上海地区某文化建筑中庭自然通风优化分析

2021-08-29 01:58李晨玉王健朱换换谢孟晓
建筑热能通风空调 2021年7期
关键词:门厅中庭开口

李晨玉 王健 朱换换 谢孟晓

1 同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司2 同济大学机械与能源工程学院

1 项目概况

某文化建筑位于上海市,建筑平面呈规则的六边形,边长约70 m,其东侧为一六边形美术馆。总建筑面积为35284 m2,建筑高度23.6 m,地上三层,每层各有一层夹层。一层主要功能房间为展厅和门厅,二层为展厅,三层为展厅、办公和库房,夹层为设备用房。建筑中心为一平面截面为正三角形的中庭,边长约72.8 m,贯通1~3 层。

2 评价标准

综合考虑建筑中庭内的风速及空气龄,对中庭自然通风效果进行合理判断及评价。

1)风速标准:《建筑通风效果测试与评价标准》JGJ309T-2013 中第3.2.6 条的第2 点规定:“自然通风室内人员活动区空气流速应在0.3 m/s~0.8 m/s 之间。”[1]

2)空气龄标准:目前的标准、规定并没有对室内空气龄作出明确的要求,经查找相关文献,将健康的空气龄标准定为500 s[2]。

自然通风时室温较高,过小的风速对散热不利,舒适度降低,而风速过大会影响人体舒适性,因此自然通风的风速不宜过小也不宜过大。空气龄是房间内某点空气在房间内已经滞留的时间,反映了室内空气的新鲜程度,是评价室内空气品质的重要指标。

3 技术路线

3.1 模拟软件

由 CD-adapco公司开发的CFD软件STAR-CCM+,其具有:强大的网格处理能力、先进的物理模型、多面体网格划分功能、稳健可信赖、多种文件格式兼容等特点,早期发源于航空航天领域的需求,现已进入到流体流动有重要作用的所有领域,包括建筑行业。

STAR-CCM+提供了多种湍流模型,在保证满足计算精度的前提下选用SST k-o 湍流模型,这种模型在近壁面采用的是k-o 模型,在远离壁面的地方采用的是k-e 模型。采用Boussinesq 涡粘假设,其微分方程详见文献[3]。其他条件设置为三维稳态理想气体,湍流流动,采用分离流求解器。

3.2 几何模型

依据建筑总平面图考虑周围建筑的影响,按照不影响室外风场为原则进行几何模型简化。本项目远离市区,建筑周边除有一栋与本文化建筑一同设计的美术馆外,几乎无其他建筑。该文化建筑一层门厅面积891.2 m2,中庭2080.7 m2,在博物馆的北侧、西南侧和东南侧有共享空间可以直接通到室外。根据《建筑环境数值模拟技术规程》DB31/T922-2015 中的要求建立室内外物理模型(图1)并确定计算域范围[4]。

图1 某文化建筑与周边建筑模型

3.3 气象参数

该文化建筑位于上海市,对《中国建筑热环境分析专用气象数据集》[5]中上海市典型气象年过渡季节的参数进行分析,得到上海地区过渡季节10 m 高空的主导风向为NNE,风频为11.5%,主导风向上的平均风速为4.05m/s。

3.4 边界条件

1)气流进口使用速度边界,速度值则可根据式(1)确定:

式中:z1=10 m;u (z1)=z1高度上的平均风速,4.05 m/s;a为地面粗糙度,本项目位于上海市徐汇区,地面粗糙度按C 类地区取值:0.22[6]。

2)流出口采用压力边界。

3)上空面和两侧面则为自由滑移表面(slip wall)边界。

4 模拟方案及结果分析

4.1 原方案

4.1.1 原方案模拟结果

The first time I met Zhu Bing Ren was during an exhibition of his works in Beijing. I was a little confused by the variety of works he showed.

建筑中庭内,一至三层距地面(楼板)1.5 m 高度处的风场和空气龄分布如图2~4 所示。从图2~4 风速矢量图可以看出,一层:中庭进风口处风速最大,最大风速为3.44 m/s,而在建筑中心遮挡物后及南部门厅区风速较小。中庭中心遮挡物后的空气龄较大,为687.5 s;南部门厅区的空气龄也很大,最大空气龄为1500 s。二层:中庭进风口处风速最大,最大风速为3.28 m/s,其他区域风速分布较均匀。中庭内最大空气龄为718.8 s,出现在中庭中心处。三层:中庭进风口处风速最大,最大风速为2.99 m/s,而在中庭西部区域风速较小。中庭内西部区域空气龄较大,最大空气龄为875.0 s。

图2 一层距地面1.5m 高度处的风场和空气龄分布图

图3 二层距地面1.5 m 高度处的风场和空气龄分布图

图4 三层距地面1.5 m 高度处的风场和空气龄分布图

图5 为建筑中庭沿风速方向的中心剖面上的风速矢量图和空气龄云图。从图5 可以看出,气流在进入中庭后与中庭内空气不断混合,气流组织较为复杂。三层北部存在一个范围很大的流动涡旋,此处空气龄较大,最大空气龄为937.5 s。

