模塊化建筑室內(nèi)外微環(huán)境研究

■ 李楊露西 LI Yangluxi 陳 壘 CHEN Lei

0 引言

室內(nèi)空氣質(zhì)量被認(rèn)為是對(duì)人類健康最有影響的因素之一。如果人們長(zhǎng)期暴露在室內(nèi)高濃度的空氣污染物中，污染物劑量超標(biāo)可能導(dǎo)致一些相關(guān)的健康問題[1-2]。迄今為止，相關(guān)文獻(xiàn)中的研究主要集中在微環(huán)境中的污染物來源方面。例如，家庭中的烹飪活動(dòng)[3]，家庭和寺廟中的香燭燃燒[4]，各種室內(nèi)環(huán)境中的吸煙，辦公室中的打?。ㄈ绱蛴C(jī)、復(fù)印機(jī)），以及工作場(chǎng)所和學(xué)校的工業(yè)活動(dòng)等[5]。室內(nèi)空氣質(zhì)量指標(biāo)是建筑使用者的一個(gè)重要考慮因素，因?yàn)?，大多?shù)人每天在室內(nèi)呆的時(shí)間往往超過20 h。面對(duì)空氣質(zhì)量問題，開窗是一個(gè)重要的解決方式。目前，已經(jīng)進(jìn)行了一些相關(guān)的研究調(diào)查以評(píng)估各種類型窗戶對(duì)室內(nèi)通風(fēng)的影響。之前的一些論文中[6]已經(jīng)表明，自然通風(fēng)對(duì)于降低室內(nèi)污染物濃度的重要性。Heiselberg 等人[7]測(cè)量了兩種類型單懸窗的通風(fēng)率，發(fā)現(xiàn)下懸窗是冬季通風(fēng)的首選，因?yàn)?，空氣?huì)被帶入居住區(qū)域外的房間，這種窗戶便于通過改變開啟角度來控制通風(fēng)效果。此外，側(cè)懸窗對(duì)房間通風(fēng)會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響，因?yàn)?，空氣直接吹到居住區(qū)域。Gao和Lee[8]從門窗等開口位置的角度研究住宅房間的通風(fēng)性能，這項(xiàng)研究提出，合理的窗戶位置和建筑朝向的改變可以對(duì)室內(nèi)自然通風(fēng)性能產(chǎn)生積極影響。Grabe 等人[9]對(duì)通風(fēng)率進(jìn)行了研究，基于風(fēng)壓通風(fēng)的原理，受典型窗戶的影響，證明了流速與窗戶類型密切相關(guān)。Awbi[10]還提出了流量系數(shù)的概念，以測(cè)量通風(fēng)的變化，這取決于雷諾數(shù)和建筑開口的幾何形狀以及建筑物內(nèi)外的壓差。

除窗戶之外，陽臺(tái)被認(rèn)為是另一個(gè)影響室內(nèi)通風(fēng)環(huán)境的因素。陽臺(tái)是與自然相連的戶外空間，特別是對(duì)于居住在亞熱帶氣候地區(qū)的居民來說，它可以為居住者提供通風(fēng)以減少空氣污染，還可以在一定程度上減少一部分建筑物供暖和制冷負(fù)荷。但是，對(duì)于自然通風(fēng)，陽臺(tái)會(huì)影響建筑物表面入口處的風(fēng)壓，進(jìn)而影響室內(nèi)房間的通風(fēng)性能[11-12]。不同樓層的陽臺(tái)對(duì)房間通風(fēng)有不同的影響。由于入口迎風(fēng)處壓力的分布不同，中間樓層的通風(fēng)性能優(yōu)于多層建筑的地面和頂層。陽臺(tái)的大小與房間的通風(fēng)性能無關(guān)[13]。但是，如果陽臺(tái)的深度太大，則會(huì)對(duì)室內(nèi)通風(fēng)條件產(chǎn)生負(fù)面影響，因?yàn)?，陽臺(tái)會(huì)阻止外面的氣流，就像一個(gè)緩沖空間[14]。將陽臺(tái)結(jié)合到建筑物中也存在一些缺點(diǎn)。Prianto 和Depecker[15-16]使用數(shù)值模型模擬了兩層住宅的陽臺(tái)效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)建筑開口和陽臺(tái)有利于增加室內(nèi)自然通風(fēng)，但內(nèi)部隔斷可能會(huì)降低室內(nèi)通風(fēng)效率，從而對(duì)熱帶潮濕地區(qū)的熱舒適性產(chǎn)生負(fù)面影響。

