綠色建筑自然通風設計研究
——以陜西體育館建筑中心為例

呂 越 葛 娟

(紹興文理學院 土木工程學院，浙江 紹興 312000)

0 引言

體育館的結構特點受自身的建筑性質決定而較為特殊，由于其自身的建筑體型體量和建筑內部的整體空間比較大，且每一項體育比賽對于體育館這類建筑而言有著特定的室內環境使用要求，因此，在使用體育館的過程中為了滿足每個運動員以及觀眾對于室內光線、熱舒適度及環境濕度等各項參數的要求[1]，會產生不同種類的能源消耗(空調照明).如何在保證室內環境滿足舒適性的前提下，充分采用被動優先、主動優化的綠色設計[2-6]并采用體感溫度的概念，對陜西體育館建筑進行模擬分析，旨在營造一個擁有健康舒適的室內環境的綠色體育建筑.

1 綠色節能設計

1.1 建筑概況

陜西省體育館位于西安市南門外廣場東南角，建筑面積為16 000多平方米.基礎采用預制樁基， 樁斷面為350×350 mm，樁長有13.5 m及9 m兩種.承重結構采用全框架式，八角形柱兩部分44根柱子為預制框架.體育館采用屋面與立面一體化設計，并配備可滑動式開敞關閉陜西體育館建筑屋頂，由于設計條件的限制，館內張弦梁結構與導光管結合引進自然采光及通風這種被動的技術.

1.2 熱舒適程度指數與體感溫度

熱舒適程度指數是指溫度較高并且相對濕度增加，人體自身所真實體會到的溫度偏大[3].體感溫度因為濕度和太陽輻射等影響往往與實際氣溫存在差值[4-5].按照大氣邊界層理論，通風和空氣質量有著正相關性，而且空氣對熱的吸收會受到一些要素的直接影響，例如相對濕度及密度，而人體能夠接觸的空氣的成分(如可吸入顆粒物)與含量又受風速的影響.表1表示各個溫度與修正關系及相關性.

表1 各個溫度與修正關系及相關性的對應關系

溫度T1T2T3T4T5修正體感氣溫輻射濕度風速相關性++++-

人體能夠接觸的空氣的成分與含量的多少與風速成正比，這就是理論上定義的“風寒指數”[6-7].表2表示溫度與相對濕度的聯系.

表2 溫度與平均相對濕度的對應關系

相對濕度/%1009080706050403020105溫度/℃65432101234

2 舒適性分析

若某建筑的室內環境為封閉的狀態，此時室內空氣環境會較差，處于室內環境的人體會感覺到不同程度的不適.因此要稀釋空氣污染物，保持室內空氣潔凈，最常規的方法就是保持自然通風[9].自然通風方面的建筑設計內容直接關系著人體的新城代謝變化而最終影響人體的舒適性，因為人體對溫度的感覺有著最大程度的關系，所以運動人體在體育館內分別位于運動狀態和靜止狀態時，人體的熱舒適性其實是有著本質差別的.

同時，運動人體在運動時速度的大小直接產生著不同的作用，最主要的作用表現在空氣在熱環境中的流動能夠加速空氣的流通，同時能夠為建筑室內的人體不斷提供相對來說比較新鮮的空氣，達到冷卻空氣的效果，較快的空氣流通速度會加快人體的相對流通和蒸發散熱，使人體達到熱舒適[10-12].體感溫度與人體的感覺之間也有一定的對應關系，如表3所示.

表3 體感溫度及相應人體感覺的對應關系

T /℃人體感受生理應激水平<4很冷極端冷?4～<9冷強烈冷?9～<13涼中等冷?13～<18微涼輕微冷?18～<23舒適無熱?23～<29溫暖輕微熱?29～<35暖中等熱?35～<41熱強烈熱>41很熱極端熱

3 開敞關閉陜西體育館建筑屋頂體育館的節能特征

對于建筑物的氣流交換等內容而言，通風與空氣質量密切聯系，氣流組織設計分為側送風、上下送風及綜合運用.本文通過對陜西體育館屋頂開啟與關閉的數值模擬分析，對其不同狀態下的速度，熱舒適性方面進行分析與對比.

3.1 夏季初始條件

本次研究的室內的負荷主要來源于照明負荷(體育館內為分區動靜控制，通過光效調節照度來控制人工照明)，由于體育館特殊的建筑性質，其外窗和幕墻玻璃選用可見光透比高的材料.與此同時，本次研究擬定每個燈管就是一個熱源，由于體育館室內的熱源熱交換涉及到兩個過程，第一個過程為通過熱源向室內空氣的輻射熱交換，第二個過程為建筑的室內空氣對流交換.默認風向為南向，室外溫度、風速、太陽輻射強度、室內溫度及壁面溫度、相對濕度等相關的參數是由當地氣象數據的資料提供.

3.2 模型建立

綜合考慮建筑的朝向方位以及門窗開啟的程度，并結合之前的研究模擬實驗結果，本次研究利用CFD和airpak，設定為陜西體育館的屋頂在開啟和關閉狀態下的送風通道都為南北立面上的這些通風窗(窗戶按照實際構建和配件的尺寸來計算)，部分為穿堂風.為了達到良好的模擬效果，假定廢氣從排氣煙囪排出，同時，負壓時可以排出部分空氣并且設定空氣的熱物狀態是相同的.為了縮短此次模擬實驗所用的時間，當陜西體育館建筑屋頂開啟時，假定為玻璃建筑材料部分不起圍護的作用，因此無需賦予材質.

