沈陽(yáng)某高校既有圖書(shū)館中庭通風(fēng)分析優(yōu)化

唐晨旭， 金雯歆， 張九紅

（東北大學(xué)江河建筑學(xué)院，沈陽(yáng) 110000）

0 引言

隨著城市化進(jìn)展推進(jìn)，建筑能耗占比愈發(fā)巨大，其中建筑運(yùn)行能耗占建筑全壽命周期能耗的近一半［1］。而既有建筑由于當(dāng)初建造時(shí)建造技術(shù)、材料、觀(guān)念較為落后，運(yùn)行階段能耗往往更大［2］。高校既有建筑由于一般承載高校精神內(nèi)核和歷史信息不宜拆除而高校既有圖書(shū)館建筑由于當(dāng)時(shí)建造材料、技術(shù)等問(wèn)題，往往犧牲通風(fēng)以利保溫。沈陽(yáng)市過(guò)渡季節(jié)風(fēng)力資源優(yōu)良，且溫度適宜，為營(yíng)造建筑內(nèi)過(guò)渡季節(jié)自然通風(fēng)提供有利條件。

高校圖書(shū)館建筑營(yíng)造有利的自然通風(fēng)，可以降低建筑運(yùn)行階段能耗，符合綠色改造原則。目前圖書(shū)館中庭閱覽空間屬于室內(nèi)與室外過(guò)渡空間，設(shè)置得當(dāng)可以改善室內(nèi)通風(fēng)。中庭空間承載一些重要使用功能，休閑閱覽、背誦朗讀等對(duì)噪聲不敏感功能。在室外尚佳的夏季和過(guò)渡季節(jié)，合理利用中庭“煙囪效應(yīng)”引入外部空氣進(jìn)行自然通風(fēng)，能有效改善室內(nèi)熱環(huán)境［3］，改善中庭附近主要使用空間的氣流組織和降低氣體空氣齡，減少新風(fēng)系統(tǒng)使用，從而達(dá)到建筑節(jié)能的目的。

目前國(guó)內(nèi)中庭空間的氣流分布研究較少，一些學(xué)者通過(guò)對(duì)商場(chǎng)建筑、住宅建筑等進(jìn)行實(shí)測(cè)和軟件模擬，綜合證明中庭可有效改善過(guò)渡季節(jié)室內(nèi)熱環(huán)境［4］。一些學(xué)者也對(duì)高層住宅的中庭的驅(qū)動(dòng)力作用、通風(fēng)口面積、位置、數(shù)量對(duì)中庭自然通風(fēng)換氣量的影響做了研究［5］。不過(guò)針對(duì)于圖書(shū)館建筑的中庭通風(fēng)研究較少。

1 研究對(duì)象概況

圖書(shū)館位于遼寧省沈陽(yáng)市和平區(qū)某高校內(nèi)，于1985 年建成并投入使用，具有一定的歷史價(jià)值，承載著每屆學(xué)生的記憶。該圖書(shū)館總建筑面積為16000m2，建筑高度16m，建筑一層為輔助用房，學(xué)生通過(guò)大臺(tái)階直接進(jìn)入2層，2～4層層高均為4.8m；其外墻采用370mm 厚非承重墻；南北方向?yàn)殚営[空間，中庭頂部采用玻璃采光頂。其中庭空間的主要功能為社交與閱覽。高校圖書(shū)館中庭關(guān)于建筑的關(guān)系一般可以分為核心式、線(xiàn)性式、嵌入式、接觸式［6］四種，寒地高校圖書(shū)館出于降低體形系數(shù)等目的，一般會(huì)選擇設(shè)置核心式中庭。研究對(duì)象中庭正是核心式中庭，貫通空間的尺寸為9.6m×7.6m。基本信息如表1所示。

表1 圖書(shū)館基本信息

2 調(diào)研測(cè)試與數(shù)據(jù)分析

2.1 調(diào)研測(cè)試

開(kāi)窗率調(diào)查方式。從10月1日～10月3日連續(xù)觀(guān)察3d，早中晚三次進(jìn)行南北窗戶(hù)開(kāi)窗率統(tǒng)計(jì)。

室外風(fēng)速測(cè)試方式。從10月1日～10月3日在建筑周邊東南西北各設(shè)一個(gè)點(diǎn)，在距離地面1.5m的地方采用量程在0.2～20m/s 的太灣路昌AM-4204HA 熱線(xiàn)式風(fēng)速儀從8：00 記錄到18：00，每2h 記錄一次數(shù)據(jù)，作為節(jié)點(diǎn)風(fēng)速值，并將數(shù)值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

