自然通風(fēng)環(huán)境下辦公建筑中庭空間熱舒適性模糊優(yōu)化研究*

楊 瑛 蔡岳峰 黃永益 劉柱梁 徐 峰

0 引言

中庭空間是人們探索建筑空間過程中的一個創(chuàng)造性成果，不僅豐富了建筑空間，而且在人居環(huán)境的改善上起到了一定的作用。特別在辦公建筑的功能中，中庭空間不僅為建筑提供空間樞紐，而且為人們提供休憩、交往、娛樂等活動空間。隨著社會的發(fā)展及人民生活需求的不斷進(jìn)步，舒適性變得越來越重要[1]，然而中庭空間的熱舒適性與節(jié)能性通常是一對矛盾體，在雙碳目標(biāo)推行的政策下，如何通過前期的設(shè)計來更好地優(yōu)化辦公建筑中庭空間舒適性與節(jié)能性的平衡問題，成為建筑設(shè)計師們研究的一個重要方向。

自然通風(fēng)作為一項廉價而成熟的被動式節(jié)能技術(shù)措施，在建筑熱舒適性中發(fā)揮著重要的作用，也備受設(shè)計者們的青睞。以往自然通風(fēng)的研究主要是通過實(shí)驗(yàn)或者實(shí)測的方式來進(jìn)行，比如譚剛等人通過對中庭的自然通風(fēng)的實(shí)驗(yàn)研究，提出了自然通風(fēng)計算經(jīng)驗(yàn)公式，為自然通風(fēng)的研究奠定了理論基礎(chǔ)[2-3]；陳沂等人通過對城村古建民居的室外熱環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)測來研究自然通風(fēng)的效果，并為城村民居的改造提供優(yōu)化方案[4]。隨著計算流體力學(xué)（computational fluid dynamic,CFD）分析工具及技術(shù)的逐漸成熟，對于自然通風(fēng)效果的研究，計算機(jī)仿真技術(shù)比起實(shí)驗(yàn)測試的方法結(jié)果更加的直觀可視且經(jīng)濟(jì)性更高，因此，CFD技術(shù)越來越多的被研究者采用。張曾榮（Chang T.J）等人通過采用CFD數(shù)值模擬技術(shù)來研究自然通風(fēng)對室內(nèi)顆粒物的影響，并提出自然通風(fēng)對于較大的顆粒物有明顯的效果[5]；法里亞（Farea）等人利用CFD技術(shù)來研究建筑中的采光井對自然通風(fēng)的影響，提出了風(fēng)向的重要性，并為改善高層建筑自然通風(fēng)的設(shè)計提供了適當(dāng)?shù)闹笇?dǎo)[6]。

然而，針對辦公建筑中庭空間的自然通風(fēng)在項目前期設(shè)計中的研究仍然存在一定的不足。一方面，CFD模擬多用于對已有建筑方案的性能驗(yàn)證，而較少用于設(shè)計推敲；另一方面，以往自然通風(fēng)的研究主要集中在風(fēng)速單指標(biāo)上[7-8]，較少針對熱舒適性其他指標(biāo)進(jìn)行研究，而且熱舒適性關(guān)聯(lián)的指標(biāo)之間通常沒有明確的關(guān)聯(lián)性，增加了研究的難度。針對以上不足，本文以長沙江雅園辦公樓項目為例，引入模糊數(shù)學(xué)的理念，采用數(shù)值模擬的方法，嘗試從自然通風(fēng)的風(fēng)速和溫度兩方面來對熱舒適性進(jìn)行評估，提出一套針對辦公建筑中庭空間自然通風(fēng)舒適性的優(yōu)化設(shè)計方法。

