自然通風(fēng)在綠色校園設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

摘 要：為研究自然通風(fēng)在綠色校園總體規(guī)劃布局和建筑單體設(shè)計(jì)中的作用，本文利用CFD軟件對合肥地區(qū)某中學(xué)新建工程室外風(fēng)環(huán)境、教學(xué)樓室內(nèi)通風(fēng)情況進(jìn)行數(shù)值模擬分析。通過研究室外氣流流速和建筑立面開啟外窗室內(nèi)外表面的風(fēng)壓差來分析室外風(fēng)環(huán)境質(zhì)量。通過研究教學(xué)樓室內(nèi)氣流速度和空氣齡來分析其室內(nèi)各功能房間的通風(fēng)換氣情況以及整體的通風(fēng)效果。研究表明自然通風(fēng)在營造校園舒適的室外風(fēng)環(huán)境、降低熱島效應(yīng)，改善室內(nèi)空氣質(zhì)量、降低建筑能耗等方面具有明顯優(yōu)勢。本研究對后續(xù)自然通風(fēng)在綠色校園設(shè)計(jì)中的應(yīng)用有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：自然通風(fēng)；綠色校園；模擬分析

中圖分類號(hào)：TU 11" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

綠色建筑和可持續(xù)設(shè)計(jì)在全球范圍內(nèi)已成為一個(gè)重要的議題。隨著全球氣候變化和能源問題的日益嚴(yán)峻，人們越來越意識(shí)到建筑行業(yè)的巨大能耗對環(huán)境的影響，綠色校園的概念也逐漸受到教育界和社會(huì)的重視[1]。目前，隨著我國城鎮(zhèn)化步伐的不斷加快，城市高大密集且無規(guī)律分布的建筑群日益增加，大多校園建筑由多層建筑組成，當(dāng)位于高大建筑群中時(shí)，其通風(fēng)、自凈能力將不可避免受到影響。自然通風(fēng)是綠色校園設(shè)計(jì)中的重要組成部分，它通過自然氣流來營造校園舒適的室外風(fēng)環(huán)境、降低熱島效應(yīng)，調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度和提高空氣質(zhì)量，降低校園的能源消耗。在規(guī)劃設(shè)計(jì)校園建筑的過程中，需要考慮建筑間的距離和朝向。合理布局可以最大限度地利用自然氣流，在建筑間形成流通的氣流通道。同時(shí)，合理安排建筑的高度和形狀，在建筑的適當(dāng)位置設(shè)置架空層，減少阻擋風(fēng)的因素，形成通風(fēng)廊道，利于自然風(fēng)流動(dòng)，從而達(dá)到校園內(nèi)自然通風(fēng)效果，進(jìn)而改善場地內(nèi)室外風(fēng)環(huán)境，降低熱島效應(yīng)。在學(xué)校里，教室是主要學(xué)習(xí)生活場所，因此教室的外窗對其室內(nèi)自然通風(fēng)的影響是最直接的[2]。根據(jù)項(xiàng)目所在地的氣候條件，合理設(shè)置通風(fēng)口位置和開啟扇面積，引導(dǎo)室外新鮮空氣進(jìn)入教室，改善室內(nèi)空氣質(zhì)量，為學(xué)生和教職員工創(chuàng)造舒適的學(xué)習(xí)和工作環(huán)境。同時(shí)，與傳統(tǒng)機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)相比，自然通風(fēng)能顯著降低校園的能源消耗，減少碳排放，有助于應(yīng)對氣候變化。

1 研究對象

本文研究對象為某中學(xué)新建工程，位于合肥市包河區(qū)，總用地面積為32664.7㎡，總建筑面積為30811.3㎡，包括教學(xué)樓、綜合樓和風(fēng)雨操場等，地塊容積率為0.72，建筑密度為22%，綠地率為35.1%，綠色建筑設(shè)計(jì)目標(biāo)為二星級，其鳥瞰圖如圖1所示。合肥市位于夏熱冬冷地區(qū)，常年盛行風(fēng)為東北到南向風(fēng)，過渡季節(jié)主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|風(fēng)，本項(xiàng)目規(guī)劃布局時(shí)充分考慮主導(dǎo)風(fēng)向的影響，沿東西向設(shè)置多個(gè)室外活動(dòng)場地，教學(xué)樓底層局部架空，形成通風(fēng)廊道，利于自然風(fēng)的流動(dòng)，以期改善場地內(nèi)室外風(fēng)環(huán)境。其中教學(xué)樓建筑面積為12083.63㎡，采用外廊式標(biāo)準(zhǔn)教室布局，每間教室可容納50人，外窗采用推拉窗，在距地面 1.0m處設(shè)置通風(fēng)口。建筑通風(fēng)口位置和大小將顯著影響教室內(nèi)的風(fēng)速及流線分布，是保證室內(nèi)自然通風(fēng)良好的關(guān)鍵。

