基于自然通風模擬的建筑入口門斗長寬比研究
——以杭州地區過渡季節為例

文／馮維佳 浙江大學建筑工程學院 碩士研究生

楊 毅 浙江大學建筑設計研究院有限公司 院 長 博士生導師（通訊作者）

陳錦韜 浙江大學建筑工程學院 碩士研究生

邢浩威 浙江大學建筑設計研究院有限公司 博士后

引言

2020年9月，習近平總書記在第七十五屆聯合國大會上提出，中國的二氧化碳排放量力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和[1]。建筑部門是能源消費的三大領域（工業、交通、建筑）之一，造成了大量直接和間接的碳排放量。在當前“雙碳”目標背景下，建筑行業具有極大的減碳潛力。

自然通風主要是指利用自然手段（熱壓、風壓等）來促進室內空氣流動而進行的通風換氣方式，是當今生態建筑采用的主要通風方式[2]。研究發現，利用自然通風來節省建筑能耗，降低建筑碳排放量是一種切實可行的方式，自然通風的優勢不僅在于它的節能，如果設計得當，它還可以提升室內環境的舒適性及空氣品質[3]。

目前已有大量學者研究寒冷地區門斗及入口空間對室內環境的影響。如王太洋等[4]對東北嚴寒地區商業建筑入口前庭形態進行模擬研究，得出增加前庭平面外側面寬，減少內側面寬可一定程度控制冷風滲透問題的結論；安法潤等[5]通過流體力學軟件及多區域網絡模型軟件耦合計算，研究了有無陽臺情況下冬季濟南某高校宿舍室內通風情況，結果表明有陽臺時平均通風量比無陽臺時低22.48m3/h，且有陽臺時東北和西南側宿舍通風量最大。

但當前缺少夏熱冬冷地區建筑門斗及入口空間對室內風環境影響的研究。為提高夏季和冬季建筑的能源利用效率，杭州地區建筑入口處常常設有門斗結構，然而在過渡季節門斗可能會給室內自然通風帶來一定的影響。為提高門斗在春秋過渡季節的適應能力，本文基于綠色建筑理念，利用PHOENICS軟件進行模擬分析,對某建筑大廳門斗的自然通風情況進行了定量分析，為該建筑實現良好的自然通風效果奠定了基礎，同時也為類似建筑大廳的自然通風優化設計提供了思路和參考。

1 研究方法

1.1 研究對象及邊界條件

本研究以杭州地區2005年5月1日的天氣狀況為環境條件，擬以一個設有門斗的長寬高為40×20×5m的大廳作為研究對象，以門斗的長寬比作為自變量，即依次將門斗的寬度調整為0m（即無門斗）、2m、2.67m、4m、8m（長寬比分別為0，4 : 1，3 : 1，2 : 1，1 : 1），其他條件均保持不變，進行五次模擬。探究在給定環境條件背景下，門斗對大廳風環境、壓力場產生的影響以及其長寬比對室內風環境產生的不同效果。

1.2 研究內容

基于PHOENICS軟件對上節所述5種不同的門斗的門廳內部空氣流場進行模擬，對比分析三種不同情況下大廳內氣流與溫度分布特點，并判斷門斗空間長寬比對大廳內風環境有何影響，得出最佳的門斗長寬比。

1.3 模型及參數設置

基于PHOENICS中計算域的設計原則，計算域設定為620×440×55m，分別對應坐標系X、Y、Z軸。計算域左側為進風口，右側為出風口（圖1）。考慮模型的可行性與可操作性，將現實中的建筑簡化為下圖物理模型（圖2）。在大廳北面設有5×2.5m的出風口。門斗保持長度（L）以及高度（H））尺寸不變（8×3.5m），以保證垂直風向面積相等為28m2，門廳寬度分別采取0m、2m、2.67m、4m、8m進行對比。

圖1 計算域大小及相對位置（圖片來源：作者自繪）

圖2 大廳出入風口示意圖（圖片來源：作者自繪）

1.3.1 網格劃分

本次研究中劃分工具采用PHOENICS自帶網格工具進行網格劃分，整體以均勻網格為基礎，X軸、Y軸方向于大廳內部適當加密。本例共劃分網格111×120×35個，共462000個。

1.3.2 邊界條件

風場入口為計算域左側，以2005年5月1日14:00時的環境狀況設定，風速為4m/s，溫度為25.6℃。

1.3.3 計算曲線

PHOENICS數值模擬代數方程的終止標準按連續性方程與動量方程殘差為10-2，本次模擬迭代次數設定為1000次。

2 模擬結果與分析

根據模擬結果（圖3），發現不同門斗的門廳內部風速變化主要集中于出入風口之間，故將測點集中分布，為5×5m網格（圖4）。

圖3 1.5m高度處X-Y軸截面風速場模擬結果圖（圖片來源：作者自繪）

圖4 測點分布示意圖（圖片來源：作者自繪）

對比建筑大廳無門斗與設有門斗（表1）的模擬情況，可以發現在過渡季節，設有門斗后大廳內人體活動高度（1.5m處）風環境的平均風速下降約0.43m/s，且室內最高風速也有所下降（表2）；在不同門斗長寬比情況下，當門斗長寬比為4 : 1時，室內測點平均風速以及中位數最大，且通風量最優；當門斗長寬比為2 : 1時，室內通風量最差且平均風速不佳（圖5）。

表1 有無門斗室內平均風速對比（表格來源：作者自繪）

表2 不同長寬比門斗的室內風環境對比情況（表格來源：作者自繪）

圖5 不同長寬比門斗的室內風環境情況折線圖（圖片來源：作者自繪）

結語

（1）在杭州地區過渡季節，建筑大廳設有不同長寬比門斗后對廳內風環境產生不同程度的改變，因此在對入口采取門斗結構的建筑，應考慮其對室內風環境造成的影響。

（2）模擬結果表明，在四種不同長寬比門斗方案中，當門斗長寬比為2 : 1時，廳內通風量最差且平均風速不佳，不適宜用于杭州地區過渡季節建筑室內通風。

（3）綜合門廳內部風環境情況，在所選定的四種不同長寬比的門斗方案中，位于杭州地區的案例建筑當門斗寬比為4 : 1時，過渡季節室內自然通風效果最佳。