模塊化建筑室內外微環境研究

■ 李楊露西 LI Yangluxi 陳 壘 CHEN Lei

0 引言

室內空氣質量被認為是對人類健康最有影響的因素之一。如果人們長期暴露在室內高濃度的空氣污染物中，污染物劑量超標可能導致一些相關的健康問題[1-2]。迄今為止，相關文獻中的研究主要集中在微環境中的污染物來源方面。例如，家庭中的烹飪活動[3]，家庭和寺廟中的香燭燃燒[4]，各種室內環境中的吸煙，辦公室中的打印（如打印機、復印機），以及工作場所和學校的工業活動等[5]。室內空氣質量指標是建筑使用者的一個重要考慮因素，因為，大多數人每天在室內呆的時間往往超過20 h。面對空氣質量問題，開窗是一個重要的解決方式。目前，已經進行了一些相關的研究調查以評估各種類型窗戶對室內通風的影響。之前的一些論文中[6]已經表明，自然通風對于降低室內污染物濃度的重要性。Heiselberg 等人[7]測量了兩種類型單懸窗的通風率，發現下懸窗是冬季通風的首選，因為，空氣會被帶入居住區域外的房間，這種窗戶便于通過改變開啟角度來控制通風效果。此外，側懸窗對房間通風會產生負面影響，因為，空氣直接吹到居住區域。Gao和Lee[8]從門窗等開口位置的角度研究住宅房間的通風性能，這項研究提出，合理的窗戶位置和建筑朝向的改變可以對室內自然通風性能產生積極影響。Grabe 等人[9]對通風率進行了研究，基于風壓通風的原理，受典型窗戶的影響，證明了流速與窗戶類型密切相關。Awbi[10]還提出了流量系數的概念，以測量通風的變化，這取決于雷諾數和建筑開口的幾何形狀以及建筑物內外的壓差。

除窗戶之外，陽臺被認為是另一個影響室內通風環境的因素。陽臺是與自然相連的戶外空間，特別是對于居住在亞熱帶氣候地區的居民來說，它可以為居住者提供通風以減少空氣污染，還可以在一定程度上減少一部分建筑物供暖和制冷負荷。但是，對于自然通風，陽臺會影響建筑物表面入口處的風壓，進而影響室內房間的通風性能[11-12]。不同樓層的陽臺對房間通風有不同的影響。由于入口迎風處壓力的分布不同，中間樓層的通風性能優于多層建筑的地面和頂層。陽臺的大小與房間的通風性能無關[13]。但是，如果陽臺的深度太大，則會對室內通風條件產生負面影響，因為，陽臺會阻止外面的氣流，就像一個緩沖空間[14]。將陽臺結合到建筑物中也存在一些缺點。Prianto 和Depecker[15-16]使用數值模型模擬了兩層住宅的陽臺效應，發現建筑開口和陽臺有利于增加室內自然通風，但內部隔斷可能會降低室內通風效率，從而對熱帶潮濕地區的熱舒適性產生負面影響。

模塊化建筑是近年來新興發展起來的，以其可在短時間內完成建造的預制能力而聞名[17]。研究發現，預制模塊化建筑可以在設計和建筑服務管理方面提供較大的靈活性[18]。德國農業協會發表了一份測試報告，說明了模塊化系統為雞舍提供通風的積極作用[19]。

過去的許多研究，通過計算流體力學（CFD）模擬說明自然通風系統的使用及其性能。然而，對模塊化住宅的通風條件和開窗位置的影響仍缺乏研究。本研究中，通過評估不同建筑中的通風條件，研究了模塊化住宅中的風速放大問題。目的是對不同平面布置方案的模塊化住宅的通風氣流特性進行探索。本研究的創新之處在于，研究模塊化房屋的通風特性，研究的結果有助于未來模塊化住宅的設計，通過布置窗戶和浴室的位置來促進室內氣流流動，從而促進污染物的消散，改善室內空氣質量。此外，通風原理可以分為風壓通風與熱壓通風兩種類型，本研究針對風壓通風驅動的自然通風效果進行研究[20-21]。

1 研究方法

1.1 模型設定

圖1 是采用fluent 軟件進行計算的流場模型。該模塊的尺寸為長×寬×高=8 400 m×5 400 m×3 000 m。根據Franke[22]和Tominaga等人[23]的研究成果，計算域的上游和下游尺寸分別需要達到5 倍的計算域高度和15 倍的區域高度。最終計算域的整體尺寸為長×寬×高=68.4 m×65.4 m×15 m，最大阻擋率為0.20%，低于推薦的值5%。域中最小和最大的單元體積分別約為8 m×10 m-6 m 和0.125 m3。從墻體相鄰單元的中心點到墻體的長度約為0.020 m。這些數值將保證墻體相鄰單元的中心點被置于對數層中，以便充分利用標準壁面函數。

