吳 楨，楊一振，曹 兵

(安徽工程大學(xué)建筑工程學(xué)院，安徽蕪湖241000)

人口危機(jī)和城市化的需求促使城市發(fā)展空間由地上向地下延伸，城市地下空間的開發(fā)利用成為全球性趨勢，住宅建筑中的地下空間也得到廣泛應(yīng)用。地下空間具有熱穩(wěn)定性和高防護(hù)性特點(diǎn)，但封閉性導(dǎo)致的通風(fēng)不暢一直是地下空間發(fā)展的難題。為改善地下空間的通風(fēng)環(huán)境，多采用機(jī)械通風(fēng)的方式，但機(jī)械通風(fēng)完全依賴于設(shè)備運(yùn)行，對電源設(shè)備依賴性強(qiáng)且增加建筑能耗，《綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50378—2019)指出，自然通風(fēng)符合建筑綠色化生態(tài)化的概念，是一種既健康又環(huán)保的技術(shù)措施。

自然通風(fēng)依靠室外風(fēng)力造成的風(fēng)壓和室內(nèi)外空氣溫差造成的熱壓，促使空氣流動，使建筑室內(nèi)外空氣交換。國內(nèi)外學(xué)者就如何加強(qiáng)地下空間的自然通風(fēng)進(jìn)行了大量研究，賈萌通過對淺埋地下車站公共區(qū)自然通風(fēng)的模擬得出，在過渡季節(jié)利用熱壓進(jìn)行自然通風(fēng)可排除室內(nèi)余熱；葉艷對某地下車庫工程進(jìn)行自然通風(fēng)設(shè)計，通過數(shù)值模擬研究過渡季地下車庫的氣流分布、空氣齡和CO濃度分布等；Alkaff等認(rèn)為下沉式中庭是地下空間布置的重要形式之一，可利用熱壓通風(fēng)提高地下空間的舒適性。對于自然通風(fēng)，主要研究方法有風(fēng)洞試驗、現(xiàn)場實測和計算流體力學(xué)(computational fluid dynamics，CFD)。隨著湍流物理模型的發(fā)展和計算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，CFD的計算精度越來越高，已成為當(dāng)前研究自然通風(fēng)常用的方法。錢偉等對皖南傳統(tǒng)民居天井的尺寸和形狀進(jìn)行CFD模擬，得到了最利于采光通風(fēng)的天井尺寸；吳州琴等對徽州傳統(tǒng)民居的自然通風(fēng)進(jìn)行數(shù)值模擬，就如何加強(qiáng)室內(nèi)自然通風(fēng)給出了建議。夏俊等模擬研究了建筑朝向?qū)κ覂?nèi)自然通風(fēng)的影響，認(rèn)為合理的建筑朝向設(shè)計可保證建筑室內(nèi)環(huán)境舒適度。對自然通風(fēng)效果的評價是指導(dǎo)建筑自然通風(fēng)優(yōu)化設(shè)計的關(guān)鍵，現(xiàn)行相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中的評價指標(biāo)有換氣次數(shù)和通風(fēng)面積窗地比(通風(fēng)開口面積與地板面積的比例)。李先庭等用示蹤氣體和數(shù)值模擬等方法研究了通風(fēng)房間的空氣齡，提出空氣齡是評價室內(nèi)空氣品質(zhì)的一個重要指標(biāo)。黃河認(rèn)為自然通風(fēng)評價指標(biāo)過于單一，提出綜合建筑能耗的自然通風(fēng)效果的評價方法。基于簡單明了原則，利用CFD軟件對某別墅地下室在不同建筑構(gòu)造下風(fēng)速、換氣次數(shù)、空氣齡和風(fēng)場不均勻系數(shù)進(jìn)行模擬分析，探討自然通風(fēng)優(yōu)選方案，以期對居住建筑地下空間的自然通風(fēng)建筑設(shè)計有一定指導(dǎo)。

1 模型的建立

1.1 物理條件

根據(jù)《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》(GB50736—2012)，蕪湖地理位置為北緯31°33′，東經(jīng)118°38′；夏季通風(fēng)室外計算溫度31.7 ℃，夏季室外平均風(fēng)速為2.3 m/s，夏季最多風(fēng)向為南向；按所在的經(jīng)緯度查得，7—9 月的日均輻射量分別為18.91，14.69，16.31 MJ/m。

1.2 模擬工況

研究對象為蕪湖市某別墅地下室，三維模型如圖1。別墅地下室面積104.97 m，層高4.2 m，為框架結(jié)構(gòu)，可改造性強(qiáng)。在綜合考慮居住建筑實用性和美觀性的基礎(chǔ)上，根據(jù)《綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50378—2019)中通風(fēng)評價指標(biāo)窗地比，對地下室設(shè)置7種建筑構(gòu)造模擬工況：1種基準(zhǔn)工況(工況0)和6種優(yōu)化工況。7種工況具體布置和尺寸如圖2。

