下沉式庭院建筑室內(nèi)自然通風(fēng)的研究與優(yōu)化

【關(guān)鍵詞】自然通風(fēng)；下沉式庭院；下沉高度； 

　　隨著我國城市化加劇，城市人口密集，城市地上用地增大，城市空間呈現(xiàn)出結(jié)構(gòu)復(fù)雜化、多樣化的趨勢，擴(kuò)大了城市空間的容量。地下空間的發(fā)展已成為新興的穩(wěn)步發(fā)展的國際化潮流。大多數(shù)地下建筑都屬于封閉空間，而且基本上都采用機(jī)械通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)[1]，這種空調(diào)系統(tǒng)雖然能很好的解決地下空間空氣環(huán)境品質(zhì)問題，但其耗能也是相當(dāng)大的，目前，我國約有15%的電能用在空調(diào)能耗上，新風(fēng)能耗又占總空調(diào)能耗的25%-38%。相對地上建筑，地下建筑在通風(fēng)環(huán)節(jié)消耗的能源要更高，過高的使用成本肯定會限制人們對地下空間的開發(fā)利用[2]。因此許多設(shè)計(jì)者對地下空間采用自然通風(fēng)進(jìn)行了研究，探索自然通風(fēng)在地下空間中的應(yīng)用潛力。 

　　受西安地區(qū)地貌、氣候等特點(diǎn)影響，很多下沉式庭院建筑較多的出現(xiàn)在城市中心、高校，此類建筑是否會滿足人的舒適性，是否具有較好的自然通風(fēng)及采光效果。因此對西安地區(qū)下沉式庭院建筑的自然通風(fēng)進(jìn)行研究就顯得比較重要。 

　　一、研究方法 

　　本文以西安某高校教學(xué)建筑的幾個(gè)下沉式教室為研究對象，采用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）方法對其室內(nèi)風(fēng)環(huán)境進(jìn)行數(shù)值模擬。首先，比較不同下沉高度對下沉庭院房間內(nèi)自然通風(fēng)引入的影響，分析三種截面（分別為建筑物迎風(fēng)面、背風(fēng)面、側(cè)風(fēng)面）下幾個(gè)教室在不同下沉高度下室內(nèi)氣流組織分布情況；最后，綜合下沉庭院室外風(fēng)環(huán)境、室內(nèi)風(fēng)環(huán)境給出合理的下沉高度。 

　　二、數(shù)值模擬的方法與邊界條件確定 

　　2.1下沉式庭院室內(nèi)研究對象的確定 

　　國內(nèi)外很多學(xué)者對室外風(fēng)場的研究表明，當(dāng)帶有下沉式庭院的建筑與來流風(fēng)成一定角度時(shí)，建筑各面前后壓差都不同，本文選取了研究教學(xué)建筑迎風(fēng)面最大風(fēng)壓區(qū)、側(cè)面正壓區(qū)、迎風(fēng)面部分負(fù)壓區(qū)（對應(yīng)105、108、101教室）為研究對象。 

　　2.2網(wǎng)格形式的劃分 

　　在對室內(nèi)風(fēng)場進(jìn)行模擬時(shí)，網(wǎng)格的形狀、數(shù)量、尺寸、排列形式都對流場的模擬結(jié)果影響很大。室內(nèi)模擬時(shí)由于模型的幾何形式不變，本文模擬的建筑物在建模時(shí)均采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。建筑物各個(gè)研究房間網(wǎng)格劃分為圖2.1； 

　　2.3邊界條件 

　　對建筑室外風(fēng)環(huán)境模擬時(shí)為了簡化幾何模型，將所研究的建筑物認(rèn)為實(shí)體建筑，這導(dǎo)致在建筑開口位置（門、窗）產(chǎn)生繞流與回流現(xiàn)象，使得風(fēng)不能流入這些開口，但在建筑物前后會形成壓差，這些表面壓力可以通過對模型表面截取點(diǎn)獲得。本文在研究室內(nèi)風(fēng)場的基礎(chǔ)上，對室外風(fēng)環(huán)境進(jìn)行了模擬，實(shí)體建筑表面產(chǎn)生的壓力為邊界條件（這些壓力的選取分別是在建筑表面對應(yīng)室內(nèi)表面上截取的壓力點(diǎn)對應(yīng)到研究室內(nèi)各門窗上），對室內(nèi)建筑各門窗進(jìn)行壓力邊界條件設(shè)置，根據(jù)來流風(fēng)向及壓力正負(fù)判定壓力入口（Pressure inlet）與壓力出口（Pressure outlet），具體壓力數(shù)值如表2.1、2.2、2.3。 