圖1 ICEM 生成的網格條件

與此同時，針對模擬的網格設置，還進行了網格敏感性分析，目的是平衡誤差和計算的時間。模擬使用了三種類型的網格，根據線性因子√2 將不同的網格分為三種類型：粗網格、中網格和細網格。粗網格221萬個，中網格301 萬個，細網格425萬個。此外，上述三種類型對應的最小網格尺寸范圍為0.038、0.027 和0.014 mm。考慮到研究目的，圍繞室內通風特性，在房間兩側設置兩條水平測試線，比較不同網格的效率，對比三種網格在1.5 m 處兩條水平線的風速情況。所有模擬均采用上海當地平均風速 3.4 m/s 作為初始風速。結果表明，這三種類型的網格分別具有不同的風速放大值即測點風速與參考風速的比值，其中，參考風速指的是入射風速和風向。沿著測試線的粗網格和中網格之間風速放大值的平均偏差為1.2%，而細網格和中等網格之間的偏差也基本相同。因此，本研究決定采用中等網格的精度進行模擬分析，足以達到研究的要求。

1.2 模塊尺寸的確定。

根據上述關于模塊化房屋的描述，一個完整的模塊式居住單元由幾個已建成的組件組成。其中，浴室模塊是較完整的單元之一，它具有較高的完整性，包括安裝在模塊中的衛生器具。圖2 展示了建筑設計資料集中常見的模塊化浴室模式的一些詳細圖表。為了在保證模塊尺寸和節約面積之間尋求最大的平衡，整個模塊化房屋的尺寸是根據浴室模塊尺寸生成的。圖2d 表明模塊化住宅可以通過卡車進行整體運輸。這是模塊化房屋的一個優勢，可以節省施工時間，有助于解決住房問題。在本研究中，研究了整體浴室、窗戶和陽臺的不同位置對模塊化房屋室內通風的影響。研究中的模塊化房屋尺寸是通過一些相關文獻和浴室常用尺寸來確定的。

圖2 模塊式房屋的圖示

為了研究模塊的位置對其通風性能的影響，模塊化房屋被設定為兩個部分:A 和B。通過改變兩個模塊的位置可能會產生相應的陽臺空間，這也可能影響室內通風。過去，相關的模塊化房屋研究主要集中在模數和工程執行上，而不考慮流場特性等熱環境。本文對模塊化浴室、窗戶和陽臺的位置進行了研究，探索這些模塊的不同位置對模塊化住宅室內通風的影響。

1.3 工況設定

在本文中，根據模塊和窗戶的位置差異，將模擬分為3 個工況。如圖 3 所示，模塊化房屋由A 和B 兩個模塊構成。三個窗戶分別位于模塊A 的兩個側面和模塊B 的一個側面，入口門位于模塊B 的另一側。在模擬過程中，所有的模擬情況都是在0°的風向下進行，三個窗戶都處于開啟狀態。三種工況按其陽臺的長寬比S來定義，陽臺長為I，寬為W，公式（1）為計算方式，工況1、工況2和工況3 分別對應0、0.5、1。采用模擬的方法對相同通風效果下，兩個模塊的相對位置對室內通風環境的影響進行研究。

圖3 不同工況情況下的平面圖

1.4 評價指標

歸一化風速值VNW(normalized wind velocity)被用來評估不同工況條件下的通風性能，如公式（2）所示，U代表模擬風速，Uref是參考風速，即計算域入口處的3.4 m/s。此外，不同VNW值的面積比例R被用作另一個評估標準，計算方式如公式（3）所示，S1表示某VNW對應值的面積，而S2表示的是總共建筑的面積，以定量評估室內通風狀況。

例如，當公式（2）計算的0～0.2、0.2～0.4 下的VNW面積比S1為20 m2和40 m2，而整個模塊房面積S2為100 m2時，0～0.2、0.2～0.4的VNW面積比R分 別 為20/100 和40/100。

2 研究結果

圖4 顯示了在三種陽臺長寬比S為0、0.5、1 的情況下，在距離地面1.5 m 處水平面上的歸一化風速分布，即工況1～3。圖4 顯示，工況1～3 的風速分布具有不同的特點。對于工況2，氣流在入口處加速，最大速度達到1.0 左右，并從模塊A 的對面出口處離開室內空間，然后氣流沖擊到模塊B 門的位置，產生了一個較大的停滯區，這里的風速最低。在兩個模塊A 和B 之間，氣流在陽臺的角落分離，產生了一個循環區域，可能對室內通風性能產生負面影響。此外，在模塊B 的中心也出現了一個小的低風速區域，該區域由模塊B 入口處的入射氣流產生，VNW約為0.25。

