许江英,陈 宏,熊鱼雅
2020 年,一场突如其来的新冠疫情席卷全球,给人类社会造成了难以估量的损失,并加剧了全球健康危机。我们生活和工作的室内环境是传染病传播最常见的场所。既有研究表明,室内有效的自然通风可以预防传染病传播[1]、有利于健康,且相比于空调环境,人体处于自然通风环境中的舒适度更高[2]。此外,自然通风是降低空调能耗的主要被动式策略。因此,建筑自然通风在保证人们健康、舒适的同时可有效减少建筑能耗和环境污染[3],对“健康中国2030”1)及“中国2030 碳达峰”2)均具有重要意义。
在过去的30 年中,国内外学者们展开了一系列关于建筑自然通风的研究,并发表了大量论文,这使得建筑自然通风的研究重点和现状难以掌握。当前国内学者针对建筑自然通风研究的综述型文章大多从单一视角切入,如技术[4]、效果[5]、应用[6]等,且多依时间进度梳理进展,但较少涉及国内外研究的整体脉络对比。基于此,本文运用文献计量方法对国内外建筑自然通风研究的文献进行可视化分析,并对部分经典文献进行梳理总结,以期对未来建筑自然通风的深入研究提供参考和借鉴。
本文采用CiteSpace 和VOSviewer 作为文献计量工具,两款软件均可以进行文献关键词聚类、演变等方面的分析,但是两者各有特色。VOSviewer 可以通过美观清晰的不同色调密度视图展示研究热点;CiteSpace 则更擅长关键词的突变分析来展示研究脉络和演化进程,便于挖掘学科近期的研究前言。
中、英文献来源分别为CNKI 和Web of Science,检索时间为1990年1 月1 日至2020年12 月31 日。为全面搜集相关文献,通过以下方式进行文献检索[7]。(1)直接检索:分别运用专业术语“自然通风、单面/侧/向通风、交叉/对流/双向通风、穿堂风”与“建筑”,“natural ventilation、single-side ventilation、cross ventilation”与“building”组合进行高级主题检索;(2)追溯检索:在上一步检索到的文献中,利用类似相关关键词,包括“住宅、办公、大空间、体育馆”,“residen*、offic*、universit*”等进行追溯检索;(3)循环检索:循环前2 步的检索,将相关度高的文献纳入进来。以CNKI“全部期刊”作为来源共得到中文文献3049 篇,以Web of Science 的核心集“全部期刊”为来源共得到外文文献4068 篇。其中建筑科学领域的“重要期刊”3)中文569 篇,外文466 篇。
总体分析包括年发文量、建筑科学领域代表期刊两方面。年发文量以“全部期刊”的检索结果进行分析,充分体现发文趋势;代表期刊以具有一定权威性的“重要期刊”检索结果分析,进一步展示研究背景与整体格局。
文献数量反应该领域学术研究受关注程度的变化。比较中英文献各年度发表量,国内外呈现不同的发展趋势。分别对1990~2020 年间3049 篇中文文献及4068 篇英文文献进行发文量分布指数拟合分析,两曲线的拟合度(R2)分别达到0.8523、0.8382,可认为在该时间段内有关建筑自然通风的中文文献数量呈乘幂型增长,英文文献数量呈指数型增长(图1)。
图1 以建筑自然通风为研究主题的期刊论文年发表量
相关研究最早出现在1990 年,前期总体发文量较少。国外建筑自然通风相关研究的发文量在1996 年之后快速上升,尤其2010 至2019年间发文量呈现井喷式增长。国内发文量呈现较大的波动性,2003年是重要的转折点,该年非典的爆发使人们认识到建筑自然通风对健康的重要性,在此之前相关研究较少,而该年相关研究随之增加,至2016年发文量达到最高点;而近年来随着非典热潮的褪去发文量略有下滑。建筑自然通风作为直接影响人们健康的重要因素,2020年新冠疫情的爆发可能促进2020 年之后相关发文量出现新的增长趋势。
