架空层形式对围合型实验楼自然通风影响研究

1?研究方法

1.1?标准选择

目前，国内外对自然通风的研究主要采用分析研究、实验研究和数值模拟CFD（computational fluid dynamics）3种方法。 分析研究是指采用理论分析计算的方法，依靠抽象化的分析模型，并结合伯努利方程理论进行理论研究。通过流体力学中的公式进行计算求解，从而更好地把握流场的分布情况，而该方法过于强调理论，消耗的人力太多，也没有足够的实验支撑。

实验研究是通过实测数据把握流场的分布情况，此方法有实际数据的支撑，但经济成本和时间成本较高，其不足之处在于数据不一定准确。

CFD数值模拟是利用计算机对研究对象进行模拟分析的一种方法。近几年该方法发展较快。采用计算机仿真技术，分析了建筑物的高度、屋面形状、室内外温差和门窗等因素对通风的影响。因此本研究采用CFD数值模拟的方法，使用软件为PHOENICS?2019。

1.2?模拟设置

本研究的重点在于研究空间通风相对优劣关系，在此过程中，重要的是探究对象之间的相对关系，而非绝对大小关系。因此，为了实现研究目的，只要保证模拟时不同工况外部边界的条件相同即可。模拟时，为了获得准确的结果且保证实验的简便性，选择将模拟条件设置为理想状态，同时设定气候条件为杭州当地的条件。

杭州属于夏热冬冷地区，具有夏季极端气温高、冬季寒冷、季节性变化明显等特点，杭州属亚热带季风性气候，不同季节的盛行风速和风向都有较为明显的区别。杭州地区的全年平均风速在2~5?m/s，一年中北风持续时间最长；在春秋冬三季，北风的出现频次最高，而在夏季，西南风的出现频次最高。

因此，杭州地区夏季主导风向是西南风，其余三季主导风向是北风；杭州地区各季平均风速差异不大，逐月风向呈现一点的差异。从而可以确定本研究数值模拟的初始风向为北风，风速设置为3?m/s。

实验建筑具有多样化的建筑形式，可依据建筑设计资料将其归类为直线形、L形、T形、E形、围合形和不规则形等。本次研究的重点为围合形实验楼。经调研后选取浙江农林大学–省部共建亚热带森林培育国家重点实验室（图1）作为模拟原型，建立模型。

   

图1?浙江农林大学–省部共建亚热带森林培育 国家重点实验室

利用Rhino软件构建模拟模型具体环境条件如下。

湍流模型选择为标准k–ε模型，风速采用杭州地区全年的平均风速为3.0?m/s，风向为北风。根据phoenics模拟经验，整个CFD网格区域的大小应根据模型的尺寸设置，边界长宽应为模型尺寸的5倍，高度为模型尺寸的3倍。软件内模拟设置见表1。

表1?软件模拟参数设置

   

1.4?工况设置

初始模拟是在当地盛行风向北风的条件下进行的，为了进一步研究如果风向不变，不同来流风向与架空层之间的位置关系对室内风环境造成的影响，可以对围合型实验楼在不同来流风向角度下的风场状况进行模拟。

2?湍流模型验证

为了验证模拟网格的精确性，选择新建成的浙江农林大学–省部共建亚热带森林培育国家重点实验室进行现场实测，实测现场以及测点布置如图2所示。实测主要检验网格划分的独立性和有关设定的精度，并通过实测数据与模拟结果进行一致性对比研究检验网格及仿真设定的可靠性。

   

（a）

   

（b）

   

（c）

图2?实测测点布置示意

（a）实验教室；（b）实测现场；（c）测点分布

测风速采用的仪器为GM?8902数字风速风量计，对风速风向同时进行测试。选取浙江农林大学–省部共建亚热带森林培育国家重点实验室为实测地点，选取实验楼3层的一处空教室作为实测对象，以尽量减少室内设备和家具对实测的干扰，在房间中布置5个测点，均匀分布，实测数据见表2。

表2?实测数据与模拟数据对比

   

与此同时，根据浙江省农林大学–省部共建亚热带森林培育国家重点实验室的施工图，运用Rhino软件1∶1建立对应的模拟模型，用于CFD软件中进行模 拟，模拟条件与表1相同。

