中小学校园地下空间自然采光通风优化设计策略研究

李晨雪，卢 可

（南京工业大学建筑学院，江苏 南京 210000）

0 引言

地下空间的利用极大提高了中小学校园建设的土地利用率。尤其对于南京、淮安等城市，为保护古城风貌，其建筑高度、密度受到种种限制，因此对于建筑地下空间的良好开发必将掀起一股热潮。但是地下空间环境与地上空间环境截然不同，主要表现在地下空间位于地下、自然光线差、环境封闭、空气流通较差，这些特定的因素都将会对人的心理及生理造成一定的影响，尤其对于处在身心健康发展的关键阶段的中小学生而言，这些地下空间因素至关重要。

大多数地下建筑都属于封闭空间，而且基本上都采用机械通风空调系统[1]和人工照明设施，这种空调系统和人工照明设施虽然能很好解决地下空间的空气、照明等环境品质问题，但其耗能也是相当大的。目前，我国约15%的电能用在空调能耗上，新风能耗又占总空调能耗的25%～38%。相对地上建筑，地下建筑在通风环节消耗的能源要高很多，过高的使用成本肯定会限制人们对地下空间的开发利用[2]。因此许多设计者对地下空间采用自然通风进行了研究，探索自然通风在地下空间中的应用潜力。

查阅2015—2021年的国内外研究文献中发现，国内对于校园地下空间自然光和风环境的关注较少，主要依赖人工照明和机械通风弥补这方面的缺陷，设计师往往在校园地下空间设计上投入极大的精力，从空间规划布局、交通流线设计以及结构优化等方向阐述对地下空间的设计利用研究，对于地下空间的自然采光和通风等物理指标关注极少，很少进行专题研究和设计。因此，本文重点关注中小学校园地下空间的自然采光通风，并结合相关设计案例研究采光通风方式和设计策略，希望可以为未来的中小学地下空间采光通风方式优化提供一定的参考。

1 研究对象

本文选取淮安市清江浦区南部新城配套教育项目。该对象为一所正在进行建筑扩初设计的九年一贯制中小学建筑（图1）。整个项目由于建筑密度和高度的限制，使得整个地块较为拥挤，因此将部分功能放置地下，对地下空间进行了开发利用，主要通过下沉广场组织地下各个功能。由于面积较为局促，使得进入地下空间的下沉广场入口长×宽只有33m×14m，形成狭长的长方形，一定程度上影响了地下空间的自然采光与通风。

图1 学校鸟瞰图

由于建筑体量较大，本文选取初中教学楼处的地下空间进行具体分析（图2）。下沉广场不仅可以起到对地下空间消防疏散的作用，还可以改善地下空间的自然采光通风（图3）。此处地下空间功能为图书馆、阅览室。为满足建筑窗地比和采光要求，因此建筑四周采用玻璃材质。

图2 初中下沉广场位置

图3 初中下沉广场位置

地下空间的采光系数最优值出现在下沉高度为5m[3]。但考虑到地下设备管线布置、地上植被覆土需求以及过大下沉深度给中小学学生心理带来不良感受，因此本文选取下沉广场深度为5.5m和6m。分别对方案一（下沉深5.5m）和方案二（下沉深度6m）两种情况，建立简化模型（图4）。使用ECOTECT和PHOENICS软件对下沉广场的采光、通风数值模拟。研究不同广场下沉深度对地下空间的自然采光通风影响，针对实验结果提出优化策略。

图4 下沉广场模型

2 自然采光的模拟与分析

2.1 模拟方案

2.1.1 气象参数

利用ECOTECT软件对下沉广场的光环境进行模拟。根据《建筑采光设计标准》（GB50033—2013）[4]淮安市气象条件，天空照度模型设定为CIE全阴天模式。光气候分区中属于第Ⅳ区，计算天空照度设定为4500lx。时间为8月1日正午12:00。