模塊化建筑是近年來新興發(fā)展起來的，以其可在短時(shí)間內(nèi)完成建造的預(yù)制能力而聞名[17]。研究發(fā)現(xiàn)，預(yù)制模塊化建筑可以在設(shè)計(jì)和建筑服務(wù)管理方面提供較大的靈活性[18]。德國農(nóng)業(yè)協(xié)會(huì)發(fā)表了一份測(cè)試報(bào)告，說明了模塊化系統(tǒng)為雞舍提供通風(fēng)的積極作用[19]。

過去的許多研究，通過計(jì)算流體力學(xué)（CFD）模擬說明自然通風(fēng)系統(tǒng)的使用及其性能。然而，對(duì)模塊化住宅的通風(fēng)條件和開窗位置的影響仍缺乏研究。本研究中，通過評(píng)估不同建筑中的通風(fēng)條件，研究了模塊化住宅中的風(fēng)速放大問題。目的是對(duì)不同平面布置方案的模塊化住宅的通風(fēng)氣流特性進(jìn)行探索。本研究的創(chuàng)新之處在于，研究模塊化房屋的通風(fēng)特性，研究的結(jié)果有助于未來模塊化住宅的設(shè)計(jì)，通過布置窗戶和浴室的位置來促進(jìn)室內(nèi)氣流流動(dòng)，從而促進(jìn)污染物的消散，改善室內(nèi)空氣質(zhì)量。此外，通風(fēng)原理可以分為風(fēng)壓通風(fēng)與熱壓通風(fēng)兩種類型，本研究針對(duì)風(fēng)壓通風(fēng)驅(qū)動(dòng)的自然通風(fēng)效果進(jìn)行研究[20-21]。

1 研究方法

1.1 模型設(shè)定

圖1 是采用fluent 軟件進(jìn)行計(jì)算的流場(chǎng)模型。該模塊的尺寸為長(zhǎng)×寬×高=8 400 m×5 400 m×3 000 m。根據(jù)Franke[22]和Tominaga等人[23]的研究成果，計(jì)算域的上游和下游尺寸分別需要達(dá)到5 倍的計(jì)算域高度和15 倍的區(qū)域高度。最終計(jì)算域的整體尺寸為長(zhǎng)×寬×高=68.4 m×65.4 m×15 m，最大阻擋率為0.20%，低于推薦的值5%。域中最小和最大的單元體積分別約為8 m×10 m-6 m 和0.125 m3。從墻體相鄰單元的中心點(diǎn)到墻體的長(zhǎng)度約為0.020 m。這些數(shù)值將保證墻體相鄰單元的中心點(diǎn)被置于對(duì)數(shù)層中，以便充分利用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。

圖1 ICEM 生成的網(wǎng)格條件

與此同時(shí)，針對(duì)模擬的網(wǎng)格設(shè)置，還進(jìn)行了網(wǎng)格敏感性分析，目的是平衡誤差和計(jì)算的時(shí)間。模擬使用了三種類型的網(wǎng)格，根據(jù)線性因子√2 將不同的網(wǎng)格分為三種類型：粗網(wǎng)格、中網(wǎng)格和細(xì)網(wǎng)格。粗網(wǎng)格221萬個(gè)，中網(wǎng)格301 萬個(gè)，細(xì)網(wǎng)格425萬個(gè)。此外，上述三種類型對(duì)應(yīng)的最小網(wǎng)格尺寸范圍為0.038、0.027 和0.014 mm?？紤]到研究目的，圍繞室內(nèi)通風(fēng)特性，在房間兩側(cè)設(shè)置兩條水平測(cè)試線，比較不同網(wǎng)格的效率，對(duì)比三種網(wǎng)格在1.5 m 處兩條水平線的風(fēng)速情況。所有模擬均采用上海當(dāng)?shù)仄骄L(fēng)速 3.4 m/s 作為初始風(fēng)速。結(jié)果表明，這三種類型的網(wǎng)格分別具有不同的風(fēng)速放大值即測(cè)點(diǎn)風(fēng)速與參考風(fēng)速的比值，其中，參考風(fēng)速指的是入射風(fēng)速和風(fēng)向。沿著測(cè)試線的粗網(wǎng)格和中網(wǎng)格之間風(fēng)速放大值的平均偏差為1.2%，而細(xì)網(wǎng)格和中等網(wǎng)格之間的偏差也基本相同。因此，本研究決定采用中等網(wǎng)格的精度進(jìn)行模擬分析，足以達(dá)到研究的要求。