圖1 別墅地下室三維模型Fig.1 3D model of villa basement

圖2 地下室7種建筑構(gòu)造工況平面圖(標(biāo)高單位：m；其他單位：mm)Fig.2 Plan of seven kinds of architectural constructions of basement(elevation unit:m;the other unit:mm)

1.3 數(shù)學(xué)模型及計算假設(shè)

標(biāo)準(zhǔn)κ-ε 模型是一種實際工程應(yīng)用廣泛的物理模型，其計算速度和計算精度能滿足工程應(yīng)用要求。文中采用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε 模型進(jìn)行模擬計算，其包括湍動能κ 方程和耗散率ε 方程。

湍動能κ 方程

耗散率ε 方程

模擬計算中假定空氣為不可壓縮的牛頓流體且滿足Boussinesq假設(shè)，空氣流動為湍流流動，不考慮太陽能煙囪壁面的蓄熱。

1.4 數(shù)值風(fēng)洞及邊界條件

為更接近實際地研究室外風(fēng)對地下室風(fēng)場的影響，采取數(shù)值風(fēng)洞為外流域。對于數(shù)值風(fēng)洞，在計算機(jī)上進(jìn)行風(fēng)洞試驗。模擬別墅尺寸為14 700 mm×14 600 mm×9 900 mm(總長L ×總寬B ×總高H )，設(shè)置數(shù)值風(fēng)洞尺寸為153 200 mm×93 900 mm×49 500 mm。為保證最大阻塞率小于3%，設(shè)置別墅側(cè)面和頂面距離各流域邊界的距離為5H；為保證湍流充分發(fā)展，設(shè)置別墅背風(fēng)壁面與計算域出口的距離為10H。數(shù)值風(fēng)洞平面尺寸如圖3。風(fēng)洞網(wǎng)格采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，為兼顧模擬精度和計算速度，模型的網(wǎng)格數(shù)在150萬左右。設(shè)置風(fēng)洞南面為風(fēng)速入口、北面為自由出口，建筑墻體為絕熱邊界條件和固體壁面無滑移條件，工況6中的太陽能煙囪集熱壁面采用常熱流邊界條件。各工況模型的網(wǎng)格劃分如圖4。

圖3 數(shù)值風(fēng)洞平面圖(單位：mm)Fig.3 Plan of the numerical wind tunnel(unit:mm)

圖4 地下室7種建筑構(gòu)造模型的網(wǎng)格劃分Fig.4 Grid division of seven kinds of architectural construction models in basement

2 模擬結(jié)果及分析

2.1 風(fēng)速

風(fēng)速是自然通風(fēng)效果最直接的評價指標(biāo)，《建筑通風(fēng)效果測試與評價標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T 309—2013)要求人體活動區(qū)空氣流速在0.3～0.8 m/s之間。文中選取各工況下地下室整體平均風(fēng)速和人體活動高度1.5 m處風(fēng)速進(jìn)行分析。圖5為各工況下地下室高度1.5 m(即相對標(biāo)高-2.7 m)處的風(fēng)速云圖。從圖5可看出風(fēng)速大小和風(fēng)速分布的基本情況。為定量分析各工況具體的通風(fēng)效果，導(dǎo)出地下室范圍內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的風(fēng)速和高度1.5 m(即相對標(biāo)高-2.7 m)處截面各節(jié)點(diǎn)風(fēng)速，得到地下室整體的平均風(fēng)速和高度1.5 m(即相對標(biāo)高-2.7 m)處截面平均風(fēng)速，結(jié)果如圖6。

由圖5，6可看出：6種優(yōu)化工況均能改善地下室通風(fēng)，風(fēng)速均有不同程度的提高；工況0的通風(fēng)效果差，風(fēng)速接近于0；各優(yōu)化工況對整體平均風(fēng)速和高度1.5 m(即相對標(biāo)高-2.7 m)處截面的平均風(fēng)速作用效果一致，排序為工況3＞工況4＞工況5＞工況6＞工況2＞工況1，說明窗地比越大，平均風(fēng)速越大；窗地比相同時，窗戶位置不同，風(fēng)速亦有差別，工況1和工況2窗地比均為1.7%，但工況2由于開窗面位于迎風(fēng)面，風(fēng)速較工況1有所提高，工況3、工況4與工況5的窗地比均為4.6%，但工況5部分窗戶位于背風(fēng)面，迎風(fēng)面窗戶面積變小，引入氣流變少，室內(nèi)整體風(fēng)速變小，工況4由于設(shè)置的是高窗，對高窗以下空間的氣流增強(qiáng)作用變小，其平均風(fēng)速較工況3有所降低；工況6的風(fēng)速較工況0有較可觀的提高，表明太陽能煙囪對室內(nèi)自然通風(fēng)有較好的改善作用；7種工況中僅工況3滿足《建筑通風(fēng)效果測試與評價標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ T309—2013)對自然通風(fēng)時風(fēng)速的要求。

