居住建筑地下空间自然通风方案优选研究

吴 桢，杨一振，曹 兵

(安徽工程大学建筑工程学院，安徽芜湖241000)

人口危机和城市化的需求促使城市发展空间由地上向地下延伸，城市地下空间的开发利用成为全球性趋势，住宅建筑中的地下空间也得到广泛应用。地下空间具有热稳定性和高防护性特点，但封闭性导致的通风不畅一直是地下空间发展的难题。为改善地下空间的通风环境，多采用机械通风的方式，但机械通风完全依赖于设备运行，对电源设备依赖性强且增加建筑能耗，《绿色建筑评价标准》(GB/T 50378—2019)指出，自然通风符合建筑绿色化生态化的概念，是一种既健康又环保的技术措施。

自然通风依靠室外风力造成的风压和室内外空气温差造成的热压，促使空气流动，使建筑室内外空气交换。国内外学者就如何加强地下空间的自然通风进行了大量研究，贾萌通过对浅埋地下车站公共区自然通风的模拟得出，在过渡季节利用热压进行自然通风可排除室内余热；叶艳对某地下车库工程进行自然通风设计，通过数值模拟研究过渡季地下车库的气流分布、空气龄和CO浓度分布等；Alkaff等认为下沉式中庭是地下空间布置的重要形式之一，可利用热压通风提高地下空间的舒适性。对于自然通风，主要研究方法有风洞试验、现场实测和计算流体力学(computational fluid dynamics，CFD)。随着湍流物理模型的发展和计算机技术的进步，CFD的计算精度越来越高，已成为当前研究自然通风常用的方法。钱伟等对皖南传统民居天井的尺寸和形状进行CFD模拟，得到了最利于采光通风的天井尺寸；吴州琴等对徽州传统民居的自然通风进行数值模拟，就如何加强室内自然通风给出了建议。夏俊等模拟研究了建筑朝向对室内自然通风的影响，认为合理的建筑朝向设计可保证建筑室内环境舒适度。对自然通风效果的评价是指导建筑自然通风优化设计的关键，现行相关标准中的评价指标有换气次数和通风面积窗地比(通风开口面积与地板面积的比例)。李先庭等用示踪气体和数值模拟等方法研究了通风房间的空气龄，提出空气龄是评价室内空气品质的一个重要指标。黄河认为自然通风评价指标过于单一，提出综合建筑能耗的自然通风效果的评价方法。基于简单明了原则，利用CFD软件对某别墅地下室在不同建筑构造下风速、换气次数、空气龄和风场不均匀系数进行模拟分析，探讨自然通风优选方案，以期对居住建筑地下空间的自然通风建筑设计有一定指导。

1 模型的建立

1.1 物理条件

根据《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》(GB50736—2012)，芜湖地理位置为北纬31°33′，东经118°38′；夏季通风室外计算温度31.7 ℃，夏季室外平均风速为2.3 m/s，夏季最多风向为南向；按所在的经纬度查得，7—9 月的日均辐射量分别为18.91，14.69，16.31 MJ/m。

1.2 模拟工况

研究对象为芜湖市某别墅地下室，三维模型如图1。别墅地下室面积104.97 m，层高4.2 m，为框架结构，可改造性强。在综合考虑居住建筑实用性和美观性的基础上，根据《绿色建筑评价标准》(GB/T 50378—2019)中通风评价指标窗地比，对地下室设置7种建筑构造模拟工况：1种基准工况(工况0)和6种优化工况。7种工况具体布置和尺寸如图2。

图1 别墅地下室三维模型Fig.1 3D model of villa basement

图2 地下室7种建筑构造工况平面图(标高单位：m；其他单位：mm)Fig.2 Plan of seven kinds of architectural constructions of basement(elevation unit:m;the other unit:mm)

1.3 数学模型及计算假设

标准κ-ε 模型是一种实际工程应用广泛的物理模型，其计算速度和计算精度能满足工程应用要求。文中采用标准κ-ε 模型进行模拟计算，其包括湍动能κ 方程和耗散率ε 方程。