圖4 不同陽臺長寬比情況下的模擬氣流環境

通過擴大陽臺的長寬比，建筑物內的局部平均VNW值明顯下降。除工況1 外，工況2 和工況3 的流動模式仍然相當類似。此外，模塊之間的再循環區域也顯示出隨著陽臺長寬比的增加而擴大的趨勢。例如，工況1 入口處的VNW值為1.50，比工況2 和工況3 相同位置的VNW值1.0 大很多。

圖5 提供了工況1～3 中VNW對應的面積比例概況。在VNW值高的情況下，面積比隨著陽臺深度的增加而減少，而在陽臺長寬比值較高的情況下，面積比大致保持不變。這意味著，當陽臺長寬比大于0.5 時，建筑物陽臺尺寸的變化對內部局部風速的影響比較小。例如，在工況1 中，當VNW為0.6～0.9 時，達到了最高50%的面積比。而在工況2 和工況3中，在0～0.2VNW的范圍內，面積比例就達到了50%。工況2 中基于VNW的面積比概況與工況3 相當。

圖5 工況1 和工況3 中VNW 統計的面積比

比較這三種情況的通風關系，根據上述結果，當這兩個模塊相互對齊時，室內通風環境產生了最佳性能。隨著這兩個住宅模塊錯位程度的增加，由于錯位位置周圍形成的氣流陰影區效應，室內通風環境逐漸變差。然而，當陽臺長寬比大于0.5 時，代表陽臺尺寸的錯位程度對室內通風性能的影響可以忽略不計。通風良好的區域出現在窗戶對面的模塊中，可以產生穿堂風。盡管錯位的住宅模塊對室內通風有負面影響，但所形成的陽臺可以改善室內住宅質量。因此，對于建筑師來說，模塊化住宅設計需要充分考慮不同模塊之間的錯位對室內環境的影響。

除了上述的研究之外，窗戶的位置也是另外一個影響室內風環境的因素，為了研究工況3 中如何改善室內通風條件，在出風口處確定了兩個不同的開窗位置。

工況3A：開窗位于模塊A 出風口的側面

工況3B：在模塊B 的入口對面設置額外的開窗

如圖 6 所示，工況3A 和3B 的側面新增開口代表窗戶位于窗口B 對面的情況，VNW值最高的區域出現在工況3A 的進風口和3B 的出風口。這里需要注意的是，出現在工況3A中入口與出口之間的氣流漩渦區域，會對內部流場產生負面影響，而對于工況3B，在模塊B 的入口窗口位置后面的大區域中形成了較大的風速區，同時，3B 的出風口氣流強度也明顯大于模塊3A 的出風口氣流強度。由此可見，窗口位置的設置會明顯影響室內的氣流情況，例如，在工況3A 中，模塊B 中氣流入口后面區域的VNW達到了0.25，而在工況 3B中，同一位置的VNW為0.00。

圖6 不同窗戶位置對于室內通風的影響

根據圖中具體的統計結果，在VNW0.6～0.8 的范圍內，工況3A 的云圖面積比例明顯大于工況3B 的云圖面積比例。同時，在工況3A 中35% 的面積可以達到最高的VNW值。而在工況3B 中，該最高百分比面積比為25%，遠低于3A。這主要是由于在模塊中形成的漩渦區域中，氣流VNW值最低，接近于0.0。因此，對于模塊化住宅，在氣流的下游，也就是下風處開窗可以有效提高室內風速，有助于污染物的消散。當這兩個住宅模塊處于錯位狀態時，最好將窗口布置于錯位位置的一側，有助于得到較好的通風環境。

通過以上分析結果表明，窗戶和浴室模塊的位置對室內環境的通風性能都有影響。改變兩個模塊 A 和B 的相對位置將產生陽臺空間，也會影響迎風面上的氣流壓力分布情況。因此，由于模塊化房間的位置發生變化，氣壓差也會發生相應的變化，從而導致室內氣流風場情況發生波動。由此可以看出，室內通風性能由模塊化房間的位置以及相應的窗戶位置決定。在本研究中，通過兩個不同窗口位置的工況情況來比較內部流場，以研究最佳開口位置。

3 結語

模塊化房屋的位置可以有效改善住宅的室內通風環境。模塊之間的相對位置、窗戶的開啟位置和浴室/衛生間的位置，都會對房間的通風產生影響。隨著兩個住宅模塊錯位程度的增加，由于錯位位置周圍形成的氣流陰影區效應，室內通風將逐漸惡化。模塊中通風良好的區域在進氣口對面的窗戶處，可以產生穿堂風效應。因此，對于模塊式住宅，在風的下游開窗可以有效地提高室內氣流速度。當兩個住宅模塊處于錯位狀態時，改善室內通風的開窗位置宜位于錯位的一側。另外，在本研究中，研究了由兩個模塊組成的模塊化房屋，以進行室內通風特性研究。此外，模塊化房屋可以分為多種模式，并由多個模塊組合而成，產生各種平面形狀。因此，未來還需要對除上述兩種類型之外的各種模塊化房屋類型作進一步的研究。