內廊式學生公寓室內風環境研究——以蘇州科技大學研究生宿舍樓為例

張康

（蘇州科技大學建筑與城市規劃學院，江蘇　蘇州　215011）

內廊式學生公寓室內風環境研究——以蘇州科技大學研究生宿舍樓為例

張康

（蘇州科技大學建筑與城市規劃學院，江蘇蘇州215011）

通過對蘇州科技大學江楓校區的研究生宿舍樓（8#）室內風環境進行數值模擬和實測記錄分析，來研究蘇州地區內廊式學生公寓的室內風環境。并在文丘里效應（Venturieffect）的基礎上，調整局部建筑空間來改善夏季（過渡季節）室內風環境。同時，借用DeST分析不同模式室內風環境對建筑全年能耗的影響。

風環境；數值模擬；DeST；能耗

學生公寓對于各大院校的學生來說是主要的學習、生活的場所之一。宿舍內的熱環境直接關系到學生的學習質量與心理健康［1］。文章用數值模擬蘇州夏季內廊式宿舍室內風環境，通過合理調整局部空間來加強內廊式公寓的自然通風，提高室內熱環境的質量，從而減少建筑能耗。

1　建筑概況

該研究生宿舍樓（8#樓）位于蘇州市高新區蘇州科技大學江楓校區內，南側為本科生宿舍樓，北側、東側為樟樹林，西側為籃球場，東側為二層高的教學樓（見圖1）。宿舍樓共六層，層高3.3m，總高度為19.8m。首層架空為設備間。二至六層為宿舍，標準層面積1 217.88m2（61.2m×19.9m），每層32個標準間，各宿舍標準間平面布局與門窗尺寸見圖2。

圖1　8#樓總平面（衛星圖）

圖2　標準間平面及立面

2　氣象數據

蘇州屬于北亞熱帶濕潤季風氣候區，七月進入盛夏，受副熱帶高壓影響，主導風向為東南偏東，夏季最多風向為南，平均風速為3.4m/s，夏季相對濕度69%［2］。根據蘇州市氣象統計數據表1可知，每年夏季中7、8月份室外溫度不高于最熱月平均溫度27.49℃且相對濕度不超過90%的天數都是近似于20天左右［3］。考慮到冬季寒冷，自然通風的主要利用還在夏季和過渡季節。因此，蘇州地區利用自然通風改善室內通風效果具有很大的研究潛力。

表1　蘇州市氣象統計數據

3　風場分析

獲得良好的室內自然通風效果一直是建筑規劃設計中考慮的重要因素之一。建筑內部的自然通風是由于建筑的開口（門、窗、過道等）處存在空氣壓力差而產生的空氣流動［4］，而建筑開口處的風壓又與周邊風場存在關系。因此，建筑周圍的風場分析對于研究室內風環境是很有必要的。圖3～圖6，所示為采用CFD軟件（PHOENICS:授權號9-050FCF1F，參數見表2）模擬8#樓夏季周邊場地的風環境。圖3所示1#、4#和B、C號樓迎、背風面形成了正壓區和負壓區，8#樓的迎風面（南側）的正壓區風速分布均勻。從圖4可知，建筑迎風面風壓在1.5 Pa左右，而背風面風壓在-3.8～2.4 Pa之間（除兩側），前后壓差約為4 Pa。而在夏季，建筑前后風壓差大于1.5Pa是有利于實現建筑內部的自然通風［5］。由圖5可知，整個場地內風速較大，分布均勻，都在0.7～1m/s之間。這些都有利于自然通風潛力的提升［6］。

表2　物理模型參數及邊界條件

圖3　8#樓室外夏季風壓云圖

圖4　8#樓表面風壓云圖

圖5　8#樓夏季室外風速矢量圖

4　室內風環境分析及改善措施

4.1現有室內風環境分析

受風場阻擋，背風面房間的通風效果會受到影響，主要是由于迎風面建筑房間對室外行空氣流通進行阻擋，使得內廊兩邊的房間不能有效通風［7］。為更好進行研究，并提出改善措施，文章對室內風環境進行數值模擬分析，邊界條件采用Opening作為風的模塊，無滑移的壁面條件（Object）作為地面和建筑面，門窗口留洞。對于黏性流體，采用黏附條件，即認同壁面處流體速度與壁面該處的速度相同。風速參數選用前一章介紹的典型氣候條件。模擬結果如圖6所示，南北向宿舍的門窗均打開時，南向各層宿舍內的自然風速（1.16～2.32 m/s）大于北向宿舍的風速（0.39～1.4m/s）。同時，北向靠近山墻宿舍的室內風速（1.16～1.94m/s）又相對于中間部位的宿舍風速（0.39～1.94m/s）要大一些。由此可知，中間部位宿舍的室內通風效果相比兩邊宿舍要差一些。因此，此次改善主要部位是針對各層中間宿舍。在此理論的基礎上，對原有宿舍樓局部進行修改，列出幾個模式來進行室內的風環境模擬分析。