湍动能κ 方程

耗散率ε 方程

模拟计算中假定空气为不可压缩的牛顿流体且满足Boussinesq假设，空气流动为湍流流动，不考虑太阳能烟囱壁面的蓄热。

1.4 数值风洞及边界条件

为更接近实际地研究室外风对地下室风场的影响，采取数值风洞为外流域。对于数值风洞，在计算机上进行风洞试验。模拟别墅尺寸为14 700 mm×14 600 mm×9 900 mm(总长L ×总宽B ×总高H )，设置数值风洞尺寸为153 200 mm×93 900 mm×49 500 mm。为保证最大阻塞率小于3%，设置别墅侧面和顶面距离各流域边界的距离为5H；为保证湍流充分发展，设置别墅背风壁面与计算域出口的距离为10H。数值风洞平面尺寸如图3。风洞网格采用四面体非结构化网格，为兼顾模拟精度和计算速度，模型的网格数在150万左右。设置风洞南面为风速入口、北面为自由出口，建筑墙体为绝热边界条件和固体壁面无滑移条件，工况6中的太阳能烟囱集热壁面采用常热流边界条件。各工况模型的网格划分如图4。

图3 数值风洞平面图(单位：mm)Fig.3 Plan of the numerical wind tunnel(unit:mm)

图4 地下室7种建筑构造模型的网格划分Fig.4 Grid division of seven kinds of architectural construction models in basement

2 模拟结果及分析

2.1 风速

风速是自然通风效果最直接的评价指标，《建筑通风效果测试与评价标准》(JGJ/T 309—2013)要求人体活动区空气流速在0.3～0.8 m/s之间。文中选取各工况下地下室整体平均风速和人体活动高度1.5 m处风速进行分析。图5为各工况下地下室高度1.5 m(即相对标高-2.7 m)处的风速云图。从图5可看出风速大小和风速分布的基本情况。为定量分析各工况具体的通风效果，导出地下室范围内所有节点的风速和高度1.5 m(即相对标高-2.7 m)处截面各节点风速，得到地下室整体的平均风速和高度1.5 m(即相对标高-2.7 m)处截面平均风速，结果如图6。

由图5，6可看出：6种优化工况均能改善地下室通风，风速均有不同程度的提高；工况0的通风效果差，风速接近于0；各优化工况对整体平均风速和高度1.5 m(即相对标高-2.7 m)处截面的平均风速作用效果一致，排序为工况3＞工况4＞工况5＞工况6＞工况2＞工况1，说明窗地比越大，平均风速越大；窗地比相同时，窗户位置不同，风速亦有差别，工况1和工况2窗地比均为1.7%，但工况2由于开窗面位于迎风面，风速较工况1有所提高，工况3、工况4与工况5的窗地比均为4.6%，但工况5部分窗户位于背风面，迎风面窗户面积变小，引入气流变少，室内整体风速变小，工况4由于设置的是高窗，对高窗以下空间的气流增强作用变小，其平均风速较工况3有所降低；工况6的风速较工况0有较可观的提高，表明太阳能烟囱对室内自然通风有较好的改善作用；7种工况中仅工况3满足《建筑通风效果测试与评价标准》(JGJ T309—2013)对自然通风时风速的要求。

图5 7种建筑构造地下室高度1.5 m处的风速云图Fig.5 Contour map of wind speed at 1.5 m height of basement of seven architectural constructions

图6 7种建筑构造地下室整体平均风速和高度1.5 m处平均风速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 换气次数

换气次数是定量分析室内自然通风的一个指标，其计算公式如下：

式中：n 为换气次数；L 为风口进风量；V 为房间体积；S 为风口通风面积；v 为进风口平均风速。

该别墅地下室面积为104.97 m，按入住人数6人计算，人均居住面积约17 m，按照《建筑通风效果测试与评价标准》(JGJ T309—2013)要求，每小时换气次数应＞0.6。文中模拟计算各种工况下地下室的换气次数，结果如图7。

图7 7种工况下的换气次数Fig.7 Air change rate under seven working conditions

由图7 可见：各工况换气次数排序为工况3＞工况4＞工况5＞工况6＞工况2＞工况1＞工况0；对于基准工况0，虽考虑了楼梯间以及背风面的门窗洞口，但室内的换气次数仅为0.4次/h，不符合《建筑通风效果测试与评价标准》(JGJ/T309—2013)关于住宅建筑换气次数的要求；6 种优化工况下换气次数均有提高，且均满足《建筑通风效果测试与评价标准》(JGJ/T309—2013)对换气次数的要求，工况1与工况2的窗洞比均为1.7%，但工况2位于迎风面，换气次数较背风面同尺寸天井稍多；工况3、工况4和工况5的窗地比均为4.6%，但工况4设置的是高窗，工况5部分洞口开设在背风面，换气次数均不及工况3；工况6利用热压通风的原理增设太阳能烟囱，等效窗地比为2.8%，能有效增加地下室的换气次数，但太阳能烟囱改善自然通风的影响因素多，有待进一步研究。