　　結(jié)合表2.1、2.2、2.3與圖2.2（a）、（b）可以得出，對于南向101教室窗口1、2設(shè)為壓力入口（Pressure inlet），窗口3及門1、2設(shè)為壓力出口（Pressure outlet）；對于南向105教室窗口1、2及門1設(shè)為壓力入口（Pressure inlet），窗口3、4及門2設(shè)為壓力出口（Pressure outlet）；南向108教室與101教室對稱，門1、2及窗口3設(shè)為壓力入口（Pressure inlet），窗口1、2設(shè)為壓力出口（Pressure outlet）； 

　　三、下沉式庭院室內(nèi)風(fēng)場模擬結(jié)果分析 

　　本文你應(yīng)用Fluent軟件對室內(nèi)風(fēng)場進(jìn)行模擬，利用改變下沉庭院下沉高度后通風(fēng)口處邊界條件的變化，分別對下沉式建筑物的三個(gè)房間室內(nèi)進(jìn)行模擬，并將結(jié)果進(jìn)行分析、評價(jià)，最終為工程設(shè)計(jì)初期提供相關(guān)數(shù)據(jù)。 

　　3.1下沉式庭院高度變化對建筑室內(nèi)自然通風(fēng)模擬分析 

　　3.1.1模擬工況和目的 

　　模擬分析的目的： 

　　1. 通過對不同下沉高度時(shí)建筑物三個(gè)房間室內(nèi)風(fēng)環(huán)境的模擬，分析其各工況下流場的規(guī)律，計(jì)算各個(gè)房間室內(nèi)通風(fēng)量以及換氣次數(shù)，最后綜合評價(jià)房間內(nèi)自然通風(fēng)狀況。 

　　3.1.2模擬分析 

　　1.通風(fēng)量及通風(fēng)換氣次數(shù) 

　　當(dāng)建筑物開口兩側(cè)存在壓差時(shí)，空氣就能通過開口并形成自然通風(fēng)。通過開口的空氣流量由伯努利方程導(dǎo)出[3]。其表達(dá)式為3-1式。 

　　2.建筑物通風(fēng)孔尺寸及有效面積 

　　結(jié)合實(shí)際測量，建筑物各房間門窗尺寸都相同，其中101與108教室都為3扇窗及2扇門，105教室為4扇窗及2扇門，其中窗半開的尺寸為1500mm×975mm，門半開尺寸為2100mm×665mm，模擬時(shí)認(rèn)為門窗全部開啟。表3.1是通過計(jì)算得出的各房間通風(fēng)開口情況。從表中可以看出，各個(gè)通風(fēng)房間有效通風(fēng)開口面積與地板面積比基本在5%以上。 

　　從圖中可以看出，不同下沉高度下南向101教室流場分布規(guī)律基本相同，窗口1、2處風(fēng)速較大，室內(nèi)氣流分布相對較弱，室內(nèi)整體流場分布較為均勻，通風(fēng)效果良好。風(fēng)向沿窗口1、2軸心處向教室兩邊流動，并在局部形成較明顯的渦旋區(qū)。 

