上海地区某文化建筑中庭自然通风优化分析

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。