1 中庭空間自然通風(fēng)舒適性研究的必要性

中庭空間位于建筑中部或者邊側(cè)，在頂部（側(cè)面）利用大面積玻璃進(jìn)行采光，高度上貫通多層的空間形式。具有利用自然采光、組織自然通風(fēng)、引入自然植被等措施從而調(diào)節(jié)建筑室內(nèi)微氣候的作用，受到越來越多的學(xué)者的重視和研究。趙巍等人通過對商業(yè)建筑中庭的聲環(huán)境和自然采光環(huán)境進(jìn)行現(xiàn)場測試和問卷調(diào)研，得出商業(yè)建筑中庭室內(nèi)聲環(huán)境與光環(huán)境的影響權(quán)重占比，為中庭微氣候調(diào)節(jié)的優(yōu)化設(shè)計提供了理論基礎(chǔ)[9]；彭小云等人在研究中指出建筑的中庭對熱環(huán)境具有調(diào)節(jié)作用，并提出了一系列措施和手段來改善中庭的熱環(huán)境[10]。

一方面，自然通風(fēng)技術(shù)具有顯著的節(jié)能效果。通常情況下，采用自然通風(fēng)的建筑比采用空調(diào)的建筑的能耗成本降低40%[11]；余元波等人通過對某辦公建筑中庭在不同開窗策略下自然通風(fēng)特性的研究，得出采用自然通風(fēng)的方式能實(shí)現(xiàn)節(jié)能率10%~25%的結(jié)論[12]。另一方面，自然通風(fēng)技術(shù)對辦公中庭空間具有提升熱舒適性的作用。徐春桃等人通過運(yùn)用實(shí)地檢測和計算機(jī)模擬等技術(shù)手段，對某辦公建筑中庭的熱舒適性進(jìn)行研究分析，得出自然通風(fēng)對于建筑中庭熱舒適性有明顯改善效果的結(jié)論[13]。

綜上所述，自然通風(fēng)在辦公建筑中庭空間具備節(jié)能和熱舒適性改善的雙重作用，因此不管是從綠色建筑的視角出發(fā)，還是從人體熱舒適性需求的角度出發(fā)，辦公建筑中庭空間的自然通風(fēng)研究都有重要的意義。

2 中庭空間自然通風(fēng)舒適性的模糊優(yōu)化

2.1 模糊數(shù)學(xué)在熱舒適性評價中的應(yīng)用

模糊數(shù)學(xué)是繼經(jīng)典數(shù)學(xué)、統(tǒng)計數(shù)學(xué)之后發(fā)展起來的一個新學(xué)科，偏重于研究和處理模糊性現(xiàn)象。程凱麗等人通過實(shí)測對比的方式驗(yàn)證了模糊數(shù)學(xué)在熱舒適判別分析中的可行性和科學(xué)性[14]；曹雙華等人應(yīng)用模糊綜合評價法建立了模擬自然風(fēng)的熱舒適模型，并通過實(shí)驗(yàn)的方式來驗(yàn)證其科學(xué)性[15]。由此可見，模糊數(shù)學(xué)為熱舒適性的研究分析提供了一種新型的科學(xué)方法。

因熱舒適性評價的關(guān)聯(lián)因素很多，并且各評價因素之間通常沒有明確的關(guān)聯(lián)性，而模糊數(shù)學(xué)正是用來解決不確定性關(guān)系的一種學(xué)科，用來評價自然通風(fēng)熱舒適性則具有優(yōu)勢。陳佳，胥仁海等人用模糊綜合評判理論與建筑風(fēng)環(huán)境的評價相結(jié)合的方法，以廠區(qū)室外風(fēng)場的舒適性作為評價對象，形成對象集A={a1，a2，......，an},其中a1，a2，......，an為各個采集點(diǎn)的風(fēng)場；評價過程中影響區(qū)域風(fēng)環(huán)境的兩個主要因素：風(fēng)速以及氣溫稱為要素集U={u1，u2}，其中u1表示風(fēng)速，u2表示氣溫；另外，風(fēng)速和溫度對于風(fēng)環(huán)境影響的程度定義為不同權(quán)重值W={w1，w2}，其中w1表示與風(fēng)速對應(yīng)的權(quán)重，w2表示與溫度對應(yīng)的權(quán)重；并設(shè)定對象集中的第i個采集對象ai對于要素集中的第j個對象uj的隸屬度為rij，其結(jié)果可以通過模糊矩陣R來表示，