　　從圖中可以看出，速度等值線間距為0.07m/s，速度較大區(qū)域均出現(xiàn)在窗口1、2 及其延伸區(qū)域，最小區(qū)域都出現(xiàn)在窗口3后面的角落，教室整體風(fēng)速都在0.3m/s左右，局部靠近窗口及門處會出現(xiàn)較大風(fēng)速。z=4m時(shí)最大風(fēng)速為1.31m/s，最低風(fēng)速為0.0656m/s，教室中心處速度為0.347m/s；z=5m時(shí)最大風(fēng)速為1.28m/s，最低風(fēng)速為0.0638m/s，教室中心處風(fēng)速為0.413m/s；z=6m時(shí)最大風(fēng)速為1.14m/s，最低風(fēng)速為0.0569m/s，教室中心處風(fēng)速為0.373m/s。對比圖a、b、c發(fā)現(xiàn)隨著庭院下沉高度的增加，教室后半部分平均風(fēng)速增加，流場更加均勻。 　　表3-2給出了南向101教室在庭院下沉高度不同時(shí)室內(nèi)通風(fēng)量及換氣次數(shù)，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，在三種不同高度下101教室通風(fēng)換氣次數(shù)均在6次/h以上，通風(fēng)換氣次數(shù)效果較好。從通風(fēng)量上對比z=5m時(shí)通風(fēng)量最大，換氣次數(shù)也較大。參考《中小學(xué)校教室換氣衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》GB/T17226-1998的規(guī)定，教室人員所需最小新風(fēng)量不得小于17 m3/（h・人）；及《中小學(xué)校設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，教室人員所需最小新風(fēng)量以換氣次數(shù)確定時(shí)不得小于4.5 h-1。南向101教室三種下沉高度下均滿足其最小新風(fēng)量。 

　　不同下沉高度下南向105教室流場分布規(guī)律基本相同，窗口1、2及門1處風(fēng)速較大，室內(nèi)氣流分布相對較強(qiáng)，風(fēng)向沿窗口1、2及門1軸心處向窗口3、4及門2處流動，在教室中間位置風(fēng)向兩邊流動，教室整體通風(fēng)效果良好。 

　　速度等值線間距為0.08m/s，速度較大區(qū)域均出現(xiàn)在窗口1、2 及門1的延伸區(qū)域，最小區(qū)域都出現(xiàn)在教室兩邊靠墻處，教室整體風(fēng)速都在0.5m/s左右，局部靠近窗口及門處會出現(xiàn)較大風(fēng)速，這主要是由于此教室位于建筑物迎風(fēng)面。z=4m時(shí)最大風(fēng)速為1.65m/s，最低風(fēng)速為0.0826m/s，教室中心處速度為0.516m/s，且在教室左側(cè)靠墻處其風(fēng)速要比其他兩種高度下要大；z=5m時(shí)最大風(fēng)速為1.66m/s，最低風(fēng)速為0.0829m/s，教室中心處風(fēng)速為0.522m/s；z=6m時(shí)最大風(fēng)速為1.80m/s，最低風(fēng)速為0.0859m/s，教室中心處風(fēng)速為0.632m/s�？梢钥闯觯瑢τ诮ㄖ�迎風(fēng)面的教室，下沉高度增大，有利于自然通風(fēng)。 

　　給出了南向105教室在庭院下沉高度不同時(shí)室內(nèi)通風(fēng)量及換氣次數(shù)，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，在三種不同高度下105教室通風(fēng)換氣次數(shù)均在6次/h以上，通風(fēng)換氣次數(shù)效果較好。從通風(fēng)量上對比z=6m時(shí)通風(fēng)量最大，換氣次數(shù)也較大，即為迎風(fēng)面對應(yīng)的教室隨著下沉庭院高度的增加室內(nèi)通風(fēng)量也在增加。且南向105教室滿足最小新風(fēng)量標(biāo)準(zhǔn)。 

　　不同下沉高度下南向108教室流場分布規(guī)律基本相同，且能形成很好的對流，窗口3及門1處風(fēng)速較大，室內(nèi)氣流分布相對較弱，風(fēng)向沿窗口3及門1軸心處向窗口1、2及門2處流動，在教室中間位置風(fēng)向兩邊流動，教室整體通風(fēng)效果良好。 