4.2改善措施

從圖4～圖6可知，8#樓的兩側的風速、風壓都是要大于中間部位的。說明兩側（山墻向）的宿舍自然通風會比中間宿舍好一些。因此，為改善各種中間部位宿舍的風環境，運用文丘里效應，在不改變開窗大小與位置的情況下，通過在將中間的宿舍改造為半室外空間，形成“文丘里管（Venturi tube）”來提高室內空氣流動速度，從而產生低壓來改善相鄰宿舍的室內風速。通過對宿舍內部半室外空間進行調整，再進行風環境數值模擬（見圖7）。

圖6　現有2～6層風速云圖

圖7　 8#樓（模式2-5）室內各層1.2m高度風速分布平面圖

模式2，將公寓各層中間部位的南北向宿舍打通作為半室外空間。從圖7中模式2可知，相比于模式1（見圖6）的中間部位，室內風速提高了很多。但北向左右相連宿舍的室內風速沒有受到明顯影響。

模式3，將公寓各層中間部位的南向單獨一間宿舍改為半室外空間。從圖7中模式3可知，相比于模式1，南向中間的內廊室內風速得到提高，但相鄰北向的宿舍風速沒有提高。

模式4，將公寓各層中間部位的南北向宿舍（錯開）改為半室外空間。從圖7中模式4可知，相比于模式1，中間內廊的風速得到提高。而相比于模式2、3，錯開后的室外空間使得相鄰的北向宿舍風速得到提升，且影響的宿舍數量較多。

模式5，將公寓各層中間部位的南北向宿舍（南向一間，北向兩間）改為半室外空間。從圖7中的模式5可知，相比于前面四個模式，內廊和相鄰宿舍的風速都得到提升，而且影響范圍比其他四種模式都大。但是，宿舍數量減少，過于浪費公寓面積。

小結:模式2，通風效果明顯，但影響宿舍的數量少；模式3，通風效果不明顯，且影響范圍小；模式4，通風效果明顯，而且影響范圍相對于模式2、3要多；模式5，通風效果明顯，影響范圍也大，但過于浪費宿舍樓使用空間。由此可知，模式4，相比于其他模式更有利于自然通風，更加合理。而據國內相關學者研究表明，在夏季高溫環境下，吹風（增加空氣流動）可以在一定程度上改善室內熱環境，提高人體熱舒適感［8］。而從節能角度出發，用增大空氣流動來補償溫度的升高有重大意義［9］。

5　自然通風能耗分析比較

2015年8月學校集體安裝空調，用以改善室內環境，建筑能耗必然會增加。因此，為了解自然通風與建筑節能的關系，運用清華大學開發的建筑熱環境軟件DeST—Vent模塊計算建筑自然通風區域的空調（假設為中央空調系統）能耗情況，分析建筑能否在夏季（過渡季節）或外溫適宜時，充分利用自然通風及室外溫度允許的情況下不用空調，或減少空調使用時間，降低空調負荷，減少建筑能耗。

5.1建筑模型和主要圍護結構熱工參數

由于8#樓底層為設備間，沒有宿舍，但高度保留，整棟樓按五層考慮，DeST模型可視化如圖8所示，主要外圍護結構域參數設置如表3所示。

圖8　8#樓DeST模型（不含一層）

表3　圍護結構熱參數

5.2能耗模擬計算參數設置

根據《夏熱冬冷地區居住建筑節能標準》（JGJ134-2010）的要求，宿舍樓室內環境參數設置如表4。

表4　室內模擬熱參數

5.3DeST模擬與實測對比分析

圖9　室溫計算值和實測室溫的逐日變化趨勢參考

目前，建筑風環境的研究方法主要采用現場實測和數值模擬計算等［4］，通過將兩者的結果進行比較，能有助于研究建筑風環境，提高分析結果的說服力。所以，為了驗證DeST數值模擬的可行性，特意抽取一間宿舍（307）進行現場實測。實測儀器采用德國德圖testo 405-V1風速儀（0～10m/s），測試點位于宿舍幾何中心，1.2m高處。通過隨機抽取三個月中，定時溫度實測的結果與DeST逐時模擬結果進行參考，如圖9，發現現場實測的溫度記錄與數值模擬分析的數據非常類似，房間溫度計算誤差的最大值、平均值及方差分別為1.85℃、1.15℃、0.67。由此可知，數值模擬分析的結果，真實性較強，為后面的數值模擬分析提供了可行性依據（由于2015年7月10～12日，蘇州受臺風燦鴻的影響，可能會影響連續幾天的氣溫）。