2.1.2 模拟对象

针对方案一（下沉深度5.5m）和方案二（下沉深度6m）两种情况，通过下沉广场进入地下空间，对不同下沉深度的地下空间的自然采光进行模拟，分析对比结果。

2.1.3 实验方法

采用网格法均匀布点，取下沉广场距地1.2m[5]（中小学学生视觉高度）高度水平面上的采光系数，分析下沉广场采光潜力大小。

2.2 分析结果

由ECOTECT模拟得出两个方案平均采光系数，其对比如表1所示。

表1 不同下沉深度的地下空间采光系数分布对比

由于下沉广场四周采用玻璃材质，靠近地下空间建筑外侧一周的采光系数较大，靠里处采光系数较小。方案一的平均采光系数为17.68%，方案二为18.56%。且对比两者下沉广场的采光系数发现，下沉深度较大的方案二的采光系数反而比下沉深度较小的方案一稍大一些，方案一采光系数大于17.6%的为1.28%，方案二为1.45%。由此可见，当下沉广场四周采用玻璃材质时，下沉深度较大一点，有利于增加室内采光。

3 自然通风的模拟与分析

3.1 模拟方案

3.1.1 气象参数

考虑通风降温情况，本文主要分析夏季的下沉广场室外自然通风。根据《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》（GB50736—2012）[6]，得到淮安市夏季气象数据分析，取夏季风速为2.6m/s，风向为ESE。

3.1.2 模拟对象

利用PHOENICS软件对下沉广场的风环境进行模拟。对方案一（下沉深度5.5m）和方案二（下沉深度6m），进行下沉广场自然通风的数值模拟，判断下沉广场通风潜能大小。下沉广场不同点的压力差代表着该处的自然通风潜能。分别选取南北两侧以及中部共12个点风压数值，通过风压差值，分析距离下沉广场距地面1.2m处自然通风潜力。

3.1.3 边界条件设置

本文采用标准κ-ε方程，进行模拟计算，室外风场来流边界条件的确定主要由来流的速度分布、风向、湍流强度和湍流耗散决定。由于受到近地面粗糙度的影响，来流风会在与地面垂直的高度方向上产生速度梯度与速度边界层，其速度分布的特点与距离地面高度、地面粗糙度有关。本文参考了ASHRAE手册中给出的指数边界层函数法对入口来流速度来进行定义，其表达式如式（1）所示。

式中：Vh——任意高度处的风速，m/s；Vref——参考高度处的风速，一般指气象资料中给出的风速值，m/s；Href——对应参考风速的高度，一般指气象台的测量高度，通常这个高度为10m；H——对应Vh的任意高度，m；α——地貌粗糙指数，根据我国《建筑结构荷载规范》（GB5009—2001），将地面粗糙程度可分为4类，淮安地貌粗糙度指数取0.22。

3.2 分析结果

利用PHOENICS软件对两方案下沉广场室外自然通风进行模拟分析得到变化情况，如图5所示。

图5 不同下沉深度的地下空间风压变化

由软件模拟得出，方案一和方案二的风速差别并不大，方案一（下沉深度5.5m）平均风速为2.16m/s，比方案二（下沉深度6m）的平均风速2.13m/s稍大一些。两者主要差别体现在风压上。

方案一（下沉深度5.5m）下沉广场风压值为-1.77～-0.087Pa之间，风压差为1.683Pa。方案二（下沉深度6m）则是处于-1.85～-0.089Pa，风压差为1.761Pa。方案二的风压差更大，更有利于自然风的引入。由此可见，方案二的自然通风效果比方案一好。

4 结语

对于中小学校园地下空间设计而言，良好的自然采光通风，不仅能够节约能源，更重要的是，改善正处于身心成长关键期的学生们，对于地下空间闷、热、潮湿、通风、采光不足等主观感觉，使其拥有良好的人居环境舒适度。本文结合淮安市清江浦区南部新城配套教育项目，同时综合以上实验模拟分析，得出以下结论。

当方案以下沉广场来组织地下空间功能布局，且下沉广场四周的材质为玻璃时，适当增加下沉广场的下沉深度，对建筑的地下空间自然采光有一定的改善作用。

当方案以下沉广场来组织地下空间功能布局，且广场进深较小时，适当增加下沉广场的下沉深度，则可以在一定程度上增加风压来达到更佳的通风效果。

结合安市清江浦区南部新城配套教育项目得出，下沉广场下沉深度在6m，为最优自然采光与通风方案。同时本方法可以对具体工程实践具有指导意义。