某商業綜合體中庭自然通風性能分析

李永飛

卓展工程顧問（北京）有限公司上海分公司

隨著2019 年9 月1 日《近零能耗建筑技術標準》的實施，我國開始由推動綠色建筑建設向推動可再生建筑應用方向邁進，進而引導建筑逐步實現近零能耗[1]。然而當前國內空調、通風及供熱能耗占社會總能耗的18.9%左右，如何降低建筑中空調能耗是當前節能減排所面臨的重要課題[2-3]。相關研究表明自然通風可以有效降低室內溫濕度，并且在成都地區其自然通風潛力巨大[4]。故而本文通過對開啟與關閉中庭天窗對比分析，得出中庭區域的溫度、風速、空氣齡等參數的變化，來衡量本項目中庭區域自然通風的可行性，以實現建筑節能，進而實現可持續性發展的目的。

1 項目概況

本項目位于四川省成都市龍泉驛區，驛都大道以南；天鵝西湖南路以東；金楓路以西，占地51822 m2。集商業、超市、影院為一體的大型綜合體。其中商業建筑面積約13.6 萬m2，地上四層及地下二層為商業，地下三層為車庫。商業中庭面積約3000 m2。

2 自然通風可行性分析

自然通風是以風壓或熱壓為動力，不消耗人工能源，經濟且綠色的通風方式，來使空氣流動，有效擴散室內的熱量，改善空氣品質的通風方式，其易受室外氣象條件的影響，尤其是風力的影響很不穩定，所以需要首先探討自然通風的可行性，才能進一步的利用自然通風[5]。

2.1 時間上的可行性

根據有關研究，自然通風可用小時數主要為在工作時間室外干球溫度在大于16 ℃，不高于26 ℃的小時數[6]。成都地區在自然通風逐月可應用小時數詳見圖1。

圖1 成都自然通風逐月可應用小時數

從圖1 中可以得出以下幾點：

1）全年在營業時間段內可以采用自然通風的時間占全年比例為25.01%，占工作時間段比例達39.8%。

2）5 月，6 月以及8 月至10 月可自然通風應用的時間比例較高，其綜合占比為70.76%，其中10 月份占比最高，為412 個小時，占10 月份營業時間的91.56%。

由上可知，對于成都地區的建筑而言，在過渡季節自然通風可利用的小時數占過渡季節的70.76%，尤其是十月份，91.56%的營業時間均可利用自然通風，所以應優先采用自然通風，特別是中庭、大堂等高大空間區域，通過開窗等實現一定的自然通風。對于本項目，過渡季節通過開啟天窗利用風壓及熱壓作用進行“免費供冷”在時間上是可行的，利用室外新風進行“免費供冷”。

2.2 溫度上的可行性

根據氣象數據分析，成都地區合理利用自然通風被動式設計可以將舒適時段提高2 倍以上，自然通風潛力較大。從焓濕圖（圖2）可知，適合自然通風的室外溫度理論上可達到17.5～28.1 ℃左右。但本項目中庭區域為高大空間，由于熱壓作用，在垂直溫度分層現象的影響下，過高的室外溫度可能導致上層區域的溫度偏高，但由分析可知，過渡季節室外溫度在16～26 ℃的時間，綜合占比70.76%，所以其在溫度適合進行自然通風。

圖2 自然通風在設計在焓濕圖上的熱舒適度表現

2.3 風速上的可行性

從圖3 可以看出主要風向：N（14%）NNE（13.9%）NE（10.0%）。由圖4 可知風速：近50%時段風速低于1 m/s，80%時段風速不高于2 m/s。室外風速較小，室內通風驅動力不足。成都地區過渡季室外低風速概率較高，導致室外風壓通風能力欠佳。商業中庭的自然通風設計應以熱壓通風為主，同時盡量避免風壓對熱壓通風的負面影響。風壓可能增大室內熱空氣排出到室外的阻力。

圖3 商場過渡季營業時段風玫瑰圖

圖4 商場風速分布圖

3 物理模型的建立

3.1 物理模型及簡化假設

根據建筑溝通，本商業建筑可開口區域詳見圖5標注，據此利用CFD 軟件建立模型，并做如下假定：

1）室內氣流視為低速且不可壓縮并且符合Boussinesq 假設，即考慮浮升力產生影響；

2）流動為穩態湍流；

3）忽略四周墻壁及室內物體的輻射熱。

圖5 通風開口示意圖

3.2 邊界條件

1）室外計算溫度：18 ℃（過渡季營業時段平均的溫度）；

2）室外無風（極端工況）；

3）中庭步行區人員密度：6 m2/人（由設計確認）；

4）照明設備負荷：25 W/m2（由設計確認）。

4 模擬結果與評估

依據相同的邊界條件，通過在開啟或關閉中庭天窗的情況下，模擬分析得出了其室內的溫度、風速、空氣齡。

4.1 空氣質量的評估

空氣齡是反映了房間內某點處空氣已經滯留的時間，是室內空氣品質的體現，更是評價室內空氣品質的重要指標[5]。圖6 是天窗開啟條件下的空氣齡分布圖，從圖中可以看出，在天窗開啟的條件下，在風壓和熱壓共同作用下，產生的抽力對下部空間影響更大，其空氣齡最短，頂層的空氣齡相對于2 層而言成倍增加。