5.4模式1與模式4的能耗模擬分析

為了較為符合實際通風效果，根據PHOENICS的模擬數據計算，將模擬4的室內換氣次數由模式1的1～5次/h增加到5～10次/h。再通過DeST-Vent模塊模擬分析兩種不同模式的建筑能耗。

首先，在總體上，如圖10所示，模式4相比于模式1，由于增加了中間部位的半室外空間，從而提高相鄰宿舍的室內風速，縮短了夏季（過渡季節）空調開啟的時間。全年累計冷負荷指標，由12.78 kW·h/m2到12.46 kW·h/m2，下降了0.32 kW·h/m2，同時最大冷負荷指標也有所下降。因此，8#樓在夏季（過渡季節）加強自然通風，能減少空調冷負荷（能耗）。但由于增加了室外空間，相對減少了兩間宿舍的使用面積，在總體的經濟性比較上可能會受到一定的影響。

圖10　DeST模擬不同模式建筑能耗結果

其次，在個體上，如圖11所示，模式4的各層全年最大冷負荷、空調季累計能耗及空調季平均冷負荷都比模式1有所降低。由于受屋頂保溫層的影響，頂層相比于標準與室外有更多的圍護面積，其導熱、輻射的傳熱量也會更多。每種模式的第六層相比于標準層的負荷都要高，也間接的證明了模擬分析的合理性。由此可知，通過夏季（過渡季節）的自然通風能改善室內環境，減少建筑空調負荷。

圖11　不同模式各層空調冷負荷模擬結果

6　結語

（1）結合蘇州的氣候特點，通過模擬室外風環境得出，8#樓的迎風面與背風面存在一定的壓力差，存在運用自然通風（風壓通風）的前提條件。（2）在蘇州夏季（過渡季節）時，8#樓通過合理的調整局部空間（運用文丘里效應），適當增加半室外空間，能有效的增加內廊式公寓相鄰房間的風速，改善一定數量宿舍的室內熱環境。（3）通過對不用模式的能耗模擬分析后發現，在夏季（過渡季節）時，8#樓合理運用自然通風，能有效的降低建筑空調系統的冷負荷，從而達到建筑節能的目的。

［1］饒永.合肥地區高校宿舍室內熱環境研究［D］.合肥:合肥工業大學，2012:1-2.

［2］中國氣象局氣象信息中心氣象資料室，清華大學建筑技術科學系.中國建筑熱環境分析專用氣象數據集［M］.北京:中國建筑工業出版社，2005.

［3］All Regions:Asia WMO Region—China:U.S.Department of Energy［EB/OL］.［2015-02-25］.http://apps1.eere.energy.gov/buildings/energyplus/cfm/ weather_data3.cfm/region=2_asia_wmo_region_2/country=CHN/cname=China.

［4］楊麗.綠色建筑設計——建筑風環境［M］.上海:同濟大學出版社，2014.

［5］劉小芳，李寶鑫，蘆巖，等.既有圍合場地中建筑布局對室外風環境的影響分析［J］.建筑節能，2013，41（6）:62-73.

［6］陽麗娜.建筑自然通風的多解現象與潛力分析［D］.長沙:湖南大學，2005.

［7］張國鋒，鄭志，劉塨.淺析廈門地區高校公寓自然通風［J］.福建建筑，2011（3）:44-46.

［8］談美蘭，李百戰，李文杰，等.夏季空氣流動對人體熱舒適性的影響［J］.土木建筑與環境工程，2011，33（2）:70-73.

［9］嵇赟吉，高屹，王曉杰，等.空氣流速對人體熱舒適影響的研究［J］.蘭州大學學報（自然科學版），2003，39（2）:96-99.

［10］中華人民共和國住房和城鄉建設部.JGJ134 2010夏熱冬冷地區居住建筑節能設計標準［S］.北京:中國建筑工業出版社，2010.

The research on the indoor air environment of corridor student apartments——A case study of graduate student dormitories in SUST

ZHANG Kang
（School of Architecture&Urban Planning，SUST，Suzhou 215011，China）

The paper presents the numerical simulation and the actual recording analysis on the indoor air environment of the graduate student dormitory（8#）on Jiang Feng Campus of SUST in order to study the indoor air environment of the corridor student apartments in the Suzhou area.Based on the Venturi effect（Venturi effect），the local architectural space was adjusted to improve the indoor air environment during summer（transitional season）.Meanwhile，the DeST was used to analyze the impact of differentmodes of the indoor air environment on the annual energy consumption of the building.

wind environment；numerical simulation；DeST；energy consumption

TU83

A

1672-0679（2016）03-0054-05

2015-09-08

張康（1987-），男，湖北孝感人，碩士研究生。

（責任編輯:盧文君）