建筑腔體對室內風環境的影響及模擬分析*

鄧孟仁 郭昊栩 熊勝洋

(1.華南理工大學 建筑設計研究院∥建筑學院， 廣東 廣州 510640; 2.柏濤建筑設計(深圳)有限公司， 廣東 深圳 518000)

建筑腔體對室內風環境的影響及模擬分析*

鄧孟仁1郭昊栩1熊勝洋2

(1.華南理工大學 建筑設計研究院∥建筑學院， 廣東 廣州 510640; 2.柏濤建筑設計(深圳)有限公司， 廣東 深圳 518000)

腔體是超高層建筑塔樓的外向型公共空間，不同腔體的布局和尺度差異會影響建筑的室內風環境.文中研究了腔體在過渡季節通過煙囪效應的拔風作用對室內自然通風狀況進行改善的可能;通過選取廣州地區南向接觸式腔體為研究對象，建立簡化的概念模型，借助特定的風環境模擬軟件對室內風速、PMV-PPD(預計平均熱感覺指數和預計不滿意者百分數)進行計算分析.結果顯示，通過設置合理的腔體高度、腔體進出風口大小及位置，可以使大多數樓層在過渡季節獲得穩定的自然通風，并使室內熱環境處于人體舒適范圍內．

建筑腔體;超高層建筑;自然通風;模擬

隨著城市化的深入，容積效率驚人的超高層建筑在我國的大中型城市相繼涌現，成為新的地標.除了形式的標志性，這類建筑室內熱舒適主要依賴空調系統，其耗電量通常占建筑能耗的40%以上[1]，由于能耗基數較大，其生態與節能一直是學術界的研究熱點.其中，腔體研究在實現節能、改善環境方面表現了突出的生態性前景.腔體對建筑的環境調節作用具有地域性和季節性[2]，本研究將關注我國南方夏熱冬暖地區超高層建筑的腔體調節作用機制，以無論在擬建還是已建數量均在國內位居前列的廣州為樣本.已有研究表明，該區域過渡季節(4、5、10、11月)具有利用自然通風改善室內熱舒適的環境條件，這一時段將是本研究的主要模擬時段[3].文中擬從室內風速和熱舒適兩個側面同時切入，以計算機模擬的理想環境狀態為前提，以期為超高層建筑的腔體設計決策提供生態節能依據[4]．

1 研究設計

建筑腔體在運作機制上與生物腔體相似，指在建筑內部采取適宜的空間體形，運用相應的技術措施，利用或輔助利用可再生能源，高能低耗地營造出具有舒適宜人內部環境的建筑空間[5- 6]．

本研究擬對廣州某超高層辦公建筑作出設計簡化，設定相同的體量和邊界條件，以腔體的高度、進出風口的形態關系等為變量，通過Phoenics軟件進行模擬計算.為兼顧案例的典型性與研究的實用性，本研究選取南向接觸式腔體為研究對象(見圖1)．

1.1 模擬單元設置

為了簡化研究，將超高層辦公建筑的標準層簡化成最為常見的正方形，平面尺寸為50 m×50 m，層高4 m，核心筒居中，尺寸為25 m×25 m.腔體占標準層面積的12%，尺寸為50 m×6 m.參照《公共建筑節能設計標準》，按可開啟窗墻比10%計，在腔體模型的東、西、北3個朝向分別開設40 m×0.5 m的通風窗，在腔體南向界面上、下各開設一個40 m×0.25 m的風口，同時在功能房間與腔體的接觸面上每層離地1 m處開設高度1 m的矩形條窗，如圖2所示．

圖1 超高層辦公建筑接觸式腔體示意圖

Fig.1 Schematic diagram of the chamber of high-rise office building

圖2 腔體模型示意圖

1.2 模擬方法

由于Phoenics軟件并不能直接讀取氣象數據，而需手動輸入邊界條件，因此針對室內風環境的模擬，本研究擬分兩步完成:

(1)通過Designbuilder軟件建模及運算，獲取模擬單元各通風窗口的瞬時空氣流量及6個壁面的溫度，作為下一步模擬的邊界條件[7].當模擬熱壓通風時，在軟件中將每個通風窗的風壓系數設置為0;當模擬風壓通風時，將該系數設置為1．

(2)在Sketchup中建模并導入Phoenics軟件，輸入上一步獲取的窗口流量及壁面溫度作為邊界條件，并輸入軟件氣候數據自帶的室外干球溫度及相對濕度值，開啟模型的輻射溫度按鈕，從而通過模擬計算得到室內的風速和PMV-PPD的云圖，并提取與評價指標相關的結果[8]．

1.3 計算模型的選取

對于建筑室內風環境的模擬，常用的數學模型有大渦模擬模型(LES)和標準k-ε模型等.其中標準k-ε模型具有計算成本低、時間短、精度高的特點，因而本研究選取標準k-ε模型進行模擬，k-ε標準方程為

(1)

式中，k是湍動能，ε是耗散率，μ是流體動力黏度，μt是湍動黏度，ui是時均速度，ρ是流體密度，t是時間，Gk是由層流速度梯度產生的湍流動能，Gb是由浮力產生的湍流動能，YM是由可壓縮湍流中過渡的擴散產生的波動，C1ε、C2ε、C3ε是常量，σk和σe是k方程和e方程的湍流Prandtl數，Sk和Sε是用戶定義的參數．

1.4 邊界條件設置

模擬地點設定為廣州(北緯23.06°，東經113.15°)，模擬時間選為過渡季的5月1日下午15：00.采用軟件自帶氣象數據，讀取當時的室外干球溫度為24.8 ℃，相對濕度為70%.功能房間的室內人員密度為10/人，設備功率密度為20 W/m2，照明功率密度為9 W/m2，腔體空間不考慮人員及設備.室內人員著衣率設置為0.6，活動程度為靜坐[9]．

1.5 評價指標

(1)室內平均風速.選取各層功能房間人體主要工作高度1.0 m 處截平面的平均風速作為評價指標進行分析.相關研究結果顯示:當室內空氣溫度為27.1～29.0 ℃，相對濕度為84%～90%時，室內氣流速度達到0.05～0.20 m/s可以使人的生理感覺處于舒適范圍[10].通過Designbuilder軟件模擬可以讀取出模型各層功能房間的室內輻射溫度約在28～31 ℃之間.由廣州地區的焓濕圖可知，每年4、5月的過渡季相對濕度約為70%～90%[11].因此，文中擬采用0.05～0.20 m/s作為室內較為舒適的風速范圍．

(2)熱舒適評價指標PMV-PPD.室內熱舒適涉及到溫度、濕度等多種氣候因素，目前國際上最為全面的熱舒適度評價指標為PMV-PPD(預計平均熱感覺指數-預計不滿意者百分數).該指標以生理學和心理學的主觀熱等級為出發點，綜合考慮了風速、相對濕度、空氣溫度、平均輻射溫度、人體活動程度

和衣服熱阻6個因素[12].通過把實驗得出的 4 種新陳代謝率下的熱感覺數據進行曲線回歸分析，得到新的擴展方程:

PMV=[0.303e-0.036M+0.028]L

(2)

式中:M為人體新陳代謝率，W/m2;L為人體熱負荷，L=(M-W)-3.05[5.733-0.007(M-W)-Pa]-0.42(M-W-58.15)-0.017 3M(5.87-Pa)-0.001 4(34-θa)-3.96×10-8fc1[(θc1+273)4-(θmrt+273)4]-fc1h1(θc1-θa),W為人體所做的機械功，指人的活動狀態，W/m2;Pa為水蒸氣分壓力，mmHg;θa為空氣溫度，℃;θc1為衣服表面平均溫度，℃;θmrt為平均輻射溫度，℃;fc1為穿衣面積系數;h1為對流換熱系數，W/(m2·K)．

