廊道式教学建筑自然通风效果对比与优化

张朝朋

西安世园投资（集团）有限公司

0 引言

建筑自然通风是充分利用自然条件来改善室内空气环境品质的措施，并且也是降低建筑能耗的最有效方法。引入新鲜空气有利于降低室内污染物（有毒有害气体、颗粒物、病毒）浓度，提升舒适度，满足室内人员卫生安全与心理健康需求。教学建筑是学生学习生活的主要核心区域，也是人员密集区，某些建筑结构由于设计规划问题，室内通风条件差，尤其今年的新冠肺炎疫情对室内通风提出更高的要求，因此保持室内的良好通风是保证学生身体健康的重要保障。

教学建筑的规划、建筑单体设计到内部结构设计对自然通风的可应用性和效果影响显著，合理布局将能有效地利用自然通风解决室内热舒适性和空气质量问题[1]。目前主要的研究方向有多元通风模式研究，热压与风压通风方式的分析与优化，被动通风方式的热工模拟与分析，传统民居的物理环境模拟等。具体到自然通风与建筑内部设计的关系，研究主要集中建筑朝向、窗户尺寸、窗户面积、窗户局部构件形式等影响自然通风的因素[2-4]。而对于自然通风在具体建筑结构形式的对比与优化方面，尚且还存在研究空间。基于建筑能耗、占地面积、空间使用等方面特点，目前在实际中应用较为广泛的有内廊式、外廊式、双廊式三种结构形式建筑[5]。由于建筑自然通风受建筑结构形式，通风面积，热源以及室外气流环境等多种因素的影响，因此，有很多机理仍需深入探索和研究[6-9]。

1 数值模型与数值方法

1.1 建筑体建模参数

建筑群规划总建筑面积 23066.22 m2，其中地上建筑面积 17603.86 m2，选取地上四层教学主体建筑（65.1 m×20 m×15.8 m）为研究对象（图 1），参照实际设计规划CAD 图建立物理模型，对三种建筑结构形式（图2）的自然通风效果进行模拟分析。

图1 教学主体建筑位置及平面图

图2 廊道式建筑结构示意

1.2 计算模型建立

模拟计算区域的大小会影响到模拟效果的准确性和计算效率[10]。结合教学楼主体建筑所处地理条件以及周边环境因素影响，设置模拟计算区域。当模拟分析目标为建筑群时，建筑群整体覆盖区域应低于整个模拟计算区面积的10%，本次模拟选取整体计算区域的长度，宽度和高度分别为建筑体实际长度，高度和宽度尺寸的10 倍，5 倍和5 倍，如图3 所示。

图3 教学建筑模型及室外场计算区域设定

1.3 网格独立化验证

根据教室建筑体结构特点，采用结构化网格，进、出风口表面及建筑间隔结构网格划分加密，建筑室外网格划分采用较粗网格，建筑体周围网格随着与建筑体距离的增大而逐渐稀疏。网格进行独立性验证，进行三种网格划分：粗网格，细网格，密网格。在区域主导风向ENE、主导风速 2.5 m/s 的条件下，将内廊式教室模型在三种网格形式下的模拟结果（选取靠廊点室内工作区风速值为代表），与文献[11]实测均值进行对比。如图4 所示，通过对比结果可知，粗网格与细网格计算结果偏差大，最大差值为 15%以上。细网格与密网格模拟的工作区速度分布规律一致，风速平均差值约为1.2%。由此可知，在细网格计算结果中，已经能得到需要的计算精度，所以在数值模拟中采用细网格划分方法（总网格数1504500），以保证模拟计算效率。

图4 数值模拟网格独立化验证

1.4 计算模型离散与求解

对于湍流流动的模拟，采用 RNGk-ε模型，可由下式表示：

式中：Gk为由于平均速度梯度造成的湍动能的产生；G b为由于浮力造成的湍动能的产生；YM为在可压缩湍流中的波动膨胀对整体膨胀的贡献率；Sk为用户定义的源项。其他计算参数设置如表1 所示。

表1 建筑体数值模拟计算参数设置

2 模拟计算结果与分析

在自然通风模式的热压和风压共同作用下，进风口气流作为室内空气流动的重要源动力，对室内流场分布起到重要影响。为合理优化建筑自然通风气流组织，结合参数化建模与数值模拟分析对室内空气分布进行综合性评价，现根据建筑结构类型、通风面积因子变量设置通风工况，提取空气龄、通风效率、PMV 等典型参数作为通风性能评价指标，对模拟结果进行对比分析。

2.1 室内速度场和平均空气龄

室内速度场分布直接影响着室内温度场与舒适度需求。舒适的风速将有助于提高工作效率与工作质量，为满足教室内人员适宜环境，空气流速限值为：u≤0.2 m/（s 冬季），u≤0.3 m/s（夏季）。

空气龄（AGE）是指空气质点自进入房间至到达室内某点所经历的时间，如果空气停留的时间短，空气品质较好，则空气龄小。空气龄长代表通风换气不畅，可造成污染物局的部堆积，会降低该区域附近的空气品质[12]。

由图5～6 模拟结果可知，三种建筑结构形式下的室内速度场分布基本满足舒适度要求。内廊式与外廊式局部区域由于穿堂风的影响，风速过大。而双廊式教室由于中间结构的阻挡作用，影响了通风流畅性，并且在背风区教室内产生局部涡旋，通风效果较差。