由调研和数据可知，浙江农林大学–省部共建亚热带森林培育国家重点实验室为外庭院内廊式，南侧底层单侧架空，主导风向吹入时有一定的引导作用，气流大部分进入庭院内部。由于测点2和测点5靠近窗口，所以整体来说风速偏大。总体来说，所测房间位置在架空层对侧，连接中庭，通风相对较好,模拟测点风速测点2＞测点5＞测点4＞测点1＞测点3,模拟中靠近窗口处测点2和测点5的风速大小和实测结果略有偏差，可能是由于软件模拟中排除了周围建筑物的干扰因素，更接近理想化的环境，而现实中中庭内部风环境变化和室外环境都会对测点风速有影响，导致测点1和测点5的结果与模拟结果有较大偏差，总体实测数据小于模拟结果，因此印证了这一说法。然而，总体趋势具有一致性，5个测点的方向与实测结果相比具有良好的符合一致性；大部分风向差距均在5?%之内。

由此可知，所使用的模拟条件和网格精度具有准确可靠型，适用于后续的模拟分析研究（图3）。

   

图3?实测与模拟对比

3?参数研究

3.1?不同角度风模拟状况分层研究

空气龄是衡量室内空气质量的重要指标，单位 为s，用于反映空气的新鲜程度和通风效果，表示空气质点从进入房间至到达室内某点所用的时间。空气龄数值越小，代表该点的空气越新鲜，通风效果越好。空气龄不仅可以反映新风量的更换效果，而且可以反映平面上每一个部位的新鲜程度。研究结果表明，对于大型建筑而言，300?s以内比较理想，300~1?000?s比较合适，1?000?s以上则被视为较差。

α 为房间的法线与风的夹角，主要探究单侧架空对室内风环境的影响，因此将 α 在0?°~360?°，以每30?°为一个梯度进行模拟研究，由于0?°和360?°的情况重合，视为同一个工况，共计12个工况，统计各个情况下的平均空气龄和换气次数情况进行室内风环境的评价。

由各工况1层室内1.5?m处空气龄云图可知，1层室内的通风情况从具体数值的角度来看，平均空气龄最小的是 α =150?°时，为333s，换气次数可达10.8次，接近比较理想的通风情况，空气较为新鲜，第2、第3小的分别是 α =180?°和 α =300?°时，平均换气次数都可达10次左右；平均空气龄最大的是 α =120?°时，为615?s，换气次数只有5.8次，相对通风情况合适，平均空气龄几乎是 α =150?°时的2倍，此时该角度下的室内空气最差，第2、第3大的分别是 α =0?°和 α =90?°时，平均换气次数基本只有6次左右。具体换气次数如图4所示。

   

图4?1层、3层换气次数对比情况

总体来说，架空层位置和来流风方向对室内风环境有较大的联系。相对来说，空气龄较大的工况来流风方向都离架空层较远，没有直吹的风通过架空层进入中庭，对中庭内风压的影响较小；而空气龄较小的工况来流风方向都与架空层有直接接触，有风可以通过架空层直接进入中庭，通过风压差对室内风环境造成影响，加速室内外风速流通。

从空气龄云图的视角观察，详细分析数值和颜色的分布， α =240?°时室内空气质量最佳，空气龄数值相对较小，各区域云图展现出较均匀分布，不存在空气淤积不畅的现象； α =0?°~30?°时，12个工况中室内空气相对较差，存在数量相对较多的高空气龄房间。综合评估，超过一半东面的庭院侧房间通风状况较差，且距离主流气流方向越近的位置，风压作用就越大，因此北侧通风效果更佳，而东西两侧的风压相对较小，中庭内的高压差难以引入新鲜空气。当朝向东侧而且处于中庭侧的房间在风向 α =240?°~300?°时，由于气流方向从该侧房间处流入，因此，房间内部在房门的作用下，空气更流通，更新房间空气的速度也会更快。

如图4所示，3层室内的通风情况从具体数值的角度来看，平均空气龄最小的是 α =180?°时，为344?s，换气次数可达10.5次，接近比较理想的通风情况，空气较为新鲜，第2、第3小的分别是 α =60?°和 α =210?°，平均换气次数分别为9.4次和8.5次，相对于1层来说相差更大；平均空气龄最大的是 α =0?°时，为652?s，换气次数只有5.5次，相对通风情况合适，此时该角度下的室内空气最差，第2、第3大的分别是 α =270?°和 α =90?°时，前者平均换气次数不到6次，而 α =90?°和 α =30?°之间的空气龄相差不到1?s。以东西向为分界线，即 α =90?°~270?°，可以发现架空层位置和来流风方向对整体室内风场具有一定的影响，来流风方向离架空层较远的一侧，由于来流风向相反，中庭内风压差较小，中庭新风较难进入室内；而另一侧来流风方向都可以通过架空层直接进入中庭，分压差较大，对室内风环境造成的影响也更大，加速了室内外风速流通。