根據(jù)確定的“各要素對應(yīng)的權(quán)重值”以及“各要素的指標(biāo)隸屬度”得出風(fēng)環(huán)境的評價結(jié)果用矩陣B表示，即B=RWT[16]。B值越大，證明舒適性越好。

案例表明模糊數(shù)學(xué)在風(fēng)環(huán)境熱舒適性的評價中發(fā)揮了較好的作用，也為本文的中庭自然通風(fēng)熱舒適性的評估提供了理論支撐。

2.2 基于數(shù)值模擬的自然通風(fēng)熱舒適性模糊優(yōu)化技術(shù)方法

自然通風(fēng)的熱舒適性是多種因素綜合作用的結(jié)果，就熱舒適性本身而言，它是一個精神上的、主觀的心理反映。以往人們對熱舒適性評價時，無論是采用溫度指標(biāo)、有效溫度，還是熱舒適方程、舒適圖或預(yù)測平均投票值（PMV）—預(yù)測平均不滿意率（PPD）體系，均是用傳統(tǒng)數(shù)學(xué)方法，對熱舒適性感覺各個級別間原本很模糊的邊界給了精確的界定。這樣就會出現(xiàn)用精確數(shù)學(xué)處理熱舒適性反而不精確的現(xiàn)象。本文引入模糊數(shù)學(xué)的方法，建立了一種更加科學(xué)的熱舒適評判體系。介于影響熱舒適性的因素較多，基于設(shè)計階段中庭空間內(nèi)部濕度、太陽輻射等因素在室內(nèi)變化較小，因此本文主要從風(fēng)速和溫度兩個影響較大的因素和維度來進(jìn)行熱舒適性的模糊評估。

目前應(yīng)用較廣泛的計算流體動力學(xué)軟件有Fluent, Phoenics, Vent等。本文借助Fluent 15.0軟件進(jìn)行研究分析。Fluent軟件經(jīng)過不斷的完善和發(fā)展，具有計算高效、表達(dá)直觀、建模快速等優(yōu)點(diǎn)，且經(jīng)過了大量研究和實(shí)際工程的應(yīng)用，計算結(jié)果相對可靠[17]。

本文以實(shí)際案例為例，采用計算機(jī)數(shù)值模擬仿真技術(shù)與模糊數(shù)學(xué)方法結(jié)合的方式來對辦公中庭的熱舒適性進(jìn)行評估。通過Fluent 15.0模擬軟件，結(jié)合項目的實(shí)際情況，從中庭屋頂形態(tài)、中庭空間高度、進(jìn)風(fēng)口開啟三方面的變量形成的多工況角度來分析對熱舒適性評價指標(biāo)的兩個重要因素（風(fēng)速和溫度）的影響，最終通過模糊數(shù)學(xué)的方式來選擇最優(yōu)工況，從而為方案設(shè)計的優(yōu)化提供一種技術(shù)方法。具體的技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 技術(shù)方法路線圖Fig.1 technology approach roadmap

3 江雅園辦公樓項目建筑中庭空間自然通風(fēng)熱舒適性的模糊優(yōu)化

3.1 項目概述

3.1.1 項目簡介

江雅園辦公樓項目位于湖南省長沙市洋湖濕地公園以北，東臨雅河與湘江，西面與北面為城市街道，周邊100 m范圍內(nèi)無其他大型建筑。本項目地上6層，地下2層，建筑設(shè)計高度21.25 m。本文研究對象為鑲嵌于建筑南部的核心式中庭，即建筑南側(cè)大堂聯(lián)通的1~3層中庭空間，其中首層層高5.5 m，主要為大廳及其他公共空間，二、三層層高3.15 m，中庭頂部玻璃天窗，局部可開啟（圖2），其中藍(lán)色部分為研究目標(biāo)的剖面圖。

圖2 江雅園辦公樓中庭空間示意圖Fig.2 atrium space of Jiangyayuan office building

3.1.2 氣象條件

根據(jù)所在地區(qū)的氣象資料，制作了項目所在典型氣候的風(fēng)向標(biāo)（圖3），該地區(qū)季節(jié)盛行南風(fēng)，室外平均風(fēng)速2.6 m/s。