将检索到的论文发表期刊整理,得到建筑自然通风代表期刊旭日图。从期刊刊文量来看,国外建筑自然通风研究成果主要发表在《Building and Environment》、《Energy and Building》、《Building Simulation》、《Indoor Air》等期刊(图2),分别为178 篇、157 篇、28 篇、24 篇,合计占比83%。这四种期刊的影响因子分别为4.971、4.867、2.472、4.739,均是建筑领域的重量级SCI 期刊。国内论文主要发表在《暖通空调》、《建筑节能》、《建筑科学》、《建筑学报》、《工业建筑》等期刊(图3),分别为175 篇、135 篇、93 篇、35 篇、34 篇,合计占比83%。这五种期刊的影响因子分别为0.955、0.659、1.093、1.745、0.828,均是建筑科学领域的重要期刊。
图2 国外建筑自然通风研究的代表期刊
图3 国内建筑自然通风研究的代表期刊
3.1.1 研究热点
利用VOSviewer 对国外建筑自然通风研究相关文献的关键词进行共现分析(图4),对检索到的4068 篇外文文献的关键词进行统计分析,将其中高频出现的581 个关键词划分为5 个聚类。聚类内部的关键词出现频次越高,共现分析图中的圆球越大,也表明该关键词是该聚类的热点研究主题。但是由于相同概念有多个词语表达(如图4 中energy、energy efficiency 均表征建筑能耗),因此圆球大小并不能很好地表征聚类的研究主题,所以类似关键词的合并对于聚类的热点主题分析尤为重要。此外有些聚类中各关键词间联系弱,没有明显的主题特征,并不能表达该领域的研究热点,因此在热点分析中可忽略。基于此,可将研究主题重新归置为以下四类:一是空气质量与人体健康,关键词包括健康(health)、症状(symptoms)、室内空气质量(indoor air quality)、PM2.5 等;二是热舒适性与建筑能耗,关键词包括热舒适(thermal comfort)、能源(energy)、能源效率(energy efficiency)等;三是行为管理研究,关键词包括行为(behavior)、管理(management)等;四是研究方法的范畴,关键词包括cfd、大涡模拟(large-eddy simulation)、湍流模型(turbulence models)、风洞实验(wind tunnel experiment)等;这四个聚类基本表征了国外建筑自然通风领域近30 年来主要的研究热点及方法。
图4 国外建筑自然通风研究关键词共现分析
(1)空气质量与人体健康
人们90%的时间在室内度过,室内空气质量(IAQ)对人们身心健康起着重要作用[8]。自然通风是改善IAQ、减少建筑病态综合征的重要方面[9]。开窗是实现自然通风的必要条件,但这会降低室内热舒适[10],因此开窗必须满足适当宽度和时长才能保证健康和热舒适需求。值得注意的是,IAQ 会因为开窗而受到室外污染的影响,因此建筑能否自然通风与其周边的微气候环境息息相关。交通污染是街谷污染物的重要来源之一,Yang[11]等探究了交通污染物在不同开窗比条件下对临近交通干道建筑IAQ 的影响,Tong 等进一步探究了不同建筑参数的影响[12]。除了街区尺度,城市区域尺度的大气污染也会降低建筑的自然通风潜力。Tong 基于中国的大气环境质量估算了主要城市的自然通风潜力[13],发现冬季北方的自然通风潜力小于南方。由此看来如何改善北方室外环境质量从而提高建筑的自然通风潜力是一个值得关注的课题。
(2)热舒适性与建筑能耗
人们对室内热环境的满意度通常被称为热舒适,它是评估建筑性能的重要方面。C·andido[14]及Kwong[15]等人发现高风速可以增大热舒适范围,自然通风建筑由于其较高的风速而具有较宽泛的热舒适范围[16]。通常单侧通风建筑更难获得良好的自然通风条件而导致其室内热舒适较差,为此学者们做了大量研究。Montazeri[17]、D.Cui[18]和S.Omrani[19]等人发现单侧通风建筑的阳台对其附属空间的热舒适具有明显改善作用。人们在追求舒适的同时难免使用机械设备造成建筑能耗增加,因此关于热舒适与建筑能耗的研究是同时展开的。从节能角度考虑,自然通风是一种理想方式,它可以通过降温达到节能目的[20,21],但其不稳定性导致它很难满足全时段热舒适需求,因此自然通风需要与暖通空调相结合。随着建筑设备自动化发展,利用窗户自动开关系统控制自然通风的技术得到广泛研究[22,23],将该策略集合到混合通风中可节省大量能源[24],在未来的研究中势必更加关注智能控制对建筑能耗的降低作用,更好地促进建筑可持续发展。