从云图的角度来看，当 α =330?°时，室内各个房间的云图分布较均匀，没有出现空气特别不新鲜的房间；在 α =0?°~30?°和 α =90?°时，室内各个房间的云图分布比较不均匀，各房间空气龄相差较大，还有数量不等高空气龄房间。

整体来看，相对于1层，东面靠中庭侧的房间通风情况有所缓解，空气由1层架空层进入室内后在中庭形成涡流，让整个中庭的空气流动起来，相对1层高层也更容易流入新鲜空气。南侧由东向西第2个房间，在各个工况下均呈现较差的通风表现，是由于该房间相对其他所有房间开窗数量减半。由此可见，通风口数量和大小对室内空气新鲜程度也有直接影响。

3.2?不同角度风模拟状况整体研究

通过分层分析发现，风的来流方向与架空层的位置对室内风场有一定的影响，通过模拟软件导出的整栋楼数据对其进行进一步分析研究，整体的平均空气龄、平均换气次数和平均风速如图5~图7所示。

   

图5?平均空气龄图

   

图6?平均换气次数柱状图

   

图7?平均风速对比折线图

整体分析，空气龄与换气次数直接挂钩，从这两个角度来看，来流风向和架空层位置垂直时可以给室内带来最新鲜的空气。但是结合平均风速来看，来流风向和架空层位置垂直时风速过大，已有研究证实，空气流速大于1.0~1.5?m/s时，会给人体以有微风、不间断吹拂，放在桌上的纸会被吹走的影响，综合以上3个指标，来流风向和架空层位置垂直即 α =180?°时空气最清新，但有时风速会对使用者造成轻微的影响，而 α =60?°、 α =150?°、 α =210?°、 α =240?°和α=300?°时，在空气龄、换气次数和风速上表现更好。具体通风情况分析如图8所示。

图8?通风情况分析雷达图

由图8可知，该类型建筑设计特点：以内廊式建筑为代表的围合型建筑，其长边底层单侧架空的构造方式，所呈现的性能在特定通风情况下不理想，即一侧底层未架空的情况下，会影响建筑内中庭和室内的通风效果。针对该类型建筑，具体建议如下。

（1）在围合形内廊建筑的设计中，应将通风要求最高的房间布置在围合形平面四周靠外侧。研究发现，在四周靠外侧的空间中，无论从哪个角度来看，其通风情况均非常优秀。

（2）楼梯间、储藏室、设备间等，对于通风无要求的房间，宜布置在4个顶角或者是内廊的东西两侧，因为该位置受到墙体的阻挡，大部分的通风情况都不太乐观

（3）当 α 在0?°~90?°的范围内，架空层楼上一侧，不宜布置通风要求最高的房间，由于风压的影响，其他三侧的通风环境会更好。 

（4）当来流风向与架空层侧完全垂直，即 α =180?°时，1层室内外风速都过快，虽然空气质量高，但是影响使用者的舒适度。

4?结论

通过探究来流风向与底层架空的开口位置的变化，揭示了架空层位置对室内风环境的影响，研究了围合型实验楼在不同风向角度下通风状况的变化特点，最终得到12种不同风向下围合式多层建筑的来流风向与底层架空的开口位置的关系，进一步对比研究发现，在室内人行高度（1.5?m）处的空气龄、换气次数和风速风场分布等方面，模拟结果表明来流风向与底层架空的开口位置之间的关系，同时得出在夏热冬冷地区，围合形多层建筑最舒适的来流风向。在开展围合形实验楼的设计时，可结合本研究成果，依据各房间之特定通风需求的不同，灵活配置其功能分布布局，进而针对通风需求进行朝向设计。

（1）在实验楼建筑设计中，需要将通风要求最高的房间部署在建筑的外侧。理论计算表明，最佳通风角度范围为30?°~60?°和120?°~240?°，需避免垂直正方向的角度值180?°以及区间300?°~330?°，故排除此段角度。对于角度范围而言，次优则为60?°~90?°和270?°~300?°，最差的是330?°~30?°、90?°~120?°以及240?°~270?°，即共3个区间。

（2）在夏热冬冷的气候条件下，建筑物内部的通风问题必须充分考虑夏季通风和冬季避风等综合因素进行分析，在合理选择一定的风速、温度和湿度条件下适当开窗，室内风速会得到有效提升，从而提高室内舒适度。此外，通风对于室内舒适度的影响与风速强度呈正比关系。

（3）当围合形建筑物在角落处设置空旷通透的走廊，没有设置房间时，走廊处会出现聚风现象，从而对建筑物内部两侧的风压产生一定的影响，最终影响整个建筑内部的通风状况。