某商业综合体中庭自然通风性能分析

李永飞

卓展工程顾问（北京）有限公司上海分公司

随着2019 年9 月1 日《近零能耗建筑技术标准》的实施，我国开始由推动绿色建筑建设向推动可再生建筑应用方向迈进，进而引导建筑逐步实现近零能耗[1]。然而当前国内空调、通风及供热能耗占社会总能耗的18.9%左右，如何降低建筑中空调能耗是当前节能减排所面临的重要课题[2-3]。相关研究表明自然通风可以有效降低室内温湿度，并且在成都地区其自然通风潜力巨大[4]。故而本文通过对开启与关闭中庭天窗对比分析，得出中庭区域的温度、风速、空气龄等参数的变化，来衡量本项目中庭区域自然通风的可行性，以实现建筑节能，进而实现可持续性发展的目的。

1 项目概况

本项目位于四川省成都市龙泉驿区，驿都大道以南；天鹅西湖南路以东；金枫路以西，占地51822 m2。集商业、超市、影院为一体的大型综合体。其中商业建筑面积约13.6 万m2，地上四层及地下二层为商业，地下三层为车库。商业中庭面积约3000 m2。

2 自然通风可行性分析

自然通风是以风压或热压为动力，不消耗人工能源，经济且绿色的通风方式，来使空气流动，有效扩散室内的热量，改善空气品质的通风方式，其易受室外气象条件的影响，尤其是风力的影响很不稳定，所以需要首先探讨自然通风的可行性，才能进一步的利用自然通风[5]。

2.1 时间上的可行性

根据有关研究，自然通风可用小时数主要为在工作时间室外干球温度在大于16 ℃，不高于26 ℃的小时数[6]。成都地区在自然通风逐月可应用小时数详见图1。

图1 成都自然通风逐月可应用小时数

从图1 中可以得出以下几点：

1）全年在营业时间段内可以采用自然通风的时间占全年比例为25.01%，占工作时间段比例达39.8%。

2）5 月，6 月以及8 月至10 月可自然通风应用的时间比例较高，其综合占比为70.76%，其中10 月份占比最高，为412 个小时，占10 月份营业时间的91.56%。

由上可知，对于成都地区的建筑而言，在过渡季节自然通风可利用的小时数占过渡季节的70.76%，尤其是十月份，91.56%的营业时间均可利用自然通风，所以应优先采用自然通风，特别是中庭、大堂等高大空间区域，通过开窗等实现一定的自然通风。对于本项目，过渡季节通过开启天窗利用风压及热压作用进行“免费供冷”在时间上是可行的，利用室外新风进行“免费供冷”。

2.2 温度上的可行性

根据气象数据分析，成都地区合理利用自然通风被动式设计可以将舒适时段提高2 倍以上，自然通风潜力较大。从焓湿图（图2）可知，适合自然通风的室外温度理论上可达到17.5～28.1 ℃左右。但本项目中庭区域为高大空间，由于热压作用，在垂直温度分层现象的影响下，过高的室外温度可能导致上层区域的温度偏高，但由分析可知，过渡季节室外温度在16～26 ℃的时间，综合占比70.76%，所以其在温度适合进行自然通风。

图2 自然通风在设计在焓湿图上的热舒适度表现

2.3 风速上的可行性

从图3 可以看出主要风向：N（14%）NNE（13.9%）NE（10.0%）。由图4 可知风速：近50%时段风速低于1 m/s，80%时段风速不高于2 m/s。室外风速较小，室内通风驱动力不足。成都地区过渡季室外低风速概率较高，导致室外风压通风能力欠佳。商业中庭的自然通风设计应以热压通风为主，同时尽量避免风压对热压通风的负面影响。风压可能增大室内热空气排出到室外的阻力。

图3 商场过渡季营业时段风玫瑰图

图4 商场风速分布图

3 物理模型的建立

3.1 物理模型及简化假设

根据建筑沟通，本商业建筑可开口区域详见图5标注，据此利用CFD 软件建立模型，并做如下假定：

1）室内气流视为低速且不可压缩并且符合Boussinesq 假设，即考虑浮升力产生影响；

2）流动为稳态湍流；

3）忽略四周墙壁及室内物体的辐射热。

图5 通风开口示意图

3.2 边界条件

1）室外计算温度：18 ℃（过渡季营业时段平均的温度）；

2）室外无风（极端工况）；

3）中庭步行区人员密度：6 m2/人（由设计确认）；

4）照明设备负荷：25 W/m2（由设计确认）。

4 模拟结果与评估

依据相同的边界条件，通过在开启或关闭中庭天窗的情况下，模拟分析得出了其室内的温度、风速、空气龄。

4.1 空气质量的评估

空气龄是反映了房间内某点处空气已经滞留的时间，是室内空气品质的体现，更是评价室内空气品质的重要指标[5]。图6 是天窗开启条件下的空气龄分布图，从图中可以看出，在天窗开启的条件下，在风压和热压共同作用下，产生的抽力对下部空间影响更大，其空气龄最短，顶层的空气龄相对于2 层而言成倍增加。