图5 三种建筑结构形式下的室内速度场（通风面积因子50%）

图6 三种建筑结构形式下的空气龄对比（通风面积因子50%）

在靠近迎风侧窗户位置，内廊式与外廊式教室平均空气龄较低，在 100 s 以下。新鲜空气从通风口扩散至房间中部，平均空气龄分布较均匀，分层效果明显。内廊式与外廊式建筑中，靠近背风区位置，空气龄数值渐增，但也基本维持在150 s 以下，只有个别背风区房间空气龄超过300 s。对于双廊式建筑，整个背风区教室均通风紊乱，换气不畅，容易造成污染物局部堆积。

2.2 通风效率

通风效率用来表示送风排除热量和污染物能力。对于自然送风排除工作区余热来说，当室内建筑热源相对稳定，主要采用稳态通风效率评价通风的排热性能，此时通风效率又可称为温度效率，定义如下[13]：

式中：tn为室内工作区平均温度，K ；tp为排风温度，K ；tw为自然通风（室外）温度，K 。

建筑通风口作为自然通风室外空气与室内空气交流的直接路径，通风面积对自然通风效果起决定性影响作用。将三种廊道式建筑在自然通风模式下，通风口面积因子为30%，50%，80%和100%（如表 2 所示）时的典型房间通风效率进行对比。由图 7 可知，在通风效果稳定的情况下，加大通风口面积可以提高自然通风利用率，保证良好的室内空气品质。当通风口面积增加到 80%以后，继续增加通风口面积，自然通风的通风效率并没有随之发生显著变化。分析其原因为：通风口面积增大时，自然通风通风效果满足室内人员新风量以及温度需求，但可能出现局部风速过高，室内速度场不稳定的现象。

表2 典型房间不同通风工况下的通风温度对比

图7 三种廊道式建筑自然通风模式下典型房间通风效率对比

建筑结构形式对自然通风效果也有较大影响。对于内廊式教室、外廊式教室，无论通风面积因子如何变化，该气流组织的通风效率均维持较稳定的通风效率值，基本均在 1.1～1.3 之间，通风效果良好。而双廊式教室，由于建筑结构形式的阻隔作用，使得其通风效率在0.3～0.5 之间。

2.3 室内预测平均评价（PMV）

PMV 指标是结合人体热?舒适方程，在大量实验统计分析的基础上得出，其理论依据是当人体处于稳态的热环境下，人体偏离热舒适的状态就越远，正负值区间越大，人体不舒适性越强[14]。

由图8 可知，当 PMV 在-1～1 间时，工作区处于较舒适的中等环境。通过PMV 模拟分析可知，内廊式教室与外廊式教室，均处于 0～1 的微暖区间内，满足要求。对于外廊式教室，当通风面积因子大于80%时，满足舒适度要求，但当开窗面积减小，人体舒适性区间偏向“ 暖”区间。人体舒适性不仅与室内空气温度有关，与室内空气风速也有很大关系。因此，在设计建筑结构形式时，不能只单纯依靠降低室内空气温度来提高房间内人体的热舒适性。合理利用穿堂风，保证自然通风下的室内速度，依然可以达到相同的舒适性效果，同时还达到节能的目的。

图8 三种廊道式结构建筑自然通风模式热感觉值PMV 对比

3 自然通风方案优化

为了进一步提高自然通风条件下，教学建筑室内人员的舒适度，现将其主要评价参数（平均速度、通风效率、平均空气龄和PMV）综合进行对比。首先，三种通风结构方案的典型教室室内平均风速为 0.35 m/s，0.55 m/s 和 0.18 m/s，内廊式建筑、双廊式建筑满足0.3 m/s 的限值标准要求，外廊式建筑可以通过减小开窗面积因子达到。双廊式建筑在自然通风模式下，由于建筑中间结构阻碍通风流畅性，背风区与室内差压又不足以引起良好的通风效果，使得通风效率、通风空气龄、P MV 值均不理想。另外，基于建筑热稳定性与实用性，内廊式建筑略优于外廊式建筑。综上所述，内廊式教室在自然通风模式中具有相对优越性，能够产生令室内人员满意的舒适性环境。

为完善内廊式教室背风区个别房间通风效果不佳的现象，下面将对该类型结构开展进一步优化。在内廊道设置横向通风口，通过调整内墙窗墙比参数，保证背风区各房间达到自然风舒适区域。如图 9 所示，内窗面积增大，空气龄随之降低，通风换气顺畅，空气品质提升。当内墙窗墙比达到 25%左右时，继续增加通风口面积，自然通风的通风效果并没有随之发生显著变化。

图9 内墙窗墙比对平均空气龄的影响

4 结论

本文通过对西安地区某教学主体建筑热压、风压共同作用下的自然通风环境进行模拟计算，预测迎风区、背风区房间的速度场和温度场。以空气龄、通风效率、PMV 等参数作为通风性能评价指标，对三种建筑结构形式（内廊式、外廊式、双廊式）的自然通风效果进行对比与优化。研究结果分析表明：

1）建筑结构形式、通风面积因子等因素对建筑自然通风效果有显著影响。内廊式建筑和外廊式建筑的整体自然通风气流组织形式良好，双廊式建筑由于中间结构，阻碍通风流畅性，背风区房间通风效果不佳。

2）通风效果稳定的情况下，加大通风口面积可以提高自然通风利用率，通风口面积因子增加到 80%以后，继续增加通风口面积，自然通风的通风效率不会发生显著变化。

3）综合评价，对比于外廊式和双廊式建筑，内廊式教室在自然通风模式中热稳定性和通风效率更佳。在满足室内热环境稳定性与舒适性的条件下，内廊式建筑结构更适用于教学建筑。结合工程设计经验值，可以通过调整内墙窗墙比参数（25%左右），进一步优化自然通风效果。