绿色建筑自然通风设计研究——以陕西体育馆建筑中心为例

吕 越 葛 娟

(绍兴文理学院 土木工程学院，浙江 绍兴 312000)

0 引言

体育馆的结构特点受自身的建筑性质决定而较为特殊，由于其自身的建筑体型体量和建筑内部的整体空间比较大，且每一项体育比赛对于体育馆这类建筑而言有着特定的室内环境使用要求，因此，在使用体育馆的过程中为了满足每个运动员以及观众对于室内光线、热舒适度及环境湿度等各项参数的要求[1]，会产生不同种类的能源消耗(空调照明).如何在保证室内环境满足舒适性的前提下，充分采用被动优先、主动优化的绿色设计[2-6]并采用体感温度的概念，对陕西体育馆建筑进行模拟分析，旨在营造一个拥有健康舒适的室内环境的绿色体育建筑.

1 绿色节能设计

1.1 建筑概况

陕西省体育馆位于西安市南门外广场东南角，建筑面积为16 000多平方米.基础采用预制桩基， 桩断面为350×350 mm，桩长有13.5 m及9 m两种.承重结构采用全框架式，八角形柱两部分44根柱子为预制框架.体育馆采用屋面与立面一体化设计，并配备可滑动式开敞关闭陕西体育馆建筑屋顶，由于设计条件的限制，馆内张弦梁结构与导光管结合引进自然采光及通风这种被动的技术.

1.2 热舒适程度指数与体感温度

热舒适程度指数是指温度较高并且相对湿度增加，人体自身所真实体会到的温度偏大[3].体感温度因为湿度和太阳辐射等影响往往与实际气温存在差值[4-5].按照大气边界层理论，通风和空气质量有着正相关性，而且空气对热的吸收会受到一些要素的直接影响，例如相对湿度及密度，而人体能够接触的空气的成分(如可吸入颗粒物)与含量又受风速的影响.表1表示各个温度与修正关系及相关性.

表1 各个温度与修正关系及相关性的对应关系

温度T1T2T3T4T5修正体感气温辐射湿度风速相关性++++-

人体能够接触的空气的成分与含量的多少与风速成正比，这就是理论上定义的“风寒指数”[6-7].表2表示温度与相对湿度的联系.

表2 温度与平均相对湿度的对应关系

相对湿度/%1009080706050403020105温度/℃65432101234

2 舒适性分析

若某建筑的室内环境为封闭的状态，此时室内空气环境会较差，处于室内环境的人体会感觉到不同程度的不适.因此要稀释空气污染物，保持室内空气洁净，最常规的方法就是保持自然通风[9].自然通风方面的建筑设计内容直接关系着人体的新城代谢变化而最终影响人体的舒适性，因为人体对温度的感觉有着最大程度的关系，所以运动人体在体育馆内分别位于运动状态和静止状态时，人体的热舒适性其实是有着本质差别的.

同时，运动人体在运动时速度的大小直接产生着不同的作用，最主要的作用表现在空气在热环境中的流动能够加速空气的流通，同时能够为建筑室内的人体不断提供相对来说比较新鲜的空气，达到冷却空气的效果，较快的空气流通速度会加快人体的相对流通和蒸发散热，使人体达到热舒适[10-12].体感温度与人体的感觉之间也有一定的对应关系，如表3所示.

表3 体感温度及相应人体感觉的对应关系

T /℃人体感受生理应激水平<4很冷极端冷⩾4～<9冷强烈冷⩾9～<13凉中等冷⩾13～<18微凉轻微冷⩾18～<23舒适无热⩾23～<29温暖轻微热⩾29～<35暖中等热⩾35～<41热强烈热>41很热极端热

3 开敞关闭陕西体育馆建筑屋顶体育馆的节能特征

对于建筑物的气流交换等内容而言，通风与空气质量密切联系，气流组织设计分为侧送风、上下送风及综合运用.本文通过对陕西体育馆屋顶开启与关闭的数值模拟分析，对其不同状态下的速度，热舒适性方面进行分析与对比.

3.1 夏季初始条件

本次研究的室内的负荷主要来源于照明负荷(体育馆内为分区动静控制，通过光效调节照度来控制人工照明)，由于体育馆特殊的建筑性质，其外窗和幕墙玻璃选用可见光透比高的材料.与此同时，本次研究拟定每个灯管就是一个热源，由于体育馆室内的热源热交换涉及到两个过程，第一个过程为通过热源向室内空气的辐射热交换，第二个过程为建筑的室内空气对流交换.默认风向为南向，室外温度、风速、太阳辐射强度、室内温度及壁面温度、相对湿度等相关的参数是由当地气象数据的资料提供.

3.2 模型建立

综合考虑建筑的朝向方位以及门窗开启的程度，并结合之前的研究模拟实验结果，本次研究利用CFD和airpak，设定为陕西体育馆的屋顶在开启和关闭状态下的送风通道都为南北立面上的这些通风窗(窗户按照实际构建和配件的尺寸来计算)，部分为穿堂风.为了达到良好的模拟效果，假定废气从排气烟囱排出，同时，负压时可以排出部分空气并且设定空气的热物状态是相同的.为了缩短此次模拟实验所用的时间，当陕西体育馆建筑屋顶开启时，假定为玻璃建筑材料部分不起围护的作用，因此无需赋予材质.

