǎn)生局部渦旋，通風(fēng)效果較差。

圖5 三種建筑結(jié)構(gòu)形式下的室內(nèi)速度場(chǎng)（通風(fēng)面積因子50%）

圖6 三種建筑結(jié)構(gòu)形式下的空氣齡對(duì)比（通風(fēng)面積因子50%）

在靠近迎風(fēng)側(cè)窗戶位置，內(nèi)廊式與外廊式教室平均空氣齡較低，在 100 s 以下。新鮮空氣從通風(fēng)口擴(kuò)散至房間中部，平均空氣齡分布較均勻，分層效果明顯。內(nèi)廊式與外廊式建筑中，靠近背風(fēng)區(qū)位置，空氣齡數(shù)值漸增，但也基本維持在150 s 以下，只有個(gè)別背風(fēng)區(qū)房間空氣齡超過(guò)300 s。對(duì)于雙廊式建筑，整個(gè)背風(fēng)區(qū)教室均通風(fēng)紊亂，換氣不暢，容易造成污染物局部堆積。

2.2 通風(fēng)效率

通風(fēng)效率用來(lái)表示送風(fēng)排除熱量和污染物能力。對(duì)于自然送風(fēng)排除工作區(qū)余熱來(lái)說(shuō)，當(dāng)室內(nèi)建筑熱源相對(duì)穩(wěn)定，主要采用穩(wěn)態(tài)通風(fēng)效率評(píng)價(jià)通風(fēng)的排熱性能，此時(shí)通風(fēng)效率又可稱為溫度效率，定義如下[13]：

式中：tn為室內(nèi)工作區(qū)平均溫度，K ；tp為排風(fēng)溫度，K ；tw為自然通風(fēng)（室外）溫度，K 。

建筑通風(fēng)口作為自然通風(fēng)室外空氣與室內(nèi)空氣交流的直接路徑，通風(fēng)面積對(duì)自然通風(fēng)效果起決定性影響作用。將三種廊道式建筑在自然通風(fēng)模式下，通風(fēng)口面積因子為30%，50%，80%和100%（如表 2 所示）時(shí)的典型房間通風(fēng)效率進(jìn)行對(duì)比。由圖 7 可知，在通風(fēng)效果穩(wěn)定的情況下，加大通風(fēng)口面積可以提高自然通風(fēng)利用率，保證良好的室內(nèi)空氣品質(zhì)。當(dāng)通風(fēng)口面積增加到 80%以后，繼續(xù)增加通風(fēng)口面積，自然通風(fēng)的通風(fēng)效率并沒有隨之發(fā)生顯著變化。分析其原因?yàn)椋和L(fēng)口面積增大時(shí)，自然通風(fēng)通風(fēng)效果滿足室內(nèi)人員新風(fēng)量以及溫度需求，但可能出現(xiàn)局部風(fēng)速過(guò)高，室內(nèi)速度場(chǎng)不穩(wěn)定的現(xiàn)象。

表2 典型房間不同通風(fēng)工況下的通風(fēng)溫度對(duì)比

圖7 三種廊道式建筑自然通風(fēng)模式下典型房間通風(fēng)效率對(duì)比

建筑結(jié)構(gòu)形式對(duì)自然通風(fēng)效果也有較大影響。對(duì)于內(nèi)廊式教室、外廊式教室，無(wú)論通風(fēng)面積因子如何變化，該氣流組織的通風(fēng)效率均維持較穩(wěn)定的通風(fēng)效率值，基本均在 1.1～1.3 之間，通風(fēng)效果良好。而雙廊式教室，由于建筑結(jié)構(gòu)形式的阻隔作用，使得其通風(fēng)效率在0.3～0.5 之間。

2.3 室內(nèi)預(yù)測(cè)平均評(píng)價(jià)（PMV）

PMV 指標(biāo)是結(jié)合人體熱?舒適方程，在大量實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上得出，其理論依據(jù)是當(dāng)人體處于穩(wěn)態(tài)的熱環(huán)境下，人體偏離熱舒適的狀態(tài)就越遠(yuǎn)，正負(fù)值區(qū)間越大，人體不舒適性越強(qiáng)[14]。

由圖8 可知，當(dāng) PMV 在-1～1 間時(shí)，工作區(qū)處于較舒適的中等環(huán)境。通過(guò)PMV 模擬分析可知，內(nèi)廊式教室與外廊式教室，均處于 0～1 的微暖區(qū)間內(nèi)，滿足要求。對(duì)于外廊式教室，當(dāng)通風(fēng)面積因子大于80%時(shí)，滿足舒適度要求，但當(dāng)開窗面積減小，人體舒適性區(qū)間偏向“ 暖”區(qū)間。人體舒適性不僅與室內(nèi)空氣溫度有關(guān)，與室內(nèi)空氣風(fēng)速也有很大關(guān)系。因此，在設(shè)計(jì)建筑結(jié)構(gòu)形式時(shí)，不能只單純依靠降低室內(nèi)空氣溫度來(lái)提高房間內(nèi)人體的熱舒適性。合理利用穿堂風(fēng)，保證自然通風(fēng)下的室內(nèi)速度，依然可以達(dá)到相同的舒適性效果，同時(shí)還達(dá)到節(jié)能的目的。