1.2 模塊尺寸的確定。

根據(jù)上述關(guān)于模塊化房屋的描述，一個(gè)完整的模塊式居住單元由幾個(gè)已建成的組件組成。其中，浴室模塊是較完整的單元之一，它具有較高的完整性，包括安裝在模塊中的衛(wèi)生器具。圖2 展示了建筑設(shè)計(jì)資料集中常見的模塊化浴室模式的一些詳細(xì)圖表。為了在保證模塊尺寸和節(jié)約面積之間尋求最大的平衡，整個(gè)模塊化房屋的尺寸是根據(jù)浴室模塊尺寸生成的。圖2d 表明模塊化住宅可以通過卡車進(jìn)行整體運(yùn)輸。這是模塊化房屋的一個(gè)優(yōu)勢(shì)，可以節(jié)省施工時(shí)間，有助于解決住房問題。在本研究中，研究了整體浴室、窗戶和陽臺(tái)的不同位置對(duì)模塊化房屋室內(nèi)通風(fēng)的影響。研究中的模塊化房屋尺寸是通過一些相關(guān)文獻(xiàn)和浴室常用尺寸來確定的。

圖2 模塊式房屋的圖示

為了研究模塊的位置對(duì)其通風(fēng)性能的影響，模塊化房屋被設(shè)定為兩個(gè)部分:A 和B。通過改變兩個(gè)模塊的位置可能會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的陽臺(tái)空間，這也可能影響室內(nèi)通風(fēng)。過去，相關(guān)的模塊化房屋研究主要集中在模數(shù)和工程執(zhí)行上，而不考慮流場(chǎng)特性等熱環(huán)境。本文對(duì)模塊化浴室、窗戶和陽臺(tái)的位置進(jìn)行了研究，探索這些模塊的不同位置對(duì)模塊化住宅室內(nèi)通風(fēng)的影響。

1.3 工況設(shè)定

在本文中，根據(jù)模塊和窗戶的位置差異，將模擬分為3 個(gè)工況。如圖 3 所示，模塊化房屋由A 和B 兩個(gè)模塊構(gòu)成。三個(gè)窗戶分別位于模塊A 的兩個(gè)側(cè)面和模塊B 的一個(gè)側(cè)面，入口門位于模塊B 的另一側(cè)。在模擬過程中，所有的模擬情況都是在0°的風(fēng)向下進(jìn)行，三個(gè)窗戶都處于開啟狀態(tài)。三種工況按其陽臺(tái)的長(zhǎng)寬比S來定義，陽臺(tái)長(zhǎng)為I，寬為W，公式（1）為計(jì)算方式，工況1、工況2和工況3 分別對(duì)應(yīng)0、0.5、1。采用模擬的方法對(duì)相同通風(fēng)效果下，兩個(gè)模塊的相對(duì)位置對(duì)室內(nèi)通風(fēng)環(huán)境的影響進(jìn)行研究。

圖3 不同工況情況下的平面圖

1.4 評(píng)價(jià)指標(biāo)

歸一化風(fēng)速值VNW(normalized wind velocity)被用來評(píng)估不同工況條件下的通風(fēng)性能，如公式（2）所示，U代表模擬風(fēng)速，Uref是參考風(fēng)速，即計(jì)算域入口處的3.4 m/s。此外，不同VNW值的面積比例R被用作另一個(gè)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算方式如公式（3）所示，S1表示某VNW對(duì)應(yīng)值的面積，而S2表示的是總共建筑的面積，以定量評(píng)估室內(nèi)通風(fēng)狀況。

例如，當(dāng)公式（2）計(jì)算的0～0.2、0.2～0.4 下的VNW面積比S1為20 m2和40 m2，而整個(gè)模塊房面積S2為100 m2時(shí)，0～0.2、0.2～0.4的VNW面積比R分 別 為20/100 和40/100。