圖6 天窗開啟條件下的空氣齡分布圖（1.1m 高處）

由表1 可知，對于遠離建筑開口的低層區域以及排風層（2F，3F，4F），空氣齡均超800 s，4F 空氣齡最大。在關閉天窗時，空氣齡最短時間是420 s，為B1 層，空氣齡最長時間是1754 s，為4F 層。開啟天窗時，由于風壓與熱壓的共同作用，對于B1 層的作用更明顯，其空氣齡最短為376 s。雖然只比關閉天窗時的時間降低了11.7%，但是4F 層的空氣齡卻比關閉天窗時降低了37.2%，并且各層空氣齡時間平均降低達20.3%。從而可知，開啟天窗對于改善室內空氣品質有顯著作用。

表1 開啟與關閉天窗時各層空氣齡的平均值

由于商業中庭屬于高大空間，連接室外的通風口數量有限，復雜的內部空間使遠離通風口和中庭高區的空氣滯留時間較長。就目前中庭空氣齡分布來看，自然通風時2F-4F 層仍建議開啟新風機，風量按人員最低新風量需求設定。

4.2 舒適性能力評估

由表2 可知，雖然開啟與關閉天窗時，各層的平均風速均在舒適性溫度0.2～0.5 ℃的范圍內[7]，但是關閉天窗時4F 層的平均溫度比開啟天窗時升高了6.3 ℃，達到了29.9 ℃。開啟天窗時，各層平均溫度在19.8～23.6 ℃，溫感舒適，且平均溫度比開啟天窗時降低了9.7%。綜合圖7 中庭人員活動區風速分布，中庭人員活動區各層風速主要處于0.1～0.5 m/s 范圍，面積占比80%，風感較舒適。高風速主要出現在各出入口處，作為快速通過區，可以接受。對于引入室外空氣的低區樓層，在遠離入口的區域溫度較高，與入口溫差達到5 ℃左右，但足夠的步行距離可以緩解溫差帶來的不適。從表3 可知，由于垂直溫度分層的影響，4F 與室外溫差達到5.6 ℃。高層區域沒有室外空氣引入，雖然溫度較高，但同層溫差較小，行人不會有明顯不適。B2 由于只有一個外門與室外聯通，導致水平溫差和室內外溫差都處于較高水平，自然通風效果欠佳。

表2 天窗開啟及關閉時各層的平均風速與溫度

圖7 中庭人員活動區風速分布

表3 天窗開啟時各層的風速與溫度分布

4.3 自然通風能力評估

由表4 可知，B2 至1F 的外門主要引入室外空氣，2F 處于整個中庭熱壓中和面，室內外氣流交換較少，熱空氣主要由3F、4F 和天窗排出到室外，其中70%的熱空氣由天窗排出。天窗開啟時，自然通風總換氣次數2.8，達到綠色建筑評價標準要求的不小于2 次/h自然通風要求。

當天窗關閉后，中庭自然通風換氣次數僅1.7 次/h，通風換氣量降低40%，性能下降明顯。由于換氣不足，中庭室內溫度明顯升高，特別是4F 已無法滿足熱舒適度要求。由此可見，如果中庭需要設計自然通風，天窗應提供足夠多的散熱空間。

表4 天窗開啟及關閉時各通風口的通風量統計

5 結論

本工程通過CFD 仿真模擬技術，測得了開啟及關閉天窗時各開口的通風量、室內的平均風速、溫度、空氣齡等各項重要參數，為本項目打造一個可持續發展的“綠色生態建筑”。經分析對比主要得出如下結論及建議：

1）考慮到室內外溫差，為保證中庭整體自然通風舒適度，建議室外溫度在17～23 ℃左右進行自然通風。按商場營業時段的日平均溫度統計，過渡季有89 天滿足這一溫度范圍，過渡季49%的時間可以進行全天自然通風。

2）天窗是中庭主要的自然通風散熱通道（目前方案中庭70%的熱量由天窗排出），相比與通過3F 和4F外門散熱，增大天窗通風面積帶來的收益更大。建議在目前方案基礎上進一步增大由天窗通向屋頂的通道面積。

3）B2 層建議增加一個通向室外的門，與原有的外門隔開一定距離，可提高B2 室內溫度均勻性和空氣新鮮度。

4）開窗自然通風時，需隨時監測室外空氣質量，當室外空氣質量不達標時，需采取相應的空氣處理措施，以確保自然通風同時又能保證室內空氣品質。