圖8 三種廊道式結(jié)構(gòu)建筑自然通風(fēng)模式熱感覺值PMV 對(duì)比

3 自然通風(fēng)方案優(yōu)化

為了進(jìn)一步提高自然通風(fēng)條件下，教學(xué)建筑室內(nèi)人員的舒適度，現(xiàn)將其主要評(píng)價(jià)參數(shù)（平均速度、通風(fēng)效率、平均空氣齡和PMV）綜合進(jìn)行對(duì)比。首先，三種通風(fēng)結(jié)構(gòu)方案的典型教室室內(nèi)平均風(fēng)速為 0.35 m/s，0.55 m/s 和 0.18 m/s，內(nèi)廊式建筑、雙廊式建筑滿足0.3 m/s 的限值標(biāo)準(zhǔn)要求，外廊式建筑可以通過(guò)減小開窗面積因子達(dá)到。雙廊式建筑在自然通風(fēng)模式下，由于建筑中間結(jié)構(gòu)阻礙通風(fēng)流暢性，背風(fēng)區(qū)與室內(nèi)差壓又不足以引起良好的通風(fēng)效果，使得通風(fēng)效率、通風(fēng)空氣齡、P MV 值均不理想。另外，基于建筑熱穩(wěn)定性與實(shí)用性，內(nèi)廊式建筑略優(yōu)于外廊式建筑。綜上所述，內(nèi)廊式教室在自然通風(fēng)模式中具有相對(duì)優(yōu)越性，能夠產(chǎn)生令室內(nèi)人員滿意的舒適性環(huán)境。

為完善內(nèi)廊式教室背風(fēng)區(qū)個(gè)別房間通風(fēng)效果不佳的現(xiàn)象，下面將對(duì)該類型結(jié)構(gòu)開展進(jìn)一步優(yōu)化。在內(nèi)廊道設(shè)置橫向通風(fēng)口，通過(guò)調(diào)整內(nèi)墻窗墻比參數(shù)，保證背風(fēng)區(qū)各房間達(dá)到自然風(fēng)舒適區(qū)域。如圖 9 所示，內(nèi)窗面積增大，空氣齡隨之降低，通風(fēng)換氣順暢，空氣品質(zhì)提升。當(dāng)內(nèi)墻窗墻比達(dá)到 25%左右時(shí)，繼續(xù)增加通風(fēng)口面積，自然通風(fēng)的通風(fēng)效果并沒有隨之發(fā)生顯著變化。

圖9 內(nèi)墻窗墻比對(duì)平均空氣齡的影響

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)西安地區(qū)某教學(xué)主體建筑熱壓、風(fēng)壓共同作用下的自然通風(fēng)環(huán)境進(jìn)行模擬計(jì)算，預(yù)測(cè)迎風(fēng)區(qū)、背風(fēng)區(qū)房間的速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)。以空氣齡、通風(fēng)效率、PMV 等參數(shù)作為通風(fēng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)三種建筑結(jié)構(gòu)形式（內(nèi)廊式、外廊式、雙廊式）的自然通風(fēng)效果進(jìn)行對(duì)比與優(yōu)化。研究結(jié)果分析表明：

1）建筑結(jié)構(gòu)形式、通風(fēng)面積因子等因素對(duì)建筑自然通風(fēng)效果有顯著影響。內(nèi)廊式建筑和外廊式建筑的整體自然通風(fēng)氣流組織形式良好，雙廊式建筑由于中間結(jié)構(gòu)，阻礙通風(fēng)流暢性，背風(fēng)區(qū)房間通風(fēng)效果不佳。

2）通風(fēng)效果穩(wěn)定的情況下，加大通風(fēng)口面積可以提高自然通風(fēng)利用率，通風(fēng)口面積因子增加到 80%以后，繼續(xù)增加通風(fēng)口面積，自然通風(fēng)的通風(fēng)效率不會(huì)發(fā)生顯著變化。

3）綜合評(píng)價(jià)，對(duì)比于外廊式和雙廊式建筑，內(nèi)廊式教室在自然通風(fēng)模式中熱穩(wěn)定性和通風(fēng)效率更佳。在滿足室內(nèi)熱環(huán)境穩(wěn)定性與舒適性的條件下，內(nèi)廊式建筑結(jié)構(gòu)更適用于教學(xué)建筑。結(jié)合工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)值，可以通過(guò)調(diào)整內(nèi)墻窗墻比參數(shù)（25%左右），進(jìn)一步優(yōu)化自然通風(fēng)效果。