文化建筑中庭自然通风优化探析
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摘要：采用CFD计算流体力学方法对上海市某文化建筑中庭室内自然通风进行了数值模拟计算，分析其室内中庭风速、空气龄分布情况，并设计三种优化方案改善其中庭内部自然通风效果。研究得出该建筑原设计方案中庭一层自然通风效果最好，随高度升高，二、三层自然通风效果逐渐变差。通过优化围护结构开口大小、开口高度两种设计参数能够显著改善二、三层自然通风效果和舒适性。可为本地区该类型建筑中庭的自然通风设计优化提供一定的参考。
关键词：中庭优化设计自然通风CFD数值模拟文化建筑
1项目概况
某文化建筑位于上海市，建筑平面呈规则的六边形，边长约70m，其东侧为一六边形美术馆。总建筑面积为35284m2，建筑高度23.6m，地上三层，每层各有一层夹层。一层主要功能房间为展厅和门厅，二层为展厅，三层为展厅、办公和库房，夹层为设备用房。建筑中心为一平面截面为正三角形的中庭，边长约72.8m，贯通1~3层。
2评价标准
综合考虑建筑中庭内的风速及空气龄，对中庭自然通风效果进行合理判断及评价。1）风速标准：《建筑通风效果测试与评价标准》JGJ309T-2013中第3.2.6条的第2点规定：“自然通风室内人员活动区空气流速应在0.3m/s~0.8m/s之间。”[1]2）空气龄标准：目前的标准、规定并没有对室内空气龄作出明确的要求，经查找相关文献，将健康的空气龄标准定为500s[2]。自然通风时室温较高，过小的风速对散热不利，舒适度降低，而风速过大会影响人体舒适性，因此自然通风的风速不宜过小也不宜过大。空气龄是房间内某点空气在房间内已经滞留的时间，反映了室内空气的新鲜程度，是评价室内空气品质的重要指标。
3技术路线
3.1模拟软件
由CD-adapco公司开发的CFD软件STAR-CCM+，其具有：强大的网格处理能力、先进的物理模型、多面体网格划分功能、稳健可信赖、多种文件格式兼容等特点，早期发源于航空航天领域的需求，现已进入到流体流动有重要作用的所有领域，包括建筑行业。STAR-CCM+提供了多种湍流模型，在保证满足计算精度的前提下选用SSTk-o湍流模型，这种模型在近壁面采用的是k-o模型，在远离壁面的地方采用的是k-e模型。采用Boussinesq涡粘假设，其微分方程详见文献[3]。其他条件设置为三维稳态理想气体，湍流流动，采用分离流求解器。
3.2几何模型
依据建筑总平面图考虑周围建筑的影响，按照不影响室外风场为原则进行几何模型简化。本项目远离市区，建筑周边除有一栋与本文化建筑一同设计的美术馆外，几乎无其他建筑。该文化建筑一层门厅面积891.2m2，中庭2080.7m2，在博物馆的北侧、西南侧和东南侧有共享空间可以直接通到室外。根据《建筑环境数值模拟技术规程》DB31/T922-2015中的要求建立室内外物理模型（图1）并确定计算域范围。
3.3气象参数
该文化建筑位于上海市，对《中国建筑热环境分析专用气象数据集》[5]中上海市典型气象年过渡季节的参数进行分析，得到上海地区过渡季节10m高空的主导风向为NNE，风频为11.5%，主导风向上的平均风速为4.05m/s。
3.4边界条件
1）气流进口使用速度边界，速度值则可根据式（1）确定：u(z)=u(z1)(z/z1)a（1）式中：z1=10m；u(z1)=z1高度上的平均风速，4.05m/s；a为地面粗糙度，本项目位于上海市徐汇区，地面粗糙度按C类地区取值：0.22[6]。2）流出口采用压力边界。3）上空面和两侧面则为自由滑移表面（slipwall）边界。
4模拟方案及结果分析
4.1原方案
4.1.1原方案模拟结果。建筑中庭内，一至三层距地面（楼板）1.5m高度处的风场和空气龄分布如图2~4所示。从图2~4风速矢量图可以看出，一层：中庭进风口处风速最大，最大风速为3.44m/s，而在建筑中心遮挡物后及南部门厅区风速较小。中庭中心遮挡物后的空气龄较大，为687.5s；南部门厅区的空气龄也很大，最大空气龄为1500s。二层：中庭进风口处风速最大，最大风速为3.28m/s，其他区域风速分布较均匀。中庭内最大空气龄为718.8s，出现在中庭中心处。三层：中庭进风口处风速最大，最大风速为2.99m/s，而在中庭西部区域风速较小。中庭内西部区域空气龄较大，最大空气龄为875.0s。图5为建筑中庭沿风速方向的中心剖面上的风速矢量图和空气龄云图。从图5可以看出，气流在进入中庭后与中庭内空气不断混合，气流组织较为复杂。三层北部存在一个范围很大的流动涡旋，此处空气龄较大，最大空气龄为937.5s。4.1.2原方案达标比例。将以上原方案的模拟结果，按照满足风速指标和空气龄指标的达标面积比例汇总到表1中。某文化建筑中庭一层自然通风效果最好，风速在0.3~0.8m/s范围内的面积占中庭总面积的71.8%，空气龄在500s以下的面积占中庭总面积的77.1%，舒适性和空气品质都较好。中庭内随高度增加，二层、三层自然通风效果很差，二层、三层中庭内有观光楼梯属于人员活动区，南部门厅的舒适性和空气质量都较差，自然通风均需要进一步优化。