2.3 空气龄

空气龄是评价室内空气品质的重要指标。空气龄越小，通风效果越好；空气龄越大，通风效果越差。文中利用自编的UDF文件导入Fluent，得到7种工况下地下室高度1.5 m(即相对标高-2.7 m)处的空气龄及地下室的平均空气龄，结果如图8，9。

图8 7种建筑构造地下室高度1.5 m处空气龄云图Fig.8 Contour map of air age at basement height of 1.5 m for 7 architectural constructions

图9 7种工况下地下室的平均空气龄Fig.9 Average air age of the basement under seven working conditions

由图8，9 可看出：各工况地下室的空气龄排序为工况3＜工况4＜工况5＜工况6＜工况2＜工况1＜工况0，说明通风效果工况3＞工况4＞工况5＞工况6＞工况2＞工况1＞工况0；各工况下空气龄与地下室整体平均风速以及换气次数反映的通风效果是一致的。现行标准尚未对空气龄定义评分值，但在建筑方案优选时，可将空气龄作为辅助指标进行方案优选。

2.4 不均匀系数

由于空气湍流的特点，室内各处风速均有差异，较好的均匀度能保证不出现通风死角，提高居住的舒适度。《建筑通风效果测试与评价标准》(JGJ/T309—2013)中要求人流活动区气流组织应分布均匀，但未设置评价标准值。文中借鉴统计学中均方差的概念引入不均匀系数计算室内风场的不均匀度，用不均匀系数定量评价室内的自然通风效果，定义不均匀系数为风速均方差和平均风速比值。平均风速越小，数据越离散，则不均匀系数越大，通风效果越差；平均风速越大，数据越集中，则不均匀系数越小，通风效果越好。其相关公式如下：

式中：v(i=1，2，3，…，n)为Fluent软件导出的地下室室内网格节点的风速；νˉ为平均风速；σ 为均方差；μ′为不均匀系数。由式(5)～(7)计算出各工况地下室风速场的不均匀系数，结果如图10。

图10 7种工况下的均方差和不均匀系数Fig.10 Mean square deviation and non-uniformity coefficient under seven working conditions

由图10(a)可知：各工况室内风场的均匀程度排序为工况0＞工况1＞工况2＞工况6＞工况5＞工况4＞工况3，这是由于工况0，1，2开窗小，室内不能形成良好的风速流场，整个地下室的风速均较小，均方差小；对风速有显著增强的为工况3，4，5，6，工况6的风场最均匀，其次为工况5和工况4，工况3较差。若引入不均匀系数，即将风速大小和风场均匀程度综合考虑，由图10(b)可知：工况4的通风效果最好，这是因为工况4有足够大的窗地比，且窗口分布最为均匀；工况5次之，这是因为工况5的窗口南北面对称分布，能形成穿堂风，风场均匀，且风速较可；工况3风速最大，但风场均匀度较差，故其不均匀系数最大。可见，在建筑方案优选时引入不均匀系数能较好评价自然通风效果，当风速相差不多时，应优先选择不均匀系数较小的方案。

3 结论

以芜湖地区某别墅为例，改变其地下空间的建筑构造，利用计算流体力学的Fluent软件，模拟分析不同建筑构造下的风速、换气次数、空气龄以及不均匀系数，探讨地下室自然通风的优选方案，所得主要结论如下：

1)别墅地下室体积小，仅靠楼梯间处洞口通风不能满足《建筑通风效果测试与评价标准》(JGJ/T309—2013)关于换气次数的要求，需进行优化设计。

2)不均匀系数能对室内风场的均匀程度进行量化评价，应作为方案优选的补充评价指标，选择不均匀系数较小的建筑方案。

3)窗地比越大，自然通风效果越好，但窗地比的评价精度不够，相同窗地比不同建筑构造时，室内风场有较大差别。在建筑方案优选时应在选择尽可能大的窗地比基础上，综合考虑风速、换气次数、空气龄以及不均匀系数等评价指标，选择自然通风最优建筑方案。

4)设置天井、半地下室和太阳能烟囱均能改善地下室的自然通风。其中设置迎风面(南面)大天井时空气龄小、换气次数多且风场分布比较均匀，此为自然通风优化方案，将迎风面(南面)大天井设计为具有空间层次感的下沉式庭院。

5)《建筑通风效果测试与评价标准》中对自然通风风速的要求为0.3～0.8 m/s，下限值对地下空间的自然通风评价稍显严苛，建议根据地下空间的特殊性对地下空间自然通风的风速和换气次数进行专门要求。