圖5 7種建筑構(gòu)造地下室高度1.5 m處的風(fēng)速云圖Fig.5 Contour map of wind speed at 1.5 m height of basement of seven architectural constructions

圖6 7種建筑構(gòu)造地下室整體平均風(fēng)速和高度1.5 m處平均風(fēng)速Fig.6 Overall average wind speed of the basement and average wind speed at the height of 1.5 m in seven architectural constructions

2.2 換氣次數(shù)

換氣次數(shù)是定量分析室內(nèi)自然通風(fēng)的一個指標(biāo)，其計算公式如下：

式中：n 為換氣次數(shù)；L 為風(fēng)口進(jìn)風(fēng)量；V 為房間體積；S 為風(fēng)口通風(fēng)面積；v 為進(jìn)風(fēng)口平均風(fēng)速。

該別墅地下室面積為104.97 m，按入住人數(shù)6人計算，人均居住面積約17 m，按照《建筑通風(fēng)效果測試與評價標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ T309—2013)要求，每小時換氣次數(shù)應(yīng)＞0.6。文中模擬計算各種工況下地下室的換氣次數(shù)，結(jié)果如圖7。

圖7 7種工況下的換氣次數(shù)Fig.7 Air change rate under seven working conditions

由圖7 可見：各工況換氣次數(shù)排序為工況3＞工況4＞工況5＞工況6＞工況2＞工況1＞工況0；對于基準(zhǔn)工況0，雖考慮了樓梯間以及背風(fēng)面的門窗洞口，但室內(nèi)的換氣次數(shù)僅為0.4次/h，不符合《建筑通風(fēng)效果測試與評價標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T309—2013)關(guān)于住宅建筑換氣次數(shù)的要求；6 種優(yōu)化工況下?lián)Q氣次數(shù)均有提高，且均滿足《建筑通風(fēng)效果測試與評價標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T309—2013)對換氣次數(shù)的要求，工況1與工況2的窗洞比均為1.7%，但工況2位于迎風(fēng)面，換氣次數(shù)較背風(fēng)面同尺寸天井稍多；工況3、工況4和工況5的窗地比均為4.6%，但工況4設(shè)置的是高窗，工況5部分洞口開設(shè)在背風(fēng)面，換氣次數(shù)均不及工況3；工況6利用熱壓通風(fēng)的原理增設(shè)太陽能煙囪，等效窗地比為2.8%，能有效增加地下室的換氣次數(shù)，但太陽能煙囪改善自然通風(fēng)的影響因素多，有待進(jìn)一步研究。

2.3 空氣齡

空氣齡是評價室內(nèi)空氣品質(zhì)的重要指標(biāo)?？諝恺g越小，通風(fēng)效果越好；空氣齡越大，通風(fēng)效果越差。文中利用自編的UDF文件導(dǎo)入Fluent，得到7種工況下地下室高度1.5 m(即相對標(biāo)高-2.7 m)處的空氣齡及地下室的平均空氣齡，結(jié)果如圖8，9。

圖8 7種建筑構(gòu)造地下室高度1.5 m處空氣齡云圖Fig.8 Contour map of air age at basement height of 1.5 m for 7 architectural constructions

圖9 7種工況下地下室的平均空氣齡Fig.9 Average air age of the basement under seven working conditions

由圖8，9 可看出：各工況地下室的空氣齡排序為工況3＜工況4＜工況5＜工況6＜工況2＜工況1＜工況0，說明通風(fēng)效果工況3＞工況4＞工況5＞工況6＞工況2＞工況1＞工況0；各工況下空氣齡與地下室整體平均風(fēng)速以及換氣次數(shù)反映的通風(fēng)效果是一致的?，F(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)尚未對空氣齡定義評分值，但在建筑方案優(yōu)選時，可將空氣齡作為輔助指標(biāo)進(jìn)行方案優(yōu)選。

2.4 不均勻系數(shù)