4 結果分析

4.1 熱舒適度評分分析

表3為體感溫度及相應人體感覺的對應關系，可以看出當溫度在4 ℃以下時，人體對外界的環境感受為很冷，此時對應的生理應激水平程度為極端冷，即頂級的狀態，最不理想的狀態之一，人體無舒適度可言；當溫度在4 ℃～9 ℃時，人體對外界的環境感受為冷，此時對應的生理應激水平程度為強烈冷，稍緩一度；當溫度在9 ℃～13 ℃時，人體對外界的環境感受為涼，此時對應的生理應激水平程度為中等冷，又緩一度；當溫度在13 ℃～18 ℃時，人體對外界的環境感受為輕微涼，此時對應的生理應激水平程度為輕微冷，再緩一度；當溫度在18 ℃～23 ℃時，人體對外界的環境感受為舒適，即最佳的人體感受程度之一，此時對應的生理應激水平程度為無熱，即最佳的人體生理應激水平；當溫度在23 ℃～29 ℃時，人體對外界的環境感受為溫暖，即最佳的人體感受程度之一，此時對應的生理應激水平程度為輕微熱，即好的人體生理應激水平；當溫度在29 ℃～35 ℃時，人體對外界的環境感受為暖，即最佳的人體感受程度之一，此時對應的生理應激水平程度為中等熱，即較好的人體生理應激水平；當溫度在35 ℃～41 ℃時，人體對外界的環境感受為熱， 此時對應的生理應激水平程度為強烈熱，此時已不在最佳狀態范圍內； 當溫度大于41 ℃時，人體對外界的環境感受為很熱，此時對應的生理應激水平程度為極端熱，最不理想的狀態，人體無舒適度可言.

本研究中，PMV指標(-0.5～+0.5)則是當忽略不計人體外部做功消耗的熱量時的相應實驗數據得的，本次研究的PMV指標前提條件是衣服熱阻比較小的同時人體不處于運動狀態.換句話說，除本次研究以外的PMV(衣服熱阻大的同時人體處于運動狀態)值不在此次模擬范圍內，因此本文選擇體感溫度作為主要的評價標準，同時PMV作為輔助衡量標準.

多項數據綜合比較而言，風速和溫度這兩個變化元素在陜西體育館屋頂開啟和關閉的狀態都有不同程度的感應，并最終影響著熱舒適度.具體表現為：最大風速和最小風速相差值為6倍，最高溫度和最低溫度相差值為10%.表4 PMV與熱感覺對應的變化關系，可以看出當PMV為3，對應的熱感覺為熱；當PMV為2，對應的熱感覺為暖；當PMV為1，對應的熱感覺為微暖；當PMV為0，對應的熱感覺為適中，即最佳的人體感受程度，人體舒適度為最佳；當PMV為-1，對應的熱感覺為微涼；當PMV為-2，對應的熱感覺為涼；當PMV為-3，對應的熱感覺為冷，最不理想的狀態，人體無舒適度可言.

表4 PMV與熱感覺對應的變化關系

熱感覺熱暖微暖適中微涼涼冷PMV值3210-1-2-3

當陜西體育館建筑屋頂關閉時，體感溫度增加了8.19%，室內PMV值在0.063到0.250之間(微暖)，人體感覺熱舒適度為可接受的狀態；陜西體育館建筑屋頂開啟時，風速風量溫度濕度等參數條件得到了優化，模擬得出的體感溫度為23.87 ℃，人體感覺熱舒適度為最優，如圖1所示的數據.

圖1 PMV與PPD的關系

4.2 速度分析

陜西體育館建筑屋頂關閉時，在進風口與出風口還見設置了熱交換器，這樣的情況下側邊的窗戶對流使得體育館室內風速小于1.5 m/s，陜西體育館建筑屋頂打開時，整個體育館成為半室外開放空間， 風速為1.5～2.8 m/s. 可知陜西體育館建筑屋頂開啟和關閉時，對室內風速的影響有顯著的相關性.同時，通過模擬和計算可知， 該建筑室內一年四季的平均風速為0.2 m/s左右，這就說明該建筑滿足體育館這類建筑性質對于比賽的使用要求.建立X=120，Y=1，Z=170在a、b、c、d不同位置的流速(參見圖2和圖3).可以看到，體育館內的流線隨著屋頂的關閉而變得平穩、隨屋頂的開啟而變化，a、b、c、d共4條曲線所對應的風速值相比于原來的曲線都有所增加提高， 但加大通風量與增加風速的同時， 可以防止風對建筑的室內環境形成滯留效應，同時對人體的最佳舒適度并無破壞.

圖2 X=120-150,Y=1,Z=170流速表(陜西體育館建筑屋頂關閉時)

圖3 X=120-150,Y=1,Z=170流速表(陜西體育館建筑屋頂打開時)

可知體育館內的流線隨著屋頂的關閉而變得平穩、隨屋頂的開啟而變化.通風量與風速增加的同時，對人體的最佳舒適度并無破壞的影響.

5 結論

本研究通過將溫度、人體感受及生理應激水平分為9個種類，分析了體感溫度及相應人體感覺的對應關系，并通過將PMV與熱感覺分為7種程度，分析了PMV與熱感覺對應的變化關系，得到如下一些結論：

(1)風速和溫度這兩個變化元素在陜西體育館屋頂開啟和關閉的狀態都有不同程度的感應，最終影響著熱舒適度，最大風速和最小風速相差值為6倍，最高溫度和最低溫度相差值為10%.

(2)陜西體育館屋頂開啟和關閉的狀態對應的體感溫度都有不同程度的感應，體育館內的流線隨著屋頂的關閉而變得平穩、隨屋頂的開啟而變化，且通風量與風速增加的同時，對人體的最佳舒適度并無破壞的影響.