(3)行为管理
自然通风与人的行为密切相关,因此对自然通风的研究离不开人的行为,关于人行为的研究主要体现在两大方面。第一是人的行为对于建筑能耗的影响[25],Sorgato[26]和Cedeno[27]等人均发现人的开窗行为对建筑能耗具有明显降低作用。第二是关于人开窗行为的预测与控制。Zhang[28]等探究了自然通风建筑预测窗户开启和风扇使用的方法。Schulze[29]等人尝试制定自然通风建筑在保证空气质量、热舒适前提下最节能的开窗行为控制方案。由此可知,人的行为不仅与建筑性能相关,而且对于人行为的考虑可改善当前设计阶段自然通风性能预测的不准确性,通过大数据挖掘人的环境控制行为偏好是一个很好的研究课题。
3.1.2 研究趋势
关键词突变(Burst Detection)用于表征短期内关键词的跃迁现象,有助于把握某领域各阶段研究热点。通过CiteSpace 对4068 篇英文文献进行关键词突变分析,得到国外研究发展趋势(图5)。国外建筑自然通风研究主要包括4 个阶段:(1)1990~2004 年,研究重点关注空气质量和人体健康,“病态建筑综合征(sick building syndrome)、患病率(prevalence)、空气质量(indoor air quality)、暴露(exposure)”等关键词出现频率较高;(2)2005~2010年,研究方法是重点关注对象,新突现的关键词有CFD(computational fluid dynamics)、风洞试验(wind tunnel experiment)、模拟(simulation)等;(3)2011~2015,新突现的关键词较为广泛,主要有热舒适(thermal comfort)、效率(efficiency)、可持续发展(sustainability)等,研究内容主要集中在建筑热舒适和建筑节能;(4)2016~2020,新突现的关键词集中在污染物扩散和研究方法两方面,“污染物扩散(pollutant dispersion)、大涡模拟(large eddy simulation)、深度/机器学习(deep/ machine learning)等关键词出现频率较高。
图5 国外建筑自然通风研究关键词突变分析
总体上,国外建筑自然通风的研究表现为两方面的趋势。首先,研究内容趋于多元化,从早期仅关注空气质量与人体健康到后期关注热舒适、节能、可持续发展等。虽然对于室内空气质量的研究热度一直未减,但研究视角由空气质量对人体健康的影响机制转向污染物的扩散规律。研究者开始探索建筑物周边环境对污染物跨户传播的影响[30]以及污染物在室内各空间的传播规律[31,32]。其次,研究方法更加注重新方法的引入,在最新发表的论文中,跨学科研究是一个显著的特征。如通过敏感性分析[33]等定量方法测度建筑形态要素与建筑环境性能的关联性;在建筑方案设计阶段引入计算机人工智能与数值模拟平台耦合,依赖计算机的人工智能算法,反向自动生成自然通风性能最优的建筑设计方案[34]。
3.2.1 研究热点
用同样的方法对国内建筑自然通风的研究进行关键词共现分析(图6),可将近30 年的研究热点重新归置为以下四类:一是建筑节能,关键词包括建筑节能、节能设计、建筑能耗等;二是热环境,关键词包括热环境、热舒适、室内热环境等;三是绿色建筑,关键词包括绿色建筑、建筑设计、生态建筑、低能耗建筑等;四是研究方法的范畴,关键词包括数值模拟、cfd、计算流体力学等;这4 个聚类基本表征了国内建筑自然通风研究近30 年来主要的研究热点及方法。
图6 国内建筑自然通风研究关键词共现分析