2 研究結(jié)果

圖4 顯示了在三種陽臺(tái)長(zhǎng)寬比S為0、0.5、1 的情況下，在距離地面1.5 m 處水平面上的歸一化風(fēng)速分布，即工況1～3。圖4 顯示，工況1～3 的風(fēng)速分布具有不同的特點(diǎn)。對(duì)于工況2，氣流在入口處加速，最大速度達(dá)到1.0 左右，并從模塊A 的對(duì)面出口處離開室內(nèi)空間，然后氣流沖擊到模塊B 門的位置，產(chǎn)生了一個(gè)較大的停滯區(qū)，這里的風(fēng)速最低。在兩個(gè)模塊A 和B 之間，氣流在陽臺(tái)的角落分離，產(chǎn)生了一個(gè)循環(huán)區(qū)域，可能對(duì)室內(nèi)通風(fēng)性能產(chǎn)生負(fù)面影響。此外，在模塊B 的中心也出現(xiàn)了一個(gè)小的低風(fēng)速區(qū)域，該區(qū)域由模塊B 入口處的入射氣流產(chǎn)生，VNW約為0.25。

圖4 不同陽臺(tái)長(zhǎng)寬比情況下的模擬氣流環(huán)境

通過擴(kuò)大陽臺(tái)的長(zhǎng)寬比，建筑物內(nèi)的局部平均VNW值明顯下降。除工況1 外，工況2 和工況3 的流動(dòng)模式仍然相當(dāng)類似。此外，模塊之間的再循環(huán)區(qū)域也顯示出隨著陽臺(tái)長(zhǎng)寬比的增加而擴(kuò)大的趨勢(shì)。例如，工況1 入口處的VNW值為1.50，比工況2 和工況3 相同位置的VNW值1.0 大很多。

圖5 提供了工況1～3 中VNW對(duì)應(yīng)的面積比例概況。在VNW值高的情況下，面積比隨著陽臺(tái)深度的增加而減少，而在陽臺(tái)長(zhǎng)寬比值較高的情況下，面積比大致保持不變。這意味著，當(dāng)陽臺(tái)長(zhǎng)寬比大于0.5 時(shí)，建筑物陽臺(tái)尺寸的變化對(duì)內(nèi)部局部風(fēng)速的影響比較小。例如，在工況1 中，當(dāng)VNW為0.6～0.9 時(shí)，達(dá)到了最高50%的面積比。而在工況2 和工況3中，在0～0.2VNW的范圍內(nèi)，面積比例就達(dá)到了50%。工況2 中基于VNW的面積比概況與工況3 相當(dāng)。

圖5 工況1 和工況3 中VNW 統(tǒng)計(jì)的面積比

比較這三種情況的通風(fēng)關(guān)系，根據(jù)上述結(jié)果，當(dāng)這兩個(gè)模塊相互對(duì)齊時(shí)，室內(nèi)通風(fēng)環(huán)境產(chǎn)生了最佳性能。隨著這兩個(gè)住宅模塊錯(cuò)位程度的增加，由于錯(cuò)位位置周圍形成的氣流陰影區(qū)效應(yīng)，室內(nèi)通風(fēng)環(huán)境逐漸變差。然而，當(dāng)陽臺(tái)長(zhǎng)寬比大于0.5 時(shí)，代表陽臺(tái)尺寸的錯(cuò)位程度對(duì)室內(nèi)通風(fēng)性能的影響可以忽略不計(jì)。通風(fēng)良好的區(qū)域出現(xiàn)在窗戶對(duì)面的模塊中，可以產(chǎn)生穿堂風(fēng)。盡管錯(cuò)位的住宅模塊對(duì)室內(nèi)通風(fēng)有負(fù)面影響，但所形成的陽臺(tái)可以改善室內(nèi)住宅質(zhì)量。因此，對(duì)于建筑師來說，模塊化住宅設(shè)計(jì)需要充分考慮不同模塊之間的錯(cuò)位對(duì)室內(nèi)環(huán)境的影響。

除了上述的研究之外，窗戶的位置也是另外一個(gè)影響室內(nèi)風(fēng)環(huán)境的因素，為了研究工況3 中如何改善室內(nèi)通風(fēng)條件，在出風(fēng)口處確定了兩個(gè)不同的開窗位置。

