合肥某辦公建筑自然通風設計優化策略探討

潘仁穎 （安徽省建筑科學研究設計院 安徽 合肥 230031）

1 引言

隨著綠色低碳概念的提出，綠色低碳建筑的策劃向經濟、適宜的方向落實，項目所在地的地理氣候、文化特征、生活習慣等因素都影響著各專業設計措施的選擇。作為降低空調能耗、改善建筑熱濕環境的一種重要手段，自然通風在建筑設計中有著廣泛的應用。一方面，通過加速室內外空氣的交換減小空氣齡，使室內獲得足夠的新鮮空氣，保障呼吸健康的根本需求；另一方面，氣流速度也對人體熱感覺有著直接作用。

通風方式主要分為自然通風和機械通風兩種方式。機械通風可以直接地實現室內通風目的，但會產生建筑能耗及通風噪音。在綠色低碳建筑的理念下，自然通風的方式越來越受到重視。對民用建筑來說，自然通風是指依靠室外風力造成的風壓和由于室內外空氣溫度差所形成的熱壓來驅動空氣流動，以形成室內外空氣的交換。

風環境對體表感受影響十分重要，因此風環境的設計應予以重視。傳統的自然通風設計是根據風玫瑰圖和氣候分區的解讀，無法精確地分析建筑的自然通風微環境。計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics，簡稱CFD）為建筑設計提供了更加精準、科學的模擬分析方法和設計思路，為設計師提供更加直觀的風環境設計評估依據。

在當前建筑設計過程中，普遍存在建筑設計和模擬等技術分析協同性差的問題，為進一步優化節能設計，就要求建筑師利用CFD 模擬分析進行自然通風設計策略的綜合運用。本文主要以合肥地區的典型辦公建筑為例，結合CFD 模擬技術分析建筑設計中可以利用的自然通風優化策略，為本地區同類型建筑優化設計提供參考。

2 項目概況

2.1 建筑規模

該項目位于合肥市蜀山區，總用地面積 13333.33m2，總建筑面積56677.68m2，容積率2.96，建筑密度31.3%，綠地率25%，綠色建筑設計目標為二星級。項目規劃平面圖及鳥瞰圖如圖1、圖2所示。

圖1 項目規劃平面圖

圖2項目規劃鳥瞰圖

圖3 冬季工況1.5m處風速矢量圖

圖4 夏季壓力云圖

2.2 氣候特點

合肥屬亞熱帶季風性濕潤氣候，地處中緯度地帶，氣候溫和，季風明顯，雨量適中。年均氣溫15.7 ℃，年均降水量約1038.33 mm，多年平均日照數在2100 h 左右，平均相對濕度為77%。規劃設計時應重點考慮日照、風速、風向、溫度、濕度等因素對建筑朝向、布局的影響。

表1 風向參數

合肥地處夏熱冬冷地區，在夏季和春秋季，組織好室內外自然通風設計，不僅有利于改善熱環境，而且可以降低過渡季空調系統運行能耗。例如在上海區域，合理設計自然通風改善人們開窗時間，空調系統節能可達到40%以上。因此優化建筑總體布局和建筑單體的室內空間通風設計是必要的。

3 自然通風優化策略

3.1 室外風環境對建筑布局的影響

區域微氣候與室外氣流運動密切相關，規劃設計時往往更注重建筑群的功能、流線、外觀以及空間的利用等因素，實際上合理的室外風環境是建筑舒適度的一個重要指標，場地局部的湍流和渦旋不利于冬季的行走舒適性，同時也影響污染物的擴散，嚴重降低室外空氣品質。良好的室外場地風環境不僅可以提升人員活動區的行走舒適性和空氣品質，合理的建筑室外表面風壓差是形成良好建筑室內自然通風的前提條件。夏熱冬冷地區人員習慣于過渡季節開窗通風改善室內空氣品質，因此需首先保證室外合理的風環境設計。

方案規劃設計時，建筑物合理的布局是決定室外風速和風壓的重要影響因素之一，可以通過優化架空層位置、建筑間距、建筑朝向、建筑高度等設計，結合地形高差、景觀布局、交通流線等綜合因素，形成室外風速合理、流場均勻、無渦旋和滯風區的室外風場。利用CFD 技術優化建筑與周邊建筑群體之間的關系，使建筑充分利用自然資源，獲得更好的自然通風條件，同時弱化局部不利的風環境影響因素，從而創造出一個安全舒適的室外風環境。

設計初期本項目方案基于當地風環境特征對建筑布局進行針對性設計。合肥地區冬季主導風向為東北風，在此風向下，本項目將場前廣場布置于建筑主要出入口北側，通過場前廣場種植喬、灌、草結合的復層綠化，形成密集綠化景觀節點減弱冬季北方主導風向下的風速，單體主要出入口形成良好的行走舒適性區域；在研發中心轉角區域的渦旋區布置為出庫出入口，減小行走頻率。采用CFD 對室外自然通風模擬，根據模擬結果，冬季1.5m 高度人行區域最大風速出現在科研設計中心東北角，由于“峽谷效應”和建筑物的阻滯原因，出現局部強風，此處考慮加強復層綠化的設計，種植高大灌木或加強灌木密度起到阻滯作用，1.5m 高度處風速有了明顯降低，最大風速為3.7m/s，達到了“建筑周圍人行區風速＜5m/s”的要求，建筑周圍1.5m 高度人行區域的風速在0.5～1.7m/s 之間，人行區域風速舒適度良好；人行區風速放大系數為1.7，達到了“室外風速放大系數＜2”的要求。夏季和過渡季建筑周圍1.5m 高度人行區域的風速在0.6～2.7m/s之間。

