上海地區某文化建筑中庭自然通風優化分析

李晨玉 王健 朱換換 謝孟曉

1 同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司2 同濟大學機械與能源工程學院

1 項目概況

某文化建筑位于上海市，建筑平面呈規則的六邊形，邊長約70 m，其東側為一六邊形美術館。總建筑面積為35284 m2，建筑高度23.6 m，地上三層，每層各有一層夾層。一層主要功能房間為展廳和門廳，二層為展廳，三層為展廳、辦公和庫房，夾層為設備用房。建筑中心為一平面截面為正三角形的中庭，邊長約72.8 m，貫通1～3 層。

2 評價標準

綜合考慮建筑中庭內的風速及空氣齡，對中庭自然通風效果進行合理判斷及評價。

1）風速標準：《建筑通風效果測試與評價標準》JGJ309T-2013 中第3.2.6 條的第2 點規定：“自然通風室內人員活動區空氣流速應在0.3 m/s～0.8 m/s 之間。”[1]

2）空氣齡標準：目前的標準、規定并沒有對室內空氣齡作出明確的要求，經查找相關文獻，將健康的空氣齡標準定為500 s[2]。

自然通風時室溫較高，過小的風速對散熱不利，舒適度降低，而風速過大會影響人體舒適性，因此自然通風的風速不宜過小也不宜過大。空氣齡是房間內某點空氣在房間內已經滯留的時間，反映了室內空氣的新鮮程度，是評價室內空氣品質的重要指標。

3 技術路線

3.1 模擬軟件

由 CD-adapco公司開發的CFD軟件STAR-CCM+，其具有：強大的網格處理能力、先進的物理模型、多面體網格劃分功能、穩健可信賴、多種文件格式兼容等特點，早期發源于航空航天領域的需求，現已進入到流體流動有重要作用的所有領域，包括建筑行業。

STAR-CCM+提供了多種湍流模型，在保證滿足計算精度的前提下選用SST k-o 湍流模型，這種模型在近壁面采用的是k-o 模型，在遠離壁面的地方采用的是k-e 模型。采用Boussinesq 渦粘假設，其微分方程詳見文獻[3]。其他條件設置為三維穩態理想氣體，湍流流動，采用分離流求解器。

3.2 幾何模型

依據建筑總平面圖考慮周圍建筑的影響，按照不影響室外風場為原則進行幾何模型簡化。本項目遠離市區，建筑周邊除有一棟與本文化建筑一同設計的美術館外，幾乎無其他建筑。該文化建筑一層門廳面積891.2 m2，中庭2080.7 m2，在博物館的北側、西南側和東南側有共享空間可以直接通到室外。根據《建筑環境數值模擬技術規程》DB31/T922-2015 中的要求建立室內外物理模型（圖1）并確定計算域范圍[4]。

圖1 某文化建筑與周邊建筑模型

3.3 氣象參數

該文化建筑位于上海市，對《中國建筑熱環境分析專用氣象數據集》[5]中上海市典型氣象年過渡季節的參數進行分析，得到上海地區過渡季節10 m 高空的主導風向為NNE，風頻為11.5%，主導風向上的平均風速為4.05m/s。

3.4 邊界條件

1）氣流進口使用速度邊界，速度值則可根據式（1）確定：

式中：z1=10 m；u (z1)=z1高度上的平均風速，4.05 m/s；a為地面粗糙度，本項目位于上海市徐匯區，地面粗糙度按C 類地區取值：0.22[6]。

2）流出口采用壓力邊界。

3）上空面和兩側面則為自由滑移表面（slip wall）邊界。

4 模擬方案及結果分析

4.1 原方案

4.1.1 原方案模擬結果

The first time I met Zhu Bing Ren was during an exhibition of his works in Beijing. I was a little confused by the variety of works he showed.

建筑中庭內，一至三層距地面（樓板）1.5 m 高度處的風場和空氣齡分布如圖2～4 所示。從圖2～4 風速矢量圖可以看出，一層：中庭進風口處風速最大，最大風速為3.44 m/s，而在建筑中心遮擋物后及南部門廳區風速較小。中庭中心遮擋物后的空氣齡較大，為687.5 s；南部門廳區的空氣齡也很大，最大空氣齡為1500 s。二層：中庭進風口處風速最大，最大風速為3.28 m/s，其他區域風速分布較均勻。中庭內最大空氣齡為718.8 s，出現在中庭中心處。三層：中庭進風口處風速最大，最大風速為2.99 m/s，而在中庭西部區域風速較小。中庭內西部區域空氣齡較大，最大空氣齡為875.0 s。

圖2 一層距地面1.5m 高度處的風場和空氣齡分布圖

圖3 二層距地面1.5 m 高度處的風場和空氣齡分布圖

圖4 三層距地面1.5 m 高度處的風場和空氣齡分布圖

圖5 為建筑中庭沿風速方向的中心剖面上的風速矢量圖和空氣齡云圖。從圖5 可以看出，氣流在進入中庭后與中庭內空氣不斷混合，氣流組織較為復雜。三層北部存在一個范圍很大的流動渦旋，此處空氣齡較大，最大空氣齡為937.5 s。