該方程描述了給定熱環境下，人體處于一定運動水平時的實際散熱量和達到最佳舒適(熱中性)所需的散熱量差值.其計算結果 PMV 的取值范圍是-3～3，-3、-2、-1、0、1、2、3分別對應人體的不同冷熱感覺(冷、涼、微涼、適中、微暖、暖、熱)．

在我國《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》中，對室內適宜的PMV-PPD 值規定為:-1≤PMV≤1，PPD≤27%.因此，文中擬選取各層功能房間人體主要工作高度 1.0 m 處截平面的平均PMV 和PPD 值作為評價指標進行分析，并確定該指標的舒適范圍為:-1≤PMV≤1，PPD≤27%．

2 影響室內風環境因素的模擬分析

2.1 腔體高度

一般而言，腔體的高度越高，則熱壓拔風作用越強，本組模擬以腔體高度為變量，旨在探討其對室內自然通風的影響，以確定一個合適的腔體高度范圍[13].由于廣州地區在過渡季靜風率較高，因而不考慮風壓通風對室內風環境的影響.本A組模擬共分為4個工況，分別編號為A1-A4，并使各工況的邊界條件保持一致，如圖3所示．

圖3 A組模擬模型設置

利用Phonics軟件對4個不同高度腔體模型的熱壓拔風效應進行模擬，結果如圖4所示.從圖中可知，隨著腔體高度的增加，其熱壓作用對功能房間的拔風效果隨之增強，且上部功能房間的風速要明顯大于下部功能房間.由于中和面的存在，上部房間開口產生負壓，熱氣回灌現象明顯，影響室內熱舒適.就腔體而言，內部最大風速出現在中部位置(如表1所示).過大的風速不僅影響室內的人體熱舒適，產生噪音對辦公環境形成干擾，而且導致腔體內部氣流紊亂，難以有效控制，還增加了發生火災時的竄火速度和救援難度.綜合各種因素，不應一味地追求拔風效果而將腔體設計得越來越高，合理的腔體高度應控制在6～9層(約25～40 m)．

圖4 4種工況下縱剖面室內風速對比

表1 4種工況下腔體內部的最大風速

Table 1 Maximum wind velocity in the chamber under four operating conditions

工況編號腔體高度/m腔體內部最大風速/(m·s-1)A148091A296231A3144382A4192395

一個通高的大腔體可以視為若干個獨立小腔體的豎向疊合.可以通過合適的樓板分隔將腔體的拔風效應控制在一個合理的范圍內[14- 15]，這樣有利于結合避難層設置腔體的進出風口(現行防火規范規定，超高層建筑每隔50 m需設置一個避難處).同時，若將腔體與中庭、邊庭等結合起來設置，多個小腔體也有利于為內部使用人員提供更多的公共空間和更舒適的空間尺度.因此，本研究以高度較小的腔體模型(6層)作為研究對象進行分析．

2.2 腔體進出風口形態

在熱壓通風作用下，腔體的進出風口的空氣流量會對室內風環境產生重要的影響，流量多則室內風速較大,而腔體進出風口的面積比例、開窗率及位置均是窗口流量大小的關聯因素,因而在B(以腔體進出風口面積比為變量)、C(以腔體開窗率為變量)、D(以腔體進出風口位置關系為變量)組模擬中，將分別以此為變量，研究其對室內風環境的改善程度.具體模型設置如圖5所示，并保證各工況邊界條件一致．

2.2.1 室內風速分析

各工況模型縱剖面的室內風速分布云圖如圖6所示，從第1層到第3層，室外冷空氣經由功能房間進入腔體，形成自然通風，并隨著樓層的增加風速逐漸減小.到了第4 層，室內風速幾乎為0，這是由于腔體的中和面效應，使這個高度的室內、外壓強相等，因此風不再流動.到了第5 層和第6 層，由于腔體上部壓強持續增大，室內熱氣流一部分由腔體的上窗口排出室外，另一部分由腔體進入功能房間后，從東、北、西三面的窗戶排出室外，并隨著樓層的增高，室內風速逐漸變大.除位于中和面的中間樓層外，其余樓層均可實現自然通風．