4.2优化方案
4.2.1优化方案设计。与中庭自然通风有关的建筑设计因素可能有中庭平面形状，中庭尺寸，围护结构开口大小及开口高度等。建筑体型、中庭平面形状及尺寸是设计师综合考虑艺术性，经济性，环境及城市规划要求和业主需求之后确定的，受主客观因素影响，修改起来复杂且可实现性不强，可考虑通过修改围护结构开口尺寸和开口高度来对其进行通风优化。由于受建筑形体和房间功能的限制，该文化建筑的中庭围护结构开口尺寸很小，只能尽可能增大此因素的取值来对自然通风进行优化。优化方案如表2所示。三种方案的平面形状和中庭尺寸取值都保持不变，方案1将围护结构开口尺寸增大一倍，即通风开口面积占地比增大为7.8%，开口高度保持不变。方案2围护结构开口尺寸不变，开口高度增高为3.0m，即将通风口改为高窗，窗台高为3.0m。方案3将围护结构开口尺寸增大一倍，并将通风口改为高窗，即通风开口面积占地比增大为7.8%，窗台高改为3.0m。4.2.2优化方案模拟结果分析。将三种优化方案进行自然通风的数值模拟，并将模拟结果的风速和空气龄综合达标面积比例与原始方案对比，如表3所示。方案1建筑中庭自然通风优化效果显著，综合达标比例一层比原方案提高12.2%，二、三层分别提高39.3%和45.8%。中庭内最大风速大于3.44m/s，吹风感较强烈。最大空气龄大于468.8s，空气新鲜，门厅区域的最大空气龄为984.4s，空气质量有很大改善。方案2建筑中庭自然通风优化效果明显不如方案1，综合达标比例一层甚至比原方案降低了17.0%，而二、三层分别提高6.0%和8.2%。中庭内最大风速在0.72~0.84m/s内，吹风感大大改善，符合人体舒适度。最大空气龄大于875.0s，门厅区域的最大空气龄为1937.5s，空气质量较原方案差。方案3建筑中庭自然通风优化效果二、三层较明显，综合达标比例比原方案分别提高26.5%和51.7%，一层仅比原方案提高1.4%。中庭内最大风速在0.84~1.31m/s内，吹风感有所改善，比较符合人体舒适度。最大空气龄大于625.0s，空气较原方案新鲜，门厅区域的最大空气龄为1625.0s，空气质量较差。总体来看，方案1的综合达标比例提高的最多，中庭自然通风优化效果最好，但风速较大，吹风感强烈，舒适性较差。方案2的二、三层综合达标比例提高5%以上，中庭自然通风优化效果不理想，但中庭内风速较低，人体舒适性较好，而空气龄较大，空气新鲜程度较差。方案3的一层综合达标比例几乎无变化，二、三层综合达标比例明显提高，中庭自然通风优化效果显著。中庭内风速较低，最大风速在1.5m/s以下，改善了原方案的吹风感，且中庭内最大空气龄较原方案有所降低，但门厅内空气质量依然较差。三种方案对中庭一层的自然通风优化效果都不理想，方案2甚至出现了明显降低的现象。这可能是由于该文化建筑一层中庭中心位置有一梯形房间，且距离进风口较远且面积很大，阻碍了气流流动，室外新鲜空气很难到达门厅区，在其背风面形成了大面积的静风区（＜0.3m/s）。纵向来看，除方案3的三层外，三种方案都表现出了随高度增加综合达标比例逐渐降低的特点。横向来看，方案1比原方案提高的综合达标比例是方案2的2~6倍，说明围护结构开口大小因素的影响力度远大于开口高度因素。而方案3虽综合了方案1和方案2的优点，除门厅区域外对改善原方案的中庭自然通风和室内舒适性效果较好，但结果却并不是二者的简单线性叠加。
5结语
随着当前经济、科技、文化的发展，人们对于富有良好文化性建筑的需求越来越强烈，大型文化建筑是城市的标志，近年来建设数量不断上涨。针对上海市某拟建文化建筑，运用CFD软件分析该建筑中庭自然通风效果，并设计三种优化方案进行分析评价，构建更加良好舒适的室内环境，并得到以下结论：当建筑中庭自然通风效果较差时，可通过优化围护结构开口大小、开口高度等设计参数来改善室内环境。围护结构开口大小因素的影响力度远大于开口高度因素，综合优化两种因素后的中庭自然通风结果结合了两者的优点，自然通风和室内舒适性较好，但并不是二者的简单线性叠加，两种因素的叠加效应原理有待进一步分析研究。
作者:李晨玉 王健 朱换换 谢孟晓 单位:同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司 同济大学机械与能源工程学院