4 结果分析

4.1 热舒适度评分分析

表3为体感温度及相应人体感觉的对应关系，可以看出当温度在4 ℃以下时，人体对外界的环境感受为很冷，此时对应的生理应激水平程度为极端冷，即顶级的状态，最不理想的状态之一，人体无舒适度可言；当温度在4 ℃～9 ℃时，人体对外界的环境感受为冷，此时对应的生理应激水平程度为强烈冷，稍缓一度；当温度在9 ℃～13 ℃时，人体对外界的环境感受为凉，此时对应的生理应激水平程度为中等冷，又缓一度；当温度在13 ℃～18 ℃时，人体对外界的环境感受为轻微凉，此时对应的生理应激水平程度为轻微冷，再缓一度；当温度在18 ℃～23 ℃时，人体对外界的环境感受为舒适，即最佳的人体感受程度之一，此时对应的生理应激水平程度为无热，即最佳的人体生理应激水平；当温度在23 ℃～29 ℃时，人体对外界的环境感受为温暖，即最佳的人体感受程度之一，此时对应的生理应激水平程度为轻微热，即好的人体生理应激水平；当温度在29 ℃～35 ℃时，人体对外界的环境感受为暖，即最佳的人体感受程度之一，此时对应的生理应激水平程度为中等热，即较好的人体生理应激水平；当温度在35 ℃～41 ℃时，人体对外界的环境感受为热， 此时对应的生理应激水平程度为强烈热，此时已不在最佳状态范围内； 当温度大于41 ℃时，人体对外界的环境感受为很热，此时对应的生理应激水平程度为极端热，最不理想的状态，人体无舒适度可言.

本研究中，PMV指标(-0.5～+0.5)则是当忽略不计人体外部做功消耗的热量时的相应实验数据得的，本次研究的PMV指标前提条件是衣服热阻比较小的同时人体不处于运动状态.换句话说，除本次研究以外的PMV(衣服热阻大的同时人体处于运动状态)值不在此次模拟范围内，因此本文选择体感温度作为主要的评价标准，同时PMV作为辅助衡量标准.

多项数据综合比较而言，风速和温度这两个变化元素在陕西体育馆屋顶开启和关闭的状态都有不同程度的感应，并最终影响着热舒适度.具体表现为：最大风速和最小风速相差值为6倍，最高温度和最低温度相差值为10%.表4 PMV与热感觉对应的变化关系，可以看出当PMV为3，对应的热感觉为热；当PMV为2，对应的热感觉为暖；当PMV为1，对应的热感觉为微暖；当PMV为0，对应的热感觉为适中，即最佳的人体感受程度，人体舒适度为最佳；当PMV为-1，对应的热感觉为微凉；当PMV为-2，对应的热感觉为凉；当PMV为-3，对应的热感觉为冷，最不理想的状态，人体无舒适度可言.

表4 PMV与热感觉对应的变化关系

热感觉热暖微暖适中微凉凉冷PMV值3210-1-2-3

当陕西体育馆建筑屋顶关闭时，体感温度增加了8.19%，室内PMV值在0.063到0.250之间(微暖)，人体感觉热舒适度为可接受的状态；陕西体育馆建筑屋顶开启时，风速风量温度湿度等参数条件得到了优化，模拟得出的体感温度为23.87 ℃，人体感觉热舒适度为最优，如图1所示的数据.

图1 PMV与PPD的关系

4.2 速度分析

陕西体育馆建筑屋顶关闭时，在进风口与出风口还见设置了热交换器，这样的情况下侧边的窗户对流使得体育馆室内风速小于1.5 m/s，陕西体育馆建筑屋顶打开时，整个体育馆成为半室外开放空间， 风速为1.5～2.8 m/s. 可知陕西体育馆建筑屋顶开启和关闭时，对室内风速的影响有显著的相关性.同时，通过模拟和计算可知， 该建筑室内一年四季的平均风速为0.2 m/s左右，这就说明该建筑满足体育馆这类建筑性质对于比赛的使用要求.建立X=120，Y=1，Z=170在a、b、c、d不同位置的流速(参见图2和图3).可以看到，体育馆内的流线随着屋顶的关闭而变得平稳、随屋顶的开启而变化，a、b、c、d共4条曲线所对应的风速值相比于原来的曲线都有所增加提高， 但加大通风量与增加风速的同时， 可以防止风对建筑的室内环境形成滞留效应，同时对人体的最佳舒适度并无破坏.

图2 X=120-150,Y=1,Z=170流速表(陕西体育馆建筑屋顶关闭时)

图3 X=120-150,Y=1,Z=170流速表(陕西体育馆建筑屋顶打开时)

可知体育馆内的流线随着屋顶的关闭而变得平稳、随屋顶的开启而变化.通风量与风速增加的同时，对人体的最佳舒适度并无破坏的影响.

5 结论

本研究通过将温度、人体感受及生理应激水平分为9个种类，分析了体感温度及相应人体感觉的对应关系，并通过将PMV与热感觉分为7种程度，分析了PMV与热感觉对应的变化关系，得到如下一些结论：

(1)风速和温度这两个变化元素在陕西体育馆屋顶开启和关闭的状态都有不同程度的感应，最终影响着热舒适度，最大风速和最小风速相差值为6倍，最高温度和最低温度相差值为10%.

(2)陕西体育馆屋顶开启和关闭的状态对应的体感温度都有不同程度的感应，体育馆内的流线随着屋顶的关闭而变得平稳、随屋顶的开启而变化，且通风量与风速增加的同时，对人体的最佳舒适度并无破坏的影响.