圖3 典型氣候風(fēng)玫瑰圖Fig.3 typical climate wind-rose chart

3.2 模型建立及工況設(shè)定

首先，為了確保邊界條件的科學(xué)性，本文進(jìn)行了相應(yīng)優(yōu)化。對于中庭空間內(nèi)部自然通風(fēng)模擬的邊界條件采用室外自然通風(fēng)模擬的方式提取，而沒有直接根據(jù)氣象參數(shù)來進(jìn)行設(shè)定；其次，為了使工況更加真實(shí)和準(zhǔn)確，本文從實(shí)際項目的可變因素出發(fā)來設(shè)定多種工況。

3.2.1 室外模型的建立

3.2.1.1 室外模型建立

為了得到穩(wěn)定的建筑周邊風(fēng)速與溫度，需要充分考慮建筑外部環(huán)境的空氣流動。根據(jù)《建筑環(huán)境數(shù)值模擬技術(shù)規(guī)程》中的要求：對于研究目標(biāo)建筑物周邊100 m范圍內(nèi)無大型建筑的情況，僅需考慮本身建筑的影響，計算域不應(yīng)小于建筑本身的3倍。因此，本文采用800 m×460 m×100 m的計算區(qū)域。考慮到計算機(jī)的內(nèi)存和計算速度的限制，網(wǎng)格采用非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格局部加密處理，網(wǎng)格數(shù)約400萬。

3.2.1.2 流體參數(shù)設(shè)定

根據(jù)建筑室內(nèi)氣流流動一般屬于不可壓縮、低速湍流[18-19]，本文中研究目標(biāo)采用Fluent中不可壓縮氣體的標(biāo)準(zhǔn) k-ε湍流模型，其中C1ε、C2ε是常數(shù)，C1ε=1.44，C1ε=1.92；σk和σε是湍流數(shù)，σk=1.0，σε=1.3。

3.2.1.3 中庭自然通風(fēng)模型及邊界條件設(shè)定

根據(jù)設(shè)計圖紙進(jìn)行轉(zhuǎn)換建模，并根據(jù)項目實(shí)際情況設(shè)定四個方向進(jìn)風(fēng)口，分布定義為v0、v1、v2和v3（圖4）。

圖4 中庭空間模型示意圖Fig.4 atrium space of model diagram

入口邊界設(shè)定為速度入口：在數(shù)值模擬自然通風(fēng)的計算過程中，入口邊界條件選用velocity-inlet邊界條件。通過室外自然通風(fēng)的模擬計算來提取其他速度邊界條件（圖5），v0=1.5 m/s，v1、v2、v3=1.2 m/s。根據(jù)中國標(biāo)準(zhǔn)氣象數(shù)據(jù)（CSWD）長沙地區(qū)過渡季節(jié)（5月份）室外平均溫度為24 ℃，室外最高溫度30 ℃。考慮到最不利情況，因此進(jìn)風(fēng)溫度設(shè)定為24 ℃，室內(nèi)溫度設(shè)定為30 ℃。

圖5 室外風(fēng)環(huán)境模擬結(jié)果Fig.5 outdoor wind environment simulation results

出口邊界條件：假設(shè)流動充分發(fā)展，邊界條件為自由出口邊界；另外墻面和屋頂均設(shè)置為絕熱體，表面溫度設(shè)定與室內(nèi)溫度一致，擬定為30 ℃。

3.2.2 工況設(shè)定

眾所周知，中庭的天窗對于自然通風(fēng)具有很好的拔風(fēng)效果，對熱舒適性有提升效果，為了使中庭空間形成更好的對流效果，因此下文工況均設(shè)定天窗為開啟狀態(tài)，并根據(jù)項目的實(shí)際情況，本文僅考慮中庭屋頂形態(tài)、中庭高度及進(jìn)風(fēng)口開啟三種不同變量對中庭自然通風(fēng)熱舒適性的影響進(jìn)行研究分析。根據(jù)屋頂形態(tài)的不同，主要設(shè)定為坡屋頂（工況A1）和平屋頂（工況A2）兩種工況；根據(jù)中庭的高度不同，結(jié)合設(shè)計圖紙設(shè)定四種不同高度工況：H1=11.8m（工況B1）、H2=14.95 m（工況B2）、H3=18.1 m（工況B3）、H4=21.25 m（工況B4）。另外，根據(jù)項目實(shí)際進(jìn)風(fēng)口開啟的情況設(shè)定八種不同的通風(fēng)方式工況，具體工況設(shè)定如表1。