　　速度等值線間距為0.09m/s，速度較大區(qū)域均出現(xiàn)在窗口3及門1的延伸區(qū)域，最小區(qū)域都出現(xiàn)在窗口2靠墻處，教室整體風(fēng)速都在0.2m/s左右，局部靠近窗口及門處會出現(xiàn)較大風(fēng)速。z=4m時(shí)最大風(fēng)速為1.69m/s，最低風(fēng)速為0.0851m/s，教室中心處速度為0.348m/s；z=5m時(shí)最大風(fēng)速為1.70m/s，最低風(fēng)速為0.0844m/s，教室中心處風(fēng)速為0.35m/s；z=6m時(shí)最大風(fēng)速為1.74m/s，最低風(fēng)速為0.0872m/s，教室中心處風(fēng)速為0.359m/s。可以看出，隨著下沉高度的增加，迎風(fēng)面?zhèn)让娼淌沂覂?nèi)風(fēng)速呈增大趨勢。 

　　給出了南向108教室在庭院下沉高度不同時(shí)室內(nèi)通風(fēng)量及換氣次數(shù)，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，在三種不同高度下108教室通風(fēng)換氣次數(shù)均在6次/h以上，通風(fēng)換氣次數(shù)效果較好。從通風(fēng)量上對比z=6m時(shí)通風(fēng)量最大，換氣次數(shù)也較大，即為迎風(fēng)面?zhèn)让鎸��?yīng)的教室隨著下沉庭院高度的增加室內(nèi)通風(fēng)量也在增加。且南向108教室滿足最小新風(fēng)量標(biāo)準(zhǔn)。 

　　4.總結(jié) 

　　通過對南向下沉庭院中三種典型教室室內(nèi)風(fēng)場模擬，結(jié)合圖3.7 三種教室在不同下沉高度下室內(nèi)通風(fēng)換氣次數(shù)柱形圖�？梢钥闯�，帶有圍合式庭院且與來流風(fēng)成一定角度的這種建筑形式，地下空間具有良好的自然通風(fēng)潛能。南向101教室屬于迎風(fēng)面部分負(fù)壓區(qū)域，從模擬結(jié)果中看出，此區(qū)域通風(fēng)量在z=5m時(shí)最大，即通風(fēng)換氣次數(shù)最多，隨著高度的增加，室內(nèi)平均速度及通風(fēng)量都會呈減小趨勢。105教室屬于迎風(fēng)面且壓力較大區(qū)域，此區(qū)域通風(fēng)量及換氣次數(shù)都比其他兩個(gè)區(qū)域大，通風(fēng)效果最好，隨著下沉高度的增加，室內(nèi)平均風(fēng)速及通風(fēng)量都在增加，有利于自然通風(fēng)。108教室屬于側(cè)面迎風(fēng)面，此區(qū)域由于有較大的正壓，在通風(fēng)量及換氣次數(shù)上都比101教室通風(fēng)效果好，且隨著下沉高度的增加，室內(nèi)通風(fēng)效果增強(qiáng)。綜合室外風(fēng)場模擬、經(jīng)濟(jì)、施工難易程度及人對地下建筑封閉感的心理因素，對于這種圍合式，且與來流風(fēng)向成一定角度的下沉庭院建筑，下沉高度為5m時(shí)最佳。 

　　四、本文總結(jié) 

　　本章主要對下沉庭院室內(nèi)風(fēng)場進(jìn)行模擬，采用庭院室外風(fēng)場模擬中壁面壓力數(shù)值為邊界條件。通過對某典型下沉式建筑不同下沉高度下各室內(nèi)速度矢量圖、云圖分析，得出此類庭院室內(nèi)氣流組織情況，并通過計(jì)算室內(nèi)通風(fēng)量及換氣次數(shù)評價(jià)室內(nèi)自然通風(fēng)潛能，最后根據(jù)通風(fēng)量及換氣次數(shù)得出合理的下沉高度通過上述研究的內(nèi)容得出了以下結(jié)論： 

　　與來流風(fēng)成一定角度的圍合式庭院，改變其下沉庭院高度，室內(nèi)通風(fēng)效果得到一定改善。對于建筑迎風(fēng)面、側(cè)面通風(fēng)量及換氣次數(shù)都是隨著庭院高度的加大而增大（南向105、108）；迎風(fēng)面部分負(fù)壓區(qū)對應(yīng)的室內(nèi)風(fēng)環(huán)境，其中間高度下，通風(fēng)效果最佳（南向101教室為例）；綜合較多因素，當(dāng)庭院下沉高度為z=5m時(shí)為最佳下沉高度。 

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