2 數(shù)值模擬

本文采用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）方法對合肥某中學(xué)工程室外、室內(nèi)風(fēng)環(huán)境進(jìn)行模擬分析，在室外風(fēng)環(huán)境方面，使用CFD軟件可以模擬和預(yù)測不同風(fēng)速、風(fēng)向、條件下的風(fēng)場情況[3]，這對建筑布局和風(fēng)環(huán)境影響評價(jià)具有重要意義。在室內(nèi)風(fēng)環(huán)境方面，CFD軟件可以模擬室內(nèi)各位置的風(fēng)速分布情況，幫助評估通風(fēng)的效果以及室內(nèi)不同區(qū)域的空氣流動(dòng)情況，指導(dǎo)建筑布局和空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。本文模擬分析采用VENT軟件，VENT軟件設(shè)計(jì)基于CFD軟件群的思想，從用戶需求角度出發(fā)，針對各種復(fù)雜流動(dòng)的物理現(xiàn)象，VENT軟件采用不同的離散格式和數(shù)值方法，以期在特定的領(lǐng)域內(nèi)使計(jì)算速度、穩(wěn)定性和精度等方面達(dá)到最佳組合，從而高效率地解決各領(lǐng)域的復(fù)雜流動(dòng)計(jì)算問題。

2.1 物理模型及邊界條件

根據(jù)合肥市某中學(xué)工程與周邊建筑的關(guān)系及其建筑布局、建筑單體底層架空情況對整體進(jìn)行建模，建立室外風(fēng)環(huán)境計(jì)算模型，進(jìn)行室外風(fēng)環(huán)境模擬。將室外風(fēng)環(huán)境模擬結(jié)果中的單體各外窗風(fēng)壓值作為室內(nèi)風(fēng)環(huán)境模擬的入口邊界條件，用于室內(nèi)自然通風(fēng)模擬。充分考慮教學(xué)樓的內(nèi)部布局情況，同時(shí)對樓梯間、公共衛(wèi)生間等公共部位進(jìn)行填充，建立室內(nèi)風(fēng)環(huán)境計(jì)算模型，進(jìn)行室內(nèi)風(fēng)環(huán)境模擬。在室內(nèi)風(fēng)環(huán)境數(shù)值模擬計(jì)算的過程中，室外氣流通過窗戶進(jìn)入室內(nèi)，可以較為準(zhǔn)確地模擬實(shí)際建筑自然通風(fēng)時(shí)的進(jìn)出口狀況。通過將室外風(fēng)環(huán)境模擬與室內(nèi)自然通風(fēng)模擬聯(lián)動(dòng)，可以更好地理解和分析建筑物內(nèi)外的空氣流動(dòng)和熱傳遞過程，并更好地評估自然通風(fēng)策略的效果，這有助于設(shè)計(jì)和優(yōu)化建筑內(nèi)外的通風(fēng)性能，提高室內(nèi)空氣質(zhì)量和舒適性。

室外風(fēng)環(huán)境模擬的入口邊界條件采用速度入口邊界條件，出口邊界條件定為自由出流，其他邊界條件均定義為無滑移的壁面條件。室內(nèi)風(fēng)環(huán)境模擬采用室外風(fēng)環(huán)境模擬結(jié)果中各外窗上的風(fēng)壓作為入口邊界條件，其他邊界條件與室外風(fēng)環(huán)境模擬一致。采用標(biāo)準(zhǔn)的K～ε湍流模型進(jìn)行模擬[4]。

2.2 模擬參數(shù)

校園建筑主要使用時(shí)間集中在每年的春、秋兩季，同時(shí)考慮外窗集中開啟時(shí)間也集中在過渡季節(jié)，因此本項(xiàng)目選擇過渡季節(jié)為模擬工況。合肥市位于夏熱冬冷地區(qū)，季風(fēng)明顯、四季分明、氣候溫和、雨量適中，過渡季節(jié)室外風(fēng)頻東風(fēng)向較高，具體參數(shù)詳見表1[5]。

3 結(jié)果分析

本文以合肥地區(qū)某中學(xué)為例，采用模擬分析的方法研究過渡季主導(dǎo)風(fēng)向下校園室外風(fēng)環(huán)境情況及室內(nèi)自然通風(fēng)情況。距地面1.5m是考慮人在室外活動(dòng)站立狀態(tài)下對應(yīng)的呼吸高度，本文選擇室外1.5m高度處的氣流流速和建筑立面開啟外窗室內(nèi)外表面的風(fēng)壓差兩個(gè)指標(biāo)，分析校園室外風(fēng)環(huán)境質(zhì)量[6]。距地面1.2m是考慮人在室內(nèi)靜坐狀態(tài)下所對應(yīng)的呼吸高度，本文選取室內(nèi)1.2m高度處的氣流速度和空氣齡兩個(gè)指標(biāo)，分析在風(fēng)壓作用下，外廊式教室室內(nèi)各功能房間的通風(fēng)換氣情況以及整體的通風(fēng)效果[7]。