將各工況的各層功能房間的平均風速進行整理，結果如表2所示.結果顯示:對于B組的4個工況，當進風口和出風口面積比為1∶2(B4工況)時，其各層功能房間的平均風速較優;對于C組4個工況，當腔體開窗率為10%(C2工況)時，其各層功能房間的平均風速較優;對于D組4個工況，當在腔體東/西向下面設進風口、南向上面設出風口(D4工況)時，其各層功能房間的平均風速較優.對比各組工況發現，當腔體開窗率為20%時，該工況的整體平均風速相對其他工況而言較差.因此，在僅依靠熱壓作用的前提下，并非將腔體的進出風口面積設置得越大越有利．

圖5 B、C、D組模擬模型設置

樓層編號室內平均風速/(m·s-1)B1B2B3B4C1C2C3C4D1D2D3D4102202302502602202302002002302402102620160170190210160170160160170190160203008010013015009010010010010012009012400200100300700100100200400100200100250120100050020110100050020100080100096016015013012015015012010015014015015平均013013013014012013011010013013012014

2.2.2 熱舒適分析

選取B2工況的PMV-PPD云圖進行分析(如圖7所示)，結果顯示:僅在熱壓作用下，室內各層功能房間的PMV平均值都在0.5～1.2，PPD 值在13%～33%，與規范規定的舒適范圍-1≤PMV≤+1、PPD≤27%較為接近;云圖色塊分布相對均勻，僅在核心筒北側部分區域的熱舒適較差.這是因為受核心筒的阻擋，在此區域形成了風影區，空氣流動微弱所致.另一方面，第4 層與第6 層的PMV 和PPD 值相對其他樓層高，這是由于第4層處于中和面，其室內風速極小，因而室內熱舒適度差.而第6 層是由腔體頂部積聚的熱空氣回灌進室內造成的，雖然可以帶來較大的風速，但其氣流的溫度比其他樓層高，因而室內熱舒適度也較差．

各工況的各層功能房間平均PMV-PPD值如表3所示.當PMV值越接近0時(不冷不熱)，熱感覺越佳，當PPD值越小時，對熱環境的不滿意度越低.結果顯示:對于B組4個工況，B4工況各層的平均PMV和平均PPD較優;對于C組4個工況，C2工況的各層平均PMV和平均PPD較優;對于D組4個工況，D4工況的各層平均PMV和平均PPD較優.各工況PMV-PPD的模擬結果基本上與平均風速的模擬結果相符合．

表3 各工況室內PMV-PPD對比

圖6 各工況縱剖面室內風速對比

圖7 B2工況平均PMV-PPD云圖

3 結論

通過多種模擬軟件分析了南向接觸式腔體對廣州地區超高層辦公建筑的室內自然通風與熱舒適性的改善狀況，得出以下結論:

(1)腔體的設置能改善超高層辦公建筑室內的自然通風效果，是一種良好的被動式設計策略.廣州地處夏熱冬暖地區，夏季悶熱，僅依靠自然通風無法滿足人體的熱舒適需求;在冬季，則需封閉門窗以減少室內熱量散失，此時采用自然通風會起相反作用.因此僅在過渡季節可以使用自然通風來改善超高層辦公建筑內部熱舒適，從而減少空調能耗.另外，由于在過渡季節，廣州地區的靜風率較高，難以形成穩定的風壓條件，同時超高層建筑隨著高度的增加，室外風速呈梯度迅速增大，導致其可控性較低，因此僅依賴風壓形成的自然通風難以被控制在人體舒適的風速范圍之內.而依靠腔體煙囪效應的熱壓拔風作用，則可以使室內獲得源源不斷的、穩定均勻的風速，對室內熱舒適的改善更為有利．