(1)建筑节能
自然通风可以显著减少空调的使用,降低建筑能耗[35]48-49,国内对于建筑自然通风的研究重点为建筑节能,主要体现在两方面。第一是自然通风的节能效果,研究表明自然通风可以减少体育馆约84.7%的机械通风时间[36],同时它对于居住建筑卧室的节能效果也非常显著,尤其是南向卧室[37]。第二是节能分析对自然通风潜力的预测。由于自然通风是降低能耗的重要手段,因此节能分析也成为自然通风潜力评价的重要方法[38]。黄河[39]等开发了自然通风及建筑能耗的全年逐时模拟软件DeST-Vent+,通过对不同自然通风条件下建筑的全年空调能耗模拟来分析不同自然通风形式的节能潜力。针对建筑节能的研究一直保持热度,在我国已成为世界上消耗能源最多的国家之一的背景下,对于自然通风节能方面的研究在未来依旧值得关注。
(2)热舒适性
热舒适性研究主要包括自然通风条件下的热舒适性能评价以及自然通风对热舒适的影响研究。热舒适性能研究通常采用实地调查的方式展开,研究广度涉及不同城市[40]、不同季节[41]、不同人群[42]。涵盖建筑类型广泛,其中住宅类建筑最多,公建类建筑比例较多,其余类型建筑较少[43]。自然通风对热舒适的影响研究主要体现在气候适应性、建筑热工性能两方面。闫海燕等[44]比较了干热和湿热气候对人体热反应的影响,结果显示自然通风条件下气候可改变人对环境的适应能力,不同气候条件下风速对人们热舒适的改善效果不同,风速在湿热地区更有效。王仙玲[45]173-175分析了遮阳与自然通风耦合作用下百叶参数对室内热舒适的影响。袁丽婷等[46]揭示了外墙、外窗传热系数对自然通风建筑室内热舒适的影响规律,当窗墙比小于0.6 时,加强外墙保温可更有效地提高室内热舒适性,当窗墙面积比大于0.6 时,加强外窗保温更有效。
(3)绿色建筑
绿色建筑的“绿色”是指建筑充分利用被动式技术为人们提供健康、适用和高效的使用空间。绿色建筑包括节地、节能、节材、节水、环保,其中节能作为绿色建筑评价的重要方面,一直是绿色建筑自然通风研究的重点,同时也会涉及自然通风对室内环境的调节作用[47]170-171。当前绿色建筑的自然通风研究以公共建筑为主,包含体育建筑[47]、交通建筑[48]、办公建筑[49]等。相关研究正在逐步用定量方法研究如何优化建筑形态、开窗等,为绿色建筑设计提供指导。如采用CFD 对自然通风环境进行模拟,避免了定性分析的不确定性,还可以对不同的建筑方案进行比较,选取最优方案[50]。
3.2.2 研究趋势
通过Citespace 对3049 篇中文文献进行关键词突变分析,得到建筑自然通风研究的发展趋势(图7)。2006 年之前,国内建筑自然通风研究处于初始阶段,暂未出现突现关键词;之后共经历3 个发展阶段:(1)2006~2009 年,研究内容主要集中在自然通风的原理及生态可持续两个方面;(2)2010~2013,研究主题为绿色建筑及节能;(3)2013~2020,新突现的研究重点关注CFD 数值模拟及室内环境。
图7 国内建筑自然通风研究关键词突变分析
总体上,国内建筑自然通风领域的研究表现为两方面的趋势。首先,研究目标由建筑节能转向室内环境质量提升。“绿色建筑”在近10 年一直是众多学者研究的重点,建筑节能作为绿色建筑的重要方面,在建筑自然通风的研究中一直备受关注,“绿色建筑设计、建筑节能设计、绿色节能”等关键词在近10 年突现出来(图7)。2016 年国家发布了《“健康中国2030”规划纲要》,健康建筑得到重视,建筑自然通风的研究焦点转向室内环境质量的提升,由此“气流组织、换气次数”等关键词突现出来(图7)。研究表明自然通风较机械通风更易营造良好的室内环境[51,52],因此利用自然通风改善室内环境是未来研究的重点。其次,研究对象更加多样化,“办公建筑、住宅建筑、体育馆”等关键词突现出来。对相关文献进一步梳理发现,居住建筑自然通风研究重点关注窗户[53]、天井[54]、阳台[55]、建筑朝向及平面布局[35]47-48对通风效果的影响,办公建筑重点探究幕墙通风器[56]、中庭边庭[57]等对通风效果的改善作用,大空间建筑则主要聚焦通风口[58,59]、建筑形态[60,61]等。区别于前期自然通风原理与节能的研究,后期更加关注通过建筑设计改善人们的生活品质。