圖5 建筑中心剖面的風場和空氣齡分布圖

4.1.2 原方案達標比例

將以上原方案的模擬結果，按照滿足風速指標和空氣齡指標的達標面積比例匯總到表1 中。

表1 原方案中庭自然通風模擬結果匯總

某文化建筑中庭一層自然通風效果最好，風速在0.3～0.8 m/s 范圍內的面積占中庭總面積的71.8%，空氣齡在500 s 以下的面積占中庭總面積的77.1%，舒適性和空氣品質都較好。中庭內隨高度增加，二層、三層自然通風效果很差，二層、三層中庭內有觀光樓梯屬于人員活動區，南部門廳的舒適性和空氣質量都較差，自然通風均需要進一步優化。

4.2 優化方案

4.2.1 優化方案設計

優化方案如表2 所示。

表2 某文化建筑中庭自然通風優化方案

三種方案的平面形狀和中庭尺寸取值都保持不變，方案1 將圍護結構開口尺寸增大一倍，即通風開口面積占地比增大為7.8%，開口高度保持不變。方案2圍護結構開口尺寸不變，開口高度增高為3.0m，即將通風口改為高窗，窗臺高為3.0 m。方案3 將圍護結構開口尺寸增大一倍，并將通風口改為高窗，即通風開口面積占地比增大為7.8%，窗臺高改為3.0 m。

4.2.2 優化方案模擬結果分析

將三種優化方案進行自然通風的數值模擬，并將模擬結果的風速和空氣齡綜合達標面積比例與原始方案對比，如表3 所示。

表3 某文化建筑中庭自然通風與三種優化方案模擬結果匯總

方案1 建筑中庭自然通風優化效果顯著，綜合達標比例一層比原方案提高12.2%，二、三層分別提高39.3%和45.8%。中庭內最大風速大于3.44 m/s，吹風感較強烈。最大空氣齡大于468.8 s，空氣新鮮，門廳區域的最大空氣齡為984.4s，空氣質量有很大改善。方案2 建筑中庭自然通風優化效果明顯不如方案1，綜合達標比例一層甚至比原方案降低了17.0%，而二、三層分別提高6.0%和8.2%。中庭內最大風速在0.72～0.84 m/s 內，吹風感大大改善，符合人體舒適度。最大空氣齡大于875.0s，門廳區域的最大空氣齡為1937.5 s，空氣質量較原方案差。方案3 建筑中庭自然通風優化效果二、三層較明顯，綜合達標比例比原方案分別提高26.5%和51.7%，一層僅比原方案提高1.4%。中庭內最大風速在0.84～1.31 m/s 內，吹風感有所改善，比較符合人體舒適度。最大空氣齡大于625.0 s，空氣較原方案新鮮，門廳區域的最大空氣齡為1625.0 s，空氣質量較差。

總體來看，方案1 的綜合達標比例提高的最多，中庭自然通風優化效果最好，但風速較大，吹風感強烈，舒適性較差。方案2 的二、三層綜合達標比例提高5%以上，中庭自然通風優化效果不理想，但中庭內風速較低，人體舒適性較好，而空氣齡較大，空氣新鮮程度較差。方案3 的一層綜合達標比例幾乎無變化，二、三層綜合達標比例明顯提高，中庭自然通風優化效果顯著。中庭內風速較低，最大風速在1.5 m/s 以下，改善了原方案的吹風感，且中庭內最大空氣齡較原方案有所降低，但門廳內空氣質量依然較差。

三種方案對中庭一層的自然通風優化效果都不理想，方案2 甚至出現了明顯降低的現象。這可能是由于該文化建筑一層中庭中心位置有一梯形房間，且距離進風口較遠且面積很大，阻礙了氣流流動，室外新鮮空氣很難到達門廳區，在其背風面形成了大面積的靜風區（＜0.3 m/s）。

縱向來看，除方案3 的三層外，三種方案都表現出了隨高度增加綜合達標比例逐漸降低的特點。

橫向來看，方案1 比原方案提高的綜合達標比例是方案2 的2～6 倍，說明圍護結構開口大小因素的影響力度遠大于開口高度因素。而方案3 雖綜合了方案1 和方案2 的優點，除門廳區域外對改善原方案的中庭自然通風和室內舒適性效果較好，但結果卻并不是二者的簡單線性疊加。

5 結語

隨著當前經濟、科技、文化的發展，人們對于富有良好文化性建筑的需求越來越強烈，大型文化建筑是城市的標志，近年來建設數量不斷上漲。針對上海市某擬建文化建筑，運用CFD 軟件分析該建筑中庭自然通風效果，并設計三種優化方案進行分析評價，構建更加良好舒適的室內環境，并得到以下結論：

當建筑中庭自然通風效果較差時，可通過優化圍護結構開口大小、開口高度等設計參數來改善室內環境。圍護結構開口大小因素的影響力度遠大于開口高度因素，綜合優化兩種因素后的中庭自然通風結果結合了兩者的優點，自然通風和室內舒適性較好，但并不是二者的簡單線性疊加，兩種因素的疊加效應原理有待進一步分析研究。