(2)應構建合理的腔體高度.腔體的高度對于拔風作用無疑有重大的影響，高度太小起不到較好的拔風作用，高度過大雖然使拔風效果得到加強，但風速太大會使腔體內部氣流絮亂，導致高區功能房間的熱量倒灌現象嚴重，影響其熱舒適性.模擬分析結果顯示，在實際項目中應對腔體進行合理劃分，高度設置在6～9層(25～40 m)較為合適．

(3)室內平均風速與單位時間內通過進、出風口的空氣流量有關，而空氣流量的多少與進、出風口的面積大小和位置相關.模擬結果顯示，當腔體的進風口樓層開窗率為10%時有較好的室內風速，在此基礎上當進風口和出風口面積比約為1∶2，或在腔體的東、西向下方外墻設進風口，南向上方設出風口時，將更有利于室內獲得良好的自然通風．

(4)PMV-PPD云圖結果表明，過渡季節中建筑即使在不使用空調的情況下，通過合理的自然通風仍可以使大部分樓層處于較舒適的范圍.對位于中和面附近的樓層，由于幾乎沒有自然通風，可以考慮單獨采用空調來解決其室內熱舒適問題．

模擬結果表明，超高層辦公建筑的腔體確實能促進室內自然通風，并有助于其在夜間通過通風散熱來降低日間空調啟動時的初始室內溫度，從而達到節能的目的.基于這一結論，在超高層建筑的設計過程中，可以根據不同的使用功能設定不同的舒適性標準，通過內部中庭、邊庭、風井與避難層外部開口的結合，形成有效的縱橫開放式腔體結構，并將智能化自然通風控制系統與當地氣象數據實時聯動，以更好地發揮腔體對自然通風的改善作用，減少全空調系統的使用區域與使用時間，營造出真正健康、自然、節能的超高層辦公建筑生態環境．

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Influence of Building Chambers on Internal Ventilation and Corresponding Simulation Analysis

DENGMeng-ren1GUOHao-xu1XIONGSheng-yang2

(1.ArchitecturalDesignandResearchInstitute∥SchoolofArchitecture,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640,Guangdong,China; 2.ShenzhenPTDesignConsultantsLimited,Shenzhen518000,Guangdong,China)

Chambers are the outward atrium spaces of super high-rise buildings. The location and size of different chambers may influence building’s internal ventilation. This paper discusses the possibility of improving the natural ventilation inside super high-rise buildings by using the stack effect of chambers in the transitional seasons. By ta-king the southward contact-style chambers in Guangzhou region for samples, a simplified concept model is constructed, and the internal wind velocity as well as the PMV-PPD (Predicted Mean Vote and Predicted Percentage of Dissatisfied)values is calculated and analyzed with the help of typical ventilation simulation software. The results indicate that, by setting reasonable chamber height and by adjusting the location and size of chamber’s inlet and outlet, most buildings may encounter natural ventilation stably in the transitional seasons, and the internal thermal environment can be maintained within a comfort range for human beings．

building chamber;super high-rise building;natural ventilation;simulation

2016- 07- 22

國家自然科學基金資助項目(51278193);中國博士后科學基金資助項目(2012m521602);中國博士后科學基金特別資助項目(2013T60805);華南理工大學中央高?；究蒲袠I務費專項資金資助項目(2015XMS24) Foundation items: Supported by the National Natural Science Foundation of China(51278193)，the China Postdoctoral Science Foundation(2012m521602) and the Special Foundation of China Postdoctoral Science Foundation(2013T60805)

鄧孟仁(1971-)，男，高級工程師，主要從事建筑設計及理論研究.E-mail:mrdeng@scut.edu.cn

1000- 565X(2017)05- 0074- 08

TU 972+.2;TU 834.5

10.3969/j.issn.1000-565X.2017.05.011