3.1 合肥地區(qū)某中學(xué)室外風(fēng)環(huán)境分析

圖2為過渡季E風(fēng)向條件下合肥地區(qū)某中學(xué)室外1.5m高度處風(fēng)速矢量圖，項(xiàng)目通過合理的建筑布局和建筑局部底層架空設(shè)計(jì)，有效引導(dǎo)風(fēng)向，使建筑周邊人員活動(dòng)區(qū)域氣流分布均勻，基本沒有出現(xiàn)無風(fēng)區(qū)、渦流區(qū)，建筑周邊區(qū)域的風(fēng)速基本在0.17m/s～1.75m/s，符合行人舒適要求，同時(shí)有利于緩解熱島效應(yīng)和污染物消散。圖3為過渡季E風(fēng)向條件下合肥地區(qū)某中學(xué)建筑立面風(fēng)壓圖，建筑立面前后壓差基本在1.32Pa～3.91Pa，風(fēng)壓分布均勻，若可開啟外窗內(nèi)表面的風(fēng)壓為0Pa，則可開啟外窗室內(nèi)外表面的風(fēng)壓差都＞0.5Pa，能使建筑室內(nèi)獲得良好的自然通風(fēng)和換氣效果。

3.2 合肥地區(qū)某中學(xué)室內(nèi)自然通風(fēng)分析

圖4為過渡季E風(fēng)向條件下合肥地區(qū)某中學(xué)教學(xué)樓室內(nèi)1.2m高度處風(fēng)速云圖，風(fēng)速云圖可展示氣流組織的走向和流場中的風(fēng)速分布情況，從圖中可以看出室外新鮮空氣通過教室設(shè)置在外廊側(cè)的外窗進(jìn)入教室，風(fēng)速＞1m/s的高速區(qū)大多分布在教室外走廊的近窗處，教室內(nèi)的學(xué)生座位區(qū)和講臺(tái)區(qū)域風(fēng)速多為0.2m/s～1m/s的舒適區(qū)。圖5為過渡季E風(fēng)向條件下合肥地區(qū)某中學(xué)教學(xué)樓室內(nèi)1.2m高度處空氣齡云圖，從圖中可以看出，教室內(nèi)部空氣齡分布均勻，平均空氣齡約為650s，平均自然通風(fēng)換氣次數(shù)≥2次/h的面積比例為80%。教室內(nèi)氣流風(fēng)速適宜，換氣次數(shù)滿足要求，能夠營造舒適的室內(nèi)環(huán)境，以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和學(xué)習(xí)效率，創(chuàng)造積極的學(xué)習(xí)氛圍。

4 結(jié)語

本文對過渡季主導(dǎo)風(fēng)向下合肥地區(qū)某中學(xué)室外風(fēng)環(huán)境和室內(nèi)自然通風(fēng)情況進(jìn)行數(shù)值模擬，探究了自然通風(fēng)對綠色校園設(shè)計(jì)作出的貢獻(xiàn)。通過模擬分析，得出以下結(jié)論。1）自然通風(fēng)作為綠色校園設(shè)計(jì)中的重要策略，在改善室外風(fēng)環(huán)境、降低熱島效應(yīng)、提高室內(nèi)空氣質(zhì)量、降低建筑能耗和促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)效果方面具有明顯優(yōu)勢。2）通過合理的建筑布局和通風(fēng)口設(shè)置，結(jié)合被動(dòng)設(shè)計(jì)策略，自然通風(fēng)能夠?yàn)榫G色校園的可持續(xù)發(fā)展提供有力支持。3）自然通風(fēng)的應(yīng)用面臨一些挑戰(zhàn)，需要綜合考慮各種因素，采取有效措施。未來，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和經(jīng)驗(yàn)積累，自然通風(fēng)在綠色校園設(shè)計(jì)中將發(fā)揮越來越重要的作用。

參考文獻(xiàn)

[1]韋峰，趙一帆.基于自然通風(fēng)的中小學(xué)教室室內(nèi)熱環(huán)境優(yōu)化研究——以沈丘東城實(shí)驗(yàn)學(xué)校項(xiàng)目為例[J].建筑與文化，2023，229（4）：14-16.

[2]李璐，陳昌勇.中小學(xué)校園建筑的室內(nèi)自然通風(fēng)模擬與優(yōu)化策略研究——以廣東地區(qū)為例[J].建筑節(jié)能，2020，48（8）：1-9，17.

[3]陳國棟.夏熱冬冷地區(qū)內(nèi)廊式教學(xué)樓自然通風(fēng)技術(shù)策略研究[D].合肥：安徽建筑大學(xué)，2020.

[4]陶文銓.數(shù)值傳熱學(xué)[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，2003.

[5]徐俊，穆正勇，殷子文，等.基于CFD的某高層建筑室內(nèi)自然通風(fēng)的數(shù)值模擬[J].黑龍江科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2022，32（4）：459-463.

[6]潘仁穎.合肥某辦公建筑自然通風(fēng)設(shè)計(jì)優(yōu)化策略探討[J]安徽建筑，2023，30（7）：23-24，48.

[7]陳敏，余貞貞，周傳輝．湖北農(nóng)村自然通風(fēng)住宅熱舒適調(diào)查研究[J]．制冷與空調(diào)（四川），2020，34（5）：571-576.