表1 工況設(shè)定Tab.1 working condition setting

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

由于人體主要活動區(qū)域?yàn)榫嚯x地面1.5 m左右的高度區(qū)域，因此將本文的研究對象擬定為地面1.5 m高度的風(fēng)速場和溫度場。

3.3.1 風(fēng)速模擬分析

速度云圖是基于流線上的反應(yīng)速度大小的可視圖，因此用速度云圖來反應(yīng)中庭空間內(nèi)自然通風(fēng)的氣流組織狀態(tài)更加的直觀，根據(jù)研究得出風(fēng)速在1~4 m/s之間的舒適性較好[20]。通過各工況的模擬，制作了14種工況下的1.5 m高度處的速度云圖對比（圖6）。

圖6 各個工況下速度場云圖對比Fig.6 comparison of velocity field clouds under various operating conditions

首先，兩種不同的中庭屋頂形態(tài)變化下速度云圖：一方面隨著中庭進(jìn)深的增加，風(fēng)速逐漸遞減，且中庭存在不少靜風(fēng)區(qū)；另一方面，看出斜屋頂工況下的風(fēng)速的遞減比平屋頂較慢，風(fēng)速區(qū)域較大。其次，四種不同中庭高度下速度云圖：從整體流動性來看工況B2、B3比B1、B4較好，但是效果并不明顯；從靜風(fēng)區(qū)比例來看B2工況更優(yōu)。因此可以看出中庭高度對于風(fēng)速有一定的影響，但不明顯。最后，八種不同進(jìn)風(fēng)口開啟方式下的速度云圖：從圖中可以看出，工況C2，C5，C6，C8在增加一樓側(cè)面通風(fēng)的情況下，能明顯看出自然通風(fēng)面積的增加，其中工況C8的流通死角最小，且風(fēng)速均衡性最高。因此，進(jìn)風(fēng)口開啟越多，室內(nèi)風(fēng)速的均勻性越好。

另外，針對三種因素下的風(fēng)速圖可以看出C工況下的風(fēng)速云圖比A和B工況下風(fēng)速更加均勻，證明進(jìn)風(fēng)口開啟方式對于風(fēng)速的影響比起中庭屋頂形態(tài)和中庭屋頂高度的影響更大。

3.3.2 溫度模擬分析

相關(guān)的研究表明，人體舒適度比較適宜的溫度范圍為23 ℃ ~25 ℃[15]。由模擬結(jié)果制定了14種工況下人體活動區(qū)1.5 m處的溫度云圖對比（圖7）。

圖7 各個工況下溫度場云圖對比Fig.7 comparison of velocity field clouds under various operating conditions

首先，從表中可以看出，每個工況下均有溫度集中區(qū)，且顏色較深，本區(qū)域定義為溫度死角。溫度死角是舒適性較差的區(qū)域，也是在設(shè)計時需要避免出現(xiàn)的。因此合理的設(shè)計屋頂?shù)男螒B(tài)對于溫度場有重要的作用。

其次，工況A1和工況A2為屋頂形態(tài)變化下的兩種不同的溫度云圖情況，從表中可以看出，在來流方向上，工況1的溫度流場更廣，同時溫度死角較少。因此工況A1的溫度場分布優(yōu)于工況A2。工況B1—B4為中庭高度化下的四種不同的溫度云圖情況，從表中可以看出，隨著高度的增加，溫度云圖有一定的影響，但是變化不明顯。工況C1—C8為不同的通風(fēng)方式下的速度云圖情況，從表中可以看出，隨著進(jìn)風(fēng)口開啟越多，室內(nèi)溫度云圖的舒適區(qū)域逐漸增加。由此可以看出三種不同的條件影響下，進(jìn)風(fēng)口開啟方式對于溫度場的影響更大。