室內(nèi)熱環(huán)境測(cè)試方式。測(cè)試位置是以中庭為中心的周邊閱覽空間和正常閱覽空間。測(cè)點(diǎn)如圖1 所示，每個(gè)點(diǎn)位記錄3次數(shù)據(jù)，之后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。室內(nèi)風(fēng)環(huán)境及熱環(huán)境評(píng)價(jià)對(duì)使用者采用線(xiàn)下發(fā)放紙質(zhì)問(wèn)卷調(diào)查方式，并且針對(duì)每個(gè)樓層的的不同空間進(jìn)行室內(nèi)熱環(huán)境測(cè)試。

圖1 室內(nèi)測(cè)點(diǎn)位置

通過(guò)室內(nèi)實(shí)地調(diào)研內(nèi)部和周?chē)h(huán)境，我們也發(fā)現(xiàn)中庭空間存在網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的天窗，但是不可以打開(kāi)，四角存在尺寸約為1.6m×2.7m的單開(kāi)扇窗戶(hù)。

2.2 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)室外每日平均風(fēng)速測(cè)試結(jié)果，可知該圖書(shū)館周邊室外風(fēng)環(huán)境在1～3m/s 之間，室外風(fēng)環(huán)境宜人，風(fēng)力資源較為優(yōu)良。

我們發(fā)出50 份問(wèn)卷，有效問(wèn)卷為49 份。我們將風(fēng)舒適選項(xiàng)從1～7 進(jìn)行賦值，將“很悶”設(shè)置為1，將“適中無(wú)風(fēng)”設(shè)置為3，將“風(fēng)很大”設(shè)置為6。同時(shí)將室內(nèi)熱環(huán)境測(cè)試與問(wèn)卷相結(jié)合，即記錄被訪(fǎng)談?wù)咚谖恢茫瑢⒃摌菍訁^(qū)域的平均溫度、濕度、風(fēng)速等與問(wèn)卷數(shù)據(jù)聯(lián)系，通過(guò)相關(guān)系數(shù)公式計(jì)算，可知風(fēng)舒適和濕度之間的相關(guān)系數(shù)為-0.439，呈現(xiàn)弱相關(guān)性即濕度較高，感覺(jué)越悶。而風(fēng)舒適和溫度、風(fēng)速之間相關(guān)性不是很明顯。這可能是因?yàn)槭覂?nèi)風(fēng)速受到各個(gè)因素影響，且不穩(wěn)定，在實(shí)驗(yàn)中未得出較明顯的關(guān)聯(lián)。而溫度高低與否，對(duì)應(yīng)著認(rèn)知上的冷與熱，并不對(duì)應(yīng)風(fēng)速高低導(dǎo)致的結(jié)果。在實(shí)驗(yàn)中問(wèn)卷的風(fēng)感覺(jué)和溫度相關(guān)性不明顯。

2.3 問(wèn)題提出

圖書(shū)館冬季采用暖氣空調(diào)聯(lián)合供暖的方式，一般為11 月份至來(lái)年的3 月底。夏季采用空調(diào)制冷的方式，無(wú)特殊時(shí)間限制，隨時(shí)可開(kāi)。通過(guò)調(diào)研我們認(rèn)為該圖書(shū)館目前未徹底充分利用周邊風(fēng)能。室內(nèi)風(fēng)場(chǎng)不均勻，且個(gè)體感受存在比較大的差異性。內(nèi)部氣流組織也存在不合理的地方，中庭空間采用玻璃采光頂集熱但氣流組織不暢，導(dǎo)致中庭空間不僅未充分發(fā)揮其溝通南北閱覽空間氣流組織的功能，甚至于略有阻擋氣流。如何提升既有建筑中庭空間通風(fēng)能力，是我們需要研究的問(wèn)題。

3 現(xiàn)狀模擬分析

3.1 模擬過(guò)程

我們采用目前通用的的CFD 軟件之一AIRPAK對(duì)室內(nèi)氣流做數(shù)值模擬。AIRPAK 軟件是在FLUENT軟件基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一個(gè)工具軟件，針對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)和熱舒適以及氣流組織的模擬。AIRPAK提供多種湍流模型，包含標(biāo)準(zhǔn)k-e模型、零方程等。目前零方程在滿(mǎn)足精度的前提下，較顯著減小計(jì)算量，在此選擇零方程模型。

根據(jù)校園總平面，不影響室外風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行模型簡(jiǎn)化。項(xiàng)目位于市區(qū)，建筑周邊有多棟既有建筑。由于地處市區(qū)，需要考慮周邊建筑的影響，以及城市計(jì)算域長(zhǎng)寬均為研究建筑長(zhǎng)寬的6 倍，高度為研究建筑的4 倍。由于中庭內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在多套外加桌椅和沙發(fā)且位置無(wú)法固定，因此，將模型簡(jiǎn)化如圖2所示。