从研究基础上来看,国外在建筑自然通风领域的研究占据绝对的优势,且发展较为成熟,整体呈现指数增长。相比之下,国内建筑自然通风的研究还处于发展初级阶段,发文量在2003 年非典后才开始呈现上升趋势,且近年来伴随着非典热潮的褪去略微有所下降,持续性的研究仍较为缺乏(图1)。受国家政策与经济发展的影响,文献数量整体表现为量少,分布期刊质量也有待进一步提升。
从研究内容及研究趋势上看,国外学术界在建筑自然通风领域的研究重点关注室内空气质量与人体健康。其发展过程经历了较为明显的转变:研究内容由早期空气质量对人体健康的影响机制转向自然通风下污染物的扩散问题(图8)。而我国建筑自然通风领域的研究内容较为广泛,热点多元,之后的一段时间内重点关注绿色建筑与建筑能耗,近年来开始基于数值模拟技术探究室内空气质量的改善问题(图8)。自然通风对于室内空气质量的调节作用很大程度上取决于室外环境,我国北方城市冬季由于采暖而产生的环境污染问题导致建筑的自然通风潜力有限。因此基于室内外环境耦合的角度去研究自然通风对室内环境质量的改善作用在我国具有重要意义。
图8 国内外建筑自然通风研究热点时区图
国外建筑自然通风的研究中对于人行为的考虑也一直是热点,但国内的研究对于人行为的关注度不多。而建筑自然通风直接影响室内舒适度,进而影响人为的调控室内环境。人的行为除了受到环境性能影响,也受私密性等心理因素的影响。当前建筑性能模拟平台中对于人的行为程序过于简化,不能真实反映人为调控环境的复杂性,影响了模拟预测的精确度,从而导致建筑投入使用后难以达到建筑设计的预期效果。在未来研究中应充分利用数据挖掘人为调控环境的偏好、特定的需求等信息,实现对建筑使用者差异化需求的探索。结合统计数据及问卷调查数据,开展多源数据支持的建筑自然通风优化设计将成为未来国内研究的一个趋势。
从研究方法上来看,国外学者对于研究方法的探究要多于国内,在CiteSpace 的关键词突现分析中,国外共有8 个与研究方法相关的关键词突现出来,而国内仅有3 个。无论是实验还是数值模拟的方法,相关关键词在国外突现出来的时间均早于国内,国内对于研究方法的研究仍处于起步阶段。国外近两年更加注重新方法的引入,关于研究方法的探究转向了跨学科,学者们尝试在建筑方案设计阶段引入计算机人工智能与数值模拟平台耦合,依赖计算机的人工智能算法反向自动生成建筑设计方案。相比于国外,国内关于该方面的研究较少,关键词突现分析中并没有相关关键词突现出来(图9)。
图9 国内外建筑自然通风研究方法时区图
传统的自然通风研究方法包括实验和数值模拟两大类,其中实验包括实测和风洞试验两种。风洞试验最早出现在国外,其结果通常被用于与数值模拟结果对比,进而验证数值模拟结果的有效性[62]。相较于数值模拟,实测和风洞试验的成本高、周期长,难以同时研究不同方案,近几年并没有太多发展。而数值模拟方法具有快速简便、准确有效、成本较低等优点,受到研究者的青睐。同时随着现今计算机科技的发展,数值模拟的周期和经济成本也大大降低,成为近年来国内外研究自然通风的热点研究方法。
数值模拟常用模型主要包括计算流体力学模型(CFD)、多区域网络模型(multi-zone)、耦合模型3 种,其中CFD 模型精确度最高,耦合模型次之,多区域网络模型最差[63](表1)。CFD 模型主要用于初步设计阶段对室内气流及温度分布的预测,如建立模型对不同朝向或几何形态的建筑通风情况进行分析,研究朝向、形态[64]59-62及开口几何参数[65]18-22等众多影响因素对自然通风性能的影响,该模型常用的软件有ANSYS Fluent[65]18,PHOENICS[64]58、Fluent Airpak[66]等。CFD 模型是近10 年来建筑自然通风领域学者们最常用的数值模拟方法,其使用率远超其他两种模型。