图5 建筑中心剖面的风场和空气龄分布图

4.1.2 原方案达标比例

将以上原方案的模拟结果,按照满足风速指标和空气龄指标的达标面积比例汇总到表1 中。

表1 原方案中庭自然通风模拟结果汇总

某文化建筑中庭一层自然通风效果最好,风速在0.3~0.8 m/s 范围内的面积占中庭总面积的71.8%,空气龄在500 s 以下的面积占中庭总面积的77.1%,舒适性和空气品质都较好。中庭内随高度增加,二层、三层自然通风效果很差,二层、三层中庭内有观光楼梯属于人员活动区,南部门厅的舒适性和空气质量都较差,自然通风均需要进一步优化。

4.2 优化方案

4.2.1 优化方案设计

优化方案如表2 所示。

表2 某文化建筑中庭自然通风优化方案

三种方案的平面形状和中庭尺寸取值都保持不变,方案1 将围护结构开口尺寸增大一倍,即通风开口面积占地比增大为7.8%,开口高度保持不变。方案2围护结构开口尺寸不变,开口高度增高为3.0m,即将通风口改为高窗,窗台高为3.0 m。方案3 将围护结构开口尺寸增大一倍,并将通风口改为高窗,即通风开口面积占地比增大为7.8%,窗台高改为3.0 m。

4.2.2 优化方案模拟结果分析

将三种优化方案进行自然通风的数值模拟,并将模拟结果的风速和空气龄综合达标面积比例与原始方案对比,如表3 所示。

表3 某文化建筑中庭自然通风与三种优化方案模拟结果汇总

方案1 建筑中庭自然通风优化效果显著,综合达标比例一层比原方案提高12.2%,二、三层分别提高39.3%和45.8%。中庭内最大风速大于3.44 m/s,吹风感较强烈。最大空气龄大于468.8 s,空气新鲜,门厅区域的最大空气龄为984.4s,空气质量有很大改善。方案2 建筑中庭自然通风优化效果明显不如方案1,综合达标比例一层甚至比原方案降低了17.0%,而二、三层分别提高6.0%和8.2%。中庭内最大风速在0.72~0.84 m/s 内,吹风感大大改善,符合人体舒适度。最大空气龄大于875.0s,门厅区域的最大空气龄为1937.5 s,空气质量较原方案差。方案3 建筑中庭自然通风优化效果二、三层较明显,综合达标比例比原方案分别提高26.5%和51.7%,一层仅比原方案提高1.4%。中庭内最大风速在0.84~1.31 m/s 内,吹风感有所改善,比较符合人体舒适度。最大空气龄大于625.0 s,空气较原方案新鲜,门厅区域的最大空气龄为1625.0 s,空气质量较差。

总体来看,方案1 的综合达标比例提高的最多,中庭自然通风优化效果最好,但风速较大,吹风感强烈,舒适性较差。方案2 的二、三层综合达标比例提高5%以上,中庭自然通风优化效果不理想,但中庭内风速较低,人体舒适性较好,而空气龄较大,空气新鲜程度较差。方案3 的一层综合达标比例几乎无变化,二、三层综合达标比例明显提高,中庭自然通风优化效果显著。中庭内风速较低,最大风速在1.5 m/s 以下,改善了原方案的吹风感,且中庭内最大空气龄较原方案有所降低,但门厅内空气质量依然较差。

三种方案对中庭一层的自然通风优化效果都不理想,方案2 甚至出现了明显降低的现象。这可能是由于该文化建筑一层中庭中心位置有一梯形房间,且距离进风口较远且面积很大,阻碍了气流流动,室外新鲜空气很难到达门厅区,在其背风面形成了大面积的静风区(<0.3 m/s)。

纵向来看,除方案3 的三层外,三种方案都表现出了随高度增加综合达标比例逐渐降低的特点。

横向来看,方案1 比原方案提高的综合达标比例是方案2 的2~6 倍,说明围护结构开口大小因素的影响力度远大于开口高度因素。而方案3 虽综合了方案1 和方案2 的优点,除门厅区域外对改善原方案的中庭自然通风和室内舒适性效果较好,但结果却并不是二者的简单线性叠加。

5 结语

随着当前经济、科技、文化的发展,人们对于富有良好文化性建筑的需求越来越强烈,大型文化建筑是城市的标志,近年来建设数量不断上涨。针对上海市某拟建文化建筑,运用CFD 软件分析该建筑中庭自然通风效果,并设计三种优化方案进行分析评价,构建更加良好舒适的室内环境,并得到以下结论:

当建筑中庭自然通风效果较差时,可通过优化围护结构开口大小、开口高度等设计参数来改善室内环境。围护结构开口大小因素的影响力度远大于开口高度因素,综合优化两种因素后的中庭自然通风结果结合了两者的优点,自然通风和室内舒适性较好,但并不是二者的简单线性叠加,两种因素的叠加效应原理有待进一步分析研究。

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