工況3A：開窗位于模塊A 出風(fēng)口的側(cè)面

工況3B：在模塊B 的入口對(duì)面設(shè)置額外的開窗

如圖 6 所示，工況3A 和3B 的側(cè)面新增開口代表窗戶位于窗口B 對(duì)面的情況，VNW值最高的區(qū)域出現(xiàn)在工況3A 的進(jìn)風(fēng)口和3B 的出風(fēng)口。這里需要注意的是，出現(xiàn)在工況3A中入口與出口之間的氣流漩渦區(qū)域，會(huì)對(duì)內(nèi)部流場(chǎng)產(chǎn)生負(fù)面影響，而對(duì)于工況3B，在模塊B 的入口窗口位置后面的大區(qū)域中形成了較大的風(fēng)速區(qū)，同時(shí)，3B 的出風(fēng)口氣流強(qiáng)度也明顯大于模塊3A 的出風(fēng)口氣流強(qiáng)度。由此可見，窗口位置的設(shè)置會(huì)明顯影響室內(nèi)的氣流情況，例如，在工況3A 中，模塊B 中氣流入口后面區(qū)域的VNW達(dá)到了0.25，而在工況 3B中，同一位置的VNW為0.00。

圖6 不同窗戶位置對(duì)于室內(nèi)通風(fēng)的影響

根據(jù)圖中具體的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，在VNW0.6～0.8 的范圍內(nèi)，工況3A 的云圖面積比例明顯大于工況3B 的云圖面積比例。同時(shí)，在工況3A 中35% 的面積可以達(dá)到最高的VNW值。而在工況3B 中，該最高百分比面積比為25%，遠(yuǎn)低于3A。這主要是由于在模塊中形成的漩渦區(qū)域中，氣流VNW值最低，接近于0.0。因此，對(duì)于模塊化住宅，在氣流的下游，也就是下風(fēng)處開窗可以有效提高室內(nèi)風(fēng)速，有助于污染物的消散。當(dāng)這兩個(gè)住宅模塊處于錯(cuò)位狀態(tài)時(shí)，最好將窗口布置于錯(cuò)位位置的一側(cè)，有助于得到較好的通風(fēng)環(huán)境。

通過以上分析結(jié)果表明，窗戶和浴室模塊的位置對(duì)室內(nèi)環(huán)境的通風(fēng)性能都有影響。改變兩個(gè)模塊 A 和B 的相對(duì)位置將產(chǎn)生陽臺(tái)空間，也會(huì)影響迎風(fēng)面上的氣流壓力分布情況。因此，由于模塊化房間的位置發(fā)生變化，氣壓差也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，從而導(dǎo)致室內(nèi)氣流風(fēng)場(chǎng)情況發(fā)生波動(dòng)。由此可以看出，室內(nèi)通風(fēng)性能由模塊化房間的位置以及相應(yīng)的窗戶位置決定。在本研究中，通過兩個(gè)不同窗口位置的工況情況來比較內(nèi)部流場(chǎng)，以研究最佳開口位置。

3 結(jié)語

模塊化房屋的位置可以有效改善住宅的室內(nèi)通風(fēng)環(huán)境。模塊之間的相對(duì)位置、窗戶的開啟位置和浴室/衛(wèi)生間的位置，都會(huì)對(duì)房間的通風(fēng)產(chǎn)生影響。隨著兩個(gè)住宅模塊錯(cuò)位程度的增加，由于錯(cuò)位位置周圍形成的氣流陰影區(qū)效應(yīng)，室內(nèi)通風(fēng)將逐漸惡化。模塊中通風(fēng)良好的區(qū)域在進(jìn)氣口對(duì)面的窗戶處，可以產(chǎn)生穿堂風(fēng)效應(yīng)。因此，對(duì)于模塊式住宅，在風(fēng)的下游開窗可以有效地提高室內(nèi)氣流速度。當(dāng)兩個(gè)住宅模塊處于錯(cuò)位狀態(tài)時(shí)，改善室內(nèi)通風(fēng)的開窗位置宜位于錯(cuò)位的一側(cè)。另外，在本研究中，研究了由兩個(gè)模塊組成的模塊化房屋，以進(jìn)行室內(nèi)通風(fēng)特性研究。此外，模塊化房屋可以分為多種模式，并由多個(gè)模塊組合而成，產(chǎn)生各種平面形狀。因此，未來還需要對(duì)除上述兩種類型之外的各種模塊化房屋類型作進(jìn)一步的研究。