国外学者对于CFD 模型的热度不减,相比之下国内近两三年略有下降(图10)。多区网络模型在美国、英国等国家起步较早,且已发展到较为成熟的阶段,主要用于不同自然通风条件下室内环境品质的比较[67]。CONTAM 和COMIS 是自然通风研究最流行的多区域模型[68]。耦合模型是近年来为结合CFD 模型与多区域网络模型优点而发展起来的一种新方法,主要用于探究交通污染对临街建筑室内环境的影响[69]。国外学者对多区域模型及耦合模型的使用频率远高于国内,相对而言,国内学者更愿意采用CFD 模型来研究建筑的自然通风问题(图10)。
表1 建筑自然通风领域研究方法简表
图10 国内外近十年重要期刊文献的数值模拟方法对比
智能优化方法是自然通风领域近几年引入的新方法,其在国外出现较早,且近几年的相关研究也较多,关键词突现较为明显(图9)。而国内的智能优化方法起步较晚,暂无关键词突现。智能优化方法依据其不同的技术特征可分为“基于CFD 数值模拟的优化[71]”、“基于风洞试验的优化[72]”和“基于代理模型的优化[73]102-104”3 种。基于CFD 的优化方法是指在方案阶段耦合CFD 与优化算法进行迭代寻优,但由于CFD 大量模拟计算比较耗时,针对该缺点,研究者提出基于风洞试验及代理模型的优化方法。既有研究对这3 种优化方法的原理、技术特点及优缺点进行了详细阐述和对比[73]100-104。优化的基本流程如下:首先,遴选变量作为优化的目标;然后采用各种技术模型试验探究各影响因素对于目标函数的影响;最后对得到的结果进行评估,寻找优秀的基因形成优秀方案(图11)。这种基于建筑性能的反向生成式优化方法,已经成为当今建筑性能优化设计的重要方法,且在方案阶段的优化设计中发挥着重要作用。
图11 自然通风性能优化流程
借由对1990~2020 年国内外建筑自然通风研究的文献计量与可视化分析,从文献数量、期刊分布对研究现状进行了概述。以此为基础再对研究热点与研究趋势进行综合分析。综上所述可以发现目前国内外建筑自然通风研究的特点以及需要注意的问题:
国内建筑自然通风的研究与国外相比还处于发展初级阶段,持续性研究仍较为缺乏。且国内大量研究仍停留在绿色建筑的节能性分析、节能设计策略等阶段。就自然通风本身而言,对建筑自然通风下空气质量与健康的问题鲜有探讨。此外,研究过程缺乏对使用者行为的考虑,这会造成预测阶段结果精度降低。
结合对研究领域现实认识与图谱分析可知,未来研究和实践可从以下几方面做出创新贡献:
(1)探索室内外耦合下的室内环境质量提升策略。建筑周边的微气候环境直接影响建筑周围的风场及建筑的通风能力。由此,充分考虑建筑周边微气候环境对建筑自然通风的影响,基于实际天气条件展开现场实测探究室外微气候环境对室内环境质量的影响十分必要。
(2)开展基于新方法新技术的开窗行为研究。自然通风通过改变室内舒适度影响人为调控环境的频率,同时人的行为也受私密性等心理因素影响。在未来的研究中应注重分析整合复杂的使用者行为,通过新方法、新技术探究不同地域、类型的人为调控环境偏好、特定需求等,实现对建筑使用者差异化需求的探索。
(3)关注建筑的健康性能提升。2020 年新冠肺炎疫情将健康的关注推到新高度,建筑作为公共安全事件发生之时的紧急“避难所”,其是否具有“抗疫”功能是未来建筑设计关注的重点。因此,自然通风条件下建筑室内外的空气交叉感染的隐患与建筑形态之间的关系将成为未来建筑科学领域研究的重中之重。
图、表来源
文中图、表均为作者绘制。
注释
1)2016 年,中共中央、国务院正式发布了《“健康中国2030”规划纲要》,推出未来十五年中国健康医疗卫生发展景愿和目标;
2)2015年,中国政府在巴黎气候变化大会上提出“中国将于2030 年左右实现碳排放达到峰值并争取尽早实现”的目标;
3)重要期刊指2020 年由中国建筑学会公布的建筑科学领域高质量科技期刊(T1-T3 级);
4)精确度:不同模型的数值模拟结果与风洞试验对比验证,模拟与实测越接近则准确性越高。其中CFD 模拟采用大涡模拟的方法。