表2 風速與人體感覺統計表

為利用氣候條件實現室內自然通風，建筑布局及朝向應迎合夏季和過渡季主導風向，形成合理的室內外風壓差。合肥地區夏季和過渡季的主導方向為南風或東風，建筑迎風面或通風窗所在外立面宜與夏季或過渡季主導風向夾角為60°～90°，并盡可能增加迎風面積。本項目單體建筑均設計為正南朝向，其中科研樓5F，建筑高度22.2m，布置于場地西南角；研發中心10F，建筑高度42.2m，布置于場地西北角；科研設計中心19F，建筑高度78.6m，布置于場地東側。單體建筑迎風面平均風壓與建筑背風面平均風壓在2.2～4.8Pa，整體建筑高度“北高南低”，各單體建筑迎風面積、南北風壓差有利于形成室內風速場的合理邊界條件。

3.2 建筑室內通風優化設計

室內自然通風效果的影響因素主要有建筑布局、體型、通風開門面積和位置、室內空間布局等。在建筑平面設計過程中，室內通風優化的設計主要考慮以下三個方面：

①在功能需求滿足的前提下控制房間的進深，減少建筑內區的面積比例，同時考慮“大空間”布局，減少內隔斷的通風阻擋；

②建筑群的布局利于形體導風，通過布局分散、架空、通風開口等方式形成穿越建筑的通風通道引導自然通風的形成；

③引入熱壓通風的空間形式，如中庭、天井等。

基于室外布局的優化結果，本項目室外風作用于建筑表面形成良好風壓差，建筑通風開口與內部空間產生空氣交換，形成通風流線。單體采用條式建筑，內部布局盡可能采用大空間設計保證自然通風時各房間之間空間暢通，南北對稱布置的外窗使室內形成通風通道，有利于誘導自然風深入內區空間形成“穿堂風”，提升室內換氣次數。

研發中心和科研樓之間設計內庭院優化低樓層區域通風效果。設置內庭院后，研發中心和科研樓近地面處的風速有一定程度的增加，并仍在舒適范圍內。這是由于內庭院與建筑之間形成拔風作用導致研發中心和科研樓低層和內庭院區域的風壓為負壓值，產生風壓差，使底層架空空間處的風速值也有所增大，改善了原本風速一般的風環境，對底層室內空間的自然通風是有利的（見圖5）。

圖5 典型樓層平面圖

3.3 通風開口優化設計

建筑通風開口顯著影響房間風速及流線分布，特別是建筑外窗開啟面積和位置的設置，是保證室內實現良好的自然通風的關鍵?！毒G色建筑評價標準》（GB/T 50378-2019）中關于公共建筑自然通風方式下房間通風開口面積比規定，“過渡季典型工況下主要功能房間平均自然通風換氣次數不小于2 次/h 的面積比例達到70%，得5 分；每再增加10%，再得1 分，最高得8 分?！比绻步ㄖM深大，或者由于特殊原因不能保證外窗通風開口面積，僅依靠自然風壓與熱壓不足以實現良好的自然通風，則需進行自然通風優化或創新設計，以保證建筑在過渡季典型工況下平均自然通風換氣次數大于2次/h。

通過本項目室內風速模擬結果可見，進風口處有明顯的氣流經過，即通風構造可以有效地引導并組織室內通風，同時由于進出風口的對流，氣流相互摻混碰撞后加速擴散，使得室內更多區域有氣流經過，進一步優化了室內風速場。本項目通風開口面積與房間地板面積的比例控制達到8%以上，外窗在基于室內大空間布局下對稱開口。模擬結果顯示，本項目典型樓層主要功能房間的換氣次數達標面積比例為86.33%，平均空氣齡為89.6 s，室內通風效果良好，有效降低了空調能耗（見圖6）。

圖6 室內風速模擬圖

4 結語

綜上所述，運用CFD 模擬建筑室內外空間風環境進行綠色建筑方案的優化，可以高效精準的為建筑設計師提供被動式設計參考依據。夏熱冬冷地區公共建筑通過合理的通風設計可有效降低建筑能耗，自然通風優化可從建筑總體布局、單體建筑兩個方面進行考慮。室外風環境行走舒適性是影響建筑總體布局的主要參考因素之一，在室外風速偏大時，可通過喬灌木植物合理的布置和搭配優化行走舒適性；單體建筑合理的建筑形體、通風開口位置和面積、內部空間布局設計是改善內部空間自然通風較為有效的手段。自然通風這種經濟、健康、舒適的通風方式必然是綠色、低碳、可持續發展建筑重點應用的節能方式之一。