3.3.3 舒適性的模糊最優(yōu)解

為了更好的評判室內(nèi)自然通風(fēng)帶來熱舒適性的效果，特提出在人體主要活動區(qū)域1.5 m處平面速度為1.0 m/s以上的面積占整個房間面積的百分比S1[21]以及1.2 m處溫度為23 ℃~25 ℃之間的面積占整個房間面積的百分比S2作為衡量自然通風(fēng)熱舒適性的判斷依據(jù)。根據(jù)以上模擬的結(jié)果得出14種工況下面積占比S1和S2的值（表2）。

表2 各個工況下評價要素占比Tab.2 percentage of evaluation elements under various operating conditions

本文采用指派方法確定隸屬函數(shù)[22]。根據(jù)“風(fēng)速面積占比”和“溫度面積占比”問題的實(shí)際情況采用梯形分布的偏大型的指派方法分別如下：

通過“風(fēng)速面積占比”“溫度面積占比”的隸屬函數(shù)即可求出相關(guān)的隸屬度，得出14個工況的模糊矩陣

在本文設(shè)定的風(fēng)速及溫度范圍內(nèi)，擬定對溫度和風(fēng)速的影響賦予均衡權(quán)重值，即W=(0.5，0.5)，得出14種工況下熱舒適性的模糊評價結(jié)果為：

通過模糊數(shù)學(xué)計算方法得知，在計算結(jié)果矩陣B中數(shù)值越大對應(yīng)的設(shè)計方案則越優(yōu)[16]，因此本文工況設(shè)定條件下C8為最優(yōu)的設(shè)計方案。另外，在能開啟兩個進(jìn)風(fēng)口的情況下，C4優(yōu)于C2和C3；在能開啟三個進(jìn)風(fēng)口的情況下，C5和C7優(yōu)于C6。

4 結(jié)論與展望

隨著辦公中庭空間設(shè)計的不斷創(chuàng)新，熱舒適性將成為設(shè)計前期工作的一項重要指標(biāo)工作。本文以實(shí)際項目為例，利用fluent數(shù)字仿真技術(shù)對中庭空間不同因素影響下的風(fēng)速和溫度場進(jìn)行模擬分析，對辦公建筑中庭自然通風(fēng)的熱舒適性進(jìn)行研究，并通過模糊數(shù)學(xué)的方法來選擇最優(yōu)工況，為建筑方案設(shè)計前期階段提供一種擇優(yōu)方法。主要得出以下結(jié)論。

第一，從中庭屋頂形態(tài)的變化可以看出，坡屋頂形態(tài)下的中庭空間自然通風(fēng)熱舒適性更好，在前期的設(shè)計階段，應(yīng)盡量采用坡屋頂?shù)闹型バ螒B(tài)；

第二，中庭的空間高度的變化對于自然通風(fēng)熱舒適性的影響較小，因此在前期的設(shè)計階段綜合考慮其他實(shí)際情況時可以適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行取舍；

第三，中庭的進(jìn)風(fēng)口開啟方式對于室內(nèi)熱舒適性的影響較大，不同進(jìn)風(fēng)口開啟方式熱舒適性的影響不同，該方法能提供不同條件方案下的擇優(yōu)選擇。

限于篇幅問題對于熱舒適性的評估，本文僅考慮到了風(fēng)速場和溫度場的模糊優(yōu)化，存在一定的局限性。但是，本文旨在提供一種科學(xué)有效的技術(shù)評估方法，此方法不僅能夠解決建筑師針對不同因素影響下進(jìn)行設(shè)計時可能遇到的技術(shù)壁壘問題，提高設(shè)計效率；而且通過本文的技術(shù)分析有助于指導(dǎo)后期建筑開窗方式來引導(dǎo)自然通風(fēng)，為建筑的運(yùn)營實(shí)效提供建議。

圖表來源：

圖1-7：作者繪制

表1-2：作者繪制