由于空氣湍流的特點(diǎn)，室內(nèi)各處風(fēng)速均有差異，較好的均勻度能保證不出現(xiàn)通風(fēng)死角，提高居住的舒適度?！督ㄖL(fēng)效果測試與評價標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T309—2013)中要求人流活動區(qū)氣流組織應(yīng)分布均勻，但未設(shè)置評價標(biāo)準(zhǔn)值。文中借鑒統(tǒng)計學(xué)中均方差的概念引入不均勻系數(shù)計算室內(nèi)風(fēng)場的不均勻度，用不均勻系數(shù)定量評價室內(nèi)的自然通風(fēng)效果，定義不均勻系數(shù)為風(fēng)速均方差和平均風(fēng)速比值。平均風(fēng)速越小，數(shù)據(jù)越離散，則不均勻系數(shù)越大，通風(fēng)效果越差；平均風(fēng)速越大，數(shù)據(jù)越集中，則不均勻系數(shù)越小，通風(fēng)效果越好。其相關(guān)公式如下：

式中：v(i=1，2，3，…，n)為Fluent軟件導(dǎo)出的地下室室內(nèi)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的風(fēng)速；νˉ為平均風(fēng)速；σ 為均方差；μ′為不均勻系數(shù)。由式(5)～(7)計算出各工況地下室風(fēng)速場的不均勻系數(shù)，結(jié)果如圖10。

圖10 7種工況下的均方差和不均勻系數(shù)Fig.10 Mean square deviation and non-uniformity coefficient under seven working conditions

由圖10(a)可知：各工況室內(nèi)風(fēng)場的均勻程度排序為工況0＞工況1＞工況2＞工況6＞工況5＞工況4＞工況3，這是由于工況0，1，2開窗小，室內(nèi)不能形成良好的風(fēng)速流場，整個地下室的風(fēng)速均較小，均方差?。粚︼L(fēng)速有顯著增強(qiáng)的為工況3，4，5，6，工況6的風(fēng)場最均勻，其次為工況5和工況4，工況3較差。若引入不均勻系數(shù)，即將風(fēng)速大小和風(fēng)場均勻程度綜合考慮，由圖10(b)可知：工況4的通風(fēng)效果最好，這是因為工況4有足夠大的窗地比，且窗口分布最為均勻；工況5次之，這是因為工況5的窗口南北面對稱分布，能形成穿堂風(fēng)，風(fēng)場均勻，且風(fēng)速較可；工況3風(fēng)速最大，但風(fēng)場均勻度較差，故其不均勻系數(shù)最大?？梢?，在建筑方案優(yōu)選時引入不均勻系數(shù)能較好評價自然通風(fēng)效果，當(dāng)風(fēng)速相差不多時，應(yīng)優(yōu)先選擇不均勻系數(shù)較小的方案。

3 結(jié)論

以蕪湖地區(qū)某別墅為例，改變其地下空間的建筑構(gòu)造，利用計算流體力學(xué)的Fluent軟件，模擬分析不同建筑構(gòu)造下的風(fēng)速、換氣次數(shù)、空氣齡以及不均勻系數(shù)，探討地下室自然通風(fēng)的優(yōu)選方案，所得主要結(jié)論如下：

1)別墅地下室體積小，僅靠樓梯間處洞口通風(fēng)不能滿足《建筑通風(fēng)效果測試與評價標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T309—2013)關(guān)于換氣次數(shù)的要求，需進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

2)不均勻系數(shù)能對室內(nèi)風(fēng)場的均勻程度進(jìn)行量化評價，應(yīng)作為方案優(yōu)選的補(bǔ)充評價指標(biāo)，選擇不均勻系數(shù)較小的建筑方案。

3)窗地比越大，自然通風(fēng)效果越好，但窗地比的評價精度不夠，相同窗地比不同建筑構(gòu)造時，室內(nèi)風(fēng)場有較大差別。在建筑方案優(yōu)選時應(yīng)在選擇盡可能大的窗地比基礎(chǔ)上，綜合考慮風(fēng)速、換氣次數(shù)、空氣齡以及不均勻系數(shù)等評價指標(biāo)，選擇自然通風(fēng)最優(yōu)建筑方案。

4)設(shè)置天井、半地下室和太陽能煙囪均能改善地下室的自然通風(fēng)。其中設(shè)置迎風(fēng)面(南面)大天井時空氣齡小、換氣次數(shù)多且風(fēng)場分布比較均勻，此為自然通風(fēng)優(yōu)化方案，將迎風(fēng)面(南面)大天井設(shè)計為具有空間層次感的下沉式庭院。

5)《建筑通風(fēng)效果測試與評價標(biāo)準(zhǔn)》中對自然通風(fēng)風(fēng)速的要求為0.3～0.8 m/s，下限值對地下空間的自然通風(fēng)評價稍顯嚴(yán)苛，建議根據(jù)地下空間的特殊性對地下空間自然通風(fēng)的風(fēng)速和換氣次數(shù)進(jìn)行專門要求。