图6 天窗开启条件下的空气龄分布图（1.1m 高处）

由表1 可知，对于远离建筑开口的低层区域以及排风层（2F，3F，4F），空气龄均超800 s，4F 空气龄最大。在关闭天窗时，空气龄最短时间是420 s，为B1 层，空气龄最长时间是1754 s，为4F 层。开启天窗时，由于风压与热压的共同作用，对于B1 层的作用更明显，其空气龄最短为376 s。虽然只比关闭天窗时的时间降低了11.7%，但是4F 层的空气龄却比关闭天窗时降低了37.2%，并且各层空气龄时间平均降低达20.3%。从而可知，开启天窗对于改善室内空气品质有显著作用。

表1 开启与关闭天窗时各层空气龄的平均值

由于商业中庭属于高大空间，连接室外的通风口数量有限，复杂的内部空间使远离通风口和中庭高区的空气滞留时间较长。就目前中庭空气龄分布来看，自然通风时2F-4F 层仍建议开启新风机，风量按人员最低新风量需求设定。

4.2 舒适性能力评估

由表2 可知，虽然开启与关闭天窗时，各层的平均风速均在舒适性温度0.2～0.5 ℃的范围内[7]，但是关闭天窗时4F 层的平均温度比开启天窗时升高了6.3 ℃，达到了29.9 ℃。开启天窗时，各层平均温度在19.8～23.6 ℃，温感舒适，且平均温度比开启天窗时降低了9.7%。综合图7 中庭人员活动区风速分布，中庭人员活动区各层风速主要处于0.1～0.5 m/s 范围，面积占比80%，风感较舒适。高风速主要出现在各出入口处，作为快速通过区，可以接受。对于引入室外空气的低区楼层，在远离入口的区域温度较高，与入口温差达到5 ℃左右，但足够的步行距离可以缓解温差带来的不适。从表3 可知，由于垂直温度分层的影响，4F 与室外温差达到5.6 ℃。高层区域没有室外空气引入，虽然温度较高，但同层温差较小，行人不会有明显不适。B2 由于只有一个外门与室外联通，导致水平温差和室内外温差都处于较高水平，自然通风效果欠佳。

表2 天窗开启及关闭时各层的平均风速与温度

图7 中庭人员活动区风速分布

表3 天窗开启时各层的风速与温度分布

4.3 自然通风能力评估

由表4 可知，B2 至1F 的外门主要引入室外空气，2F 处于整个中庭热压中和面，室内外气流交换较少，热空气主要由3F、4F 和天窗排出到室外，其中70%的热空气由天窗排出。天窗开启时，自然通风总换气次数2.8，达到绿色建筑评价标准要求的不小于2 次/h自然通风要求。

当天窗关闭后，中庭自然通风换气次数仅1.7 次/h，通风换气量降低40%，性能下降明显。由于换气不足，中庭室内温度明显升高，特别是4F 已无法满足热舒适度要求。由此可见，如果中庭需要设计自然通风，天窗应提供足够多的散热空间。

表4 天窗开启及关闭时各通风口的通风量统计

5 结论

本工程通过CFD 仿真模拟技术，测得了开启及关闭天窗时各开口的通风量、室内的平均风速、温度、空气龄等各项重要参数，为本项目打造一个可持续发展的“绿色生态建筑”。经分析对比主要得出如下结论及建议：

1）考虑到室内外温差，为保证中庭整体自然通风舒适度，建议室外温度在17～23 ℃左右进行自然通风。按商场营业时段的日平均温度统计，过渡季有89 天满足这一温度范围，过渡季49%的时间可以进行全天自然通风。

2）天窗是中庭主要的自然通风散热通道（目前方案中庭70%的热量由天窗排出），相比与通过3F 和4F外门散热，增大天窗通风面积带来的收益更大。建议在目前方案基础上进一步增大由天窗通向屋顶的通道面积。

3）B2 层建议增加一个通向室外的门，与原有的外门隔开一定距离，可提高B2 室内温度均匀性和空气新鲜度。

4）开窗自然通风时，需随时监测室外空气质量，当室外空气质量不达标时，需采取相应的空气处理措施，以确保自然通风同时又能保证室内空气品质。