圖2 模型簡(jiǎn)化圖

根據(jù)沈陽(yáng)1971～2000年氣象平均溫度和月平均風(fēng)速，沈陽(yáng)春季平均風(fēng)速為3.65m/s，秋季平均風(fēng)速為2.6m/s，根據(jù)實(shí)地調(diào)研以及多次模擬，改造對(duì)象中庭空間通風(fēng)較差，故設(shè)置室外平均風(fēng)速在春秋兩季室外風(fēng)速中選擇更低數(shù)值2.6m/s。

經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，春秋主導(dǎo)風(fēng)向略有差別，但是差別不明顯，春初秋末均以偏北風(fēng)更強(qiáng)勁，秋初春末以偏南風(fēng)更強(qiáng)勁，考慮到沈陽(yáng)冬季不宜開(kāi)窗，且實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為故在模擬中設(shè)置風(fēng)向?yàn)槟舷颉?/p>

根據(jù)DB 31/T922-2015《建筑環(huán)境數(shù)值模擬技術(shù)規(guī)程》，氣流進(jìn)口使用速度邊界依據(jù)：V=V1（Z/Z1）a，a根據(jù)地面粗糙程度，將指數(shù)設(shè)為0.22；Z1=10m；V1為設(shè)定距地面Z1的平均風(fēng)速2.6m/s。

針對(duì)模型進(jìn)行合理的網(wǎng)格劃分可采用軟件自帶的六面體網(wǎng)格劃分工具。根據(jù)網(wǎng)格單元應(yīng)為對(duì)應(yīng)尺寸的1/20 的條件［7］，確定改模型網(wǎng)格為x=4.0m，y=3.0m，z=0.72m，同時(shí)在自然風(fēng)口等局部加密。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)無(wú)關(guān)性以及質(zhì)量檢驗(yàn)，確定的網(wǎng)格數(shù)量為3038432個(gè)。

由于計(jì)算區(qū)域的頂面與側(cè)面對(duì)于對(duì)稱(chēng)邊界，速度邊界和壁面均可任意選擇［8］，在此模擬中將頂面與側(cè)面設(shè)置為對(duì)稱(chēng)界面。出流面一般可設(shè)為完全發(fā)展出流界面活速邊界或速度邊界，由于研究建筑下游存在其余建筑，出流面流速與入口流速無(wú)法相同，在此模擬中將出流面設(shè)置為完全發(fā)展出流邊界。

3.2 模擬結(jié)果及分析

（1） 室外氣流組織分析。周邊建筑對(duì)寧恩承圖書(shū)館氣流組織存在影響，室外風(fēng)速分布根據(jù)模擬顯示圖書(shū)館南面進(jìn)氣口空氣流速達(dá)到1.4m/s，與測(cè)試數(shù)據(jù)差別較小，可證明該軟件具有較高的有效性以及此邊界條件設(shè)置比較合理。

（2） 室內(nèi)氣流組織現(xiàn)狀與分析。由于第1 層為地下書(shū)庫(kù)，不涉及中庭改造問(wèn)題，2～4層樓距樓板1.5m風(fēng)速分布如圖3所示。

圖3 室內(nèi)氣流組織模擬情況

室內(nèi)氣流組織現(xiàn)狀。2層中庭空間在靠近樓板洞口的地方出現(xiàn)風(fēng)速最低，將近0.1m/s部分地方空氣流速超過(guò)1m/s。空氣齡在靠近四角位置較大，約為800s左右，空氣流動(dòng)總體上較好，但由于存在穿堂風(fēng)，導(dǎo)致在區(qū)域內(nèi)部分地方氣流速較大。閱覽空間空氣流速不太均勻，南閱覽空間空氣齡比較小，北閱覽空間局部達(dá)到800s 以上。這是因?yàn)槟祥営[空間到北閱覽空間存在一些遮擋物并且北閱覽區(qū)靠近內(nèi)庭一側(cè)窗戶(hù)少于南閱覽區(qū)，通風(fēng)較之南閱覽區(qū)略差。

3層中庭空間出現(xiàn)較明顯的靜風(fēng)區(qū)域。整體空氣流速在0.1m/s 左右。空氣齡在超過(guò)一半面積達(dá)到750s 以上，空氣流動(dòng)差。閱覽空間空氣流速比較均勻，較為舒適，空氣齡大部分面積在750s以下，空氣流動(dòng)較好。

4 層中庭空間平均空氣流速較之3 層更低，空氣齡更高。閱覽空間出現(xiàn)較大面積的靜風(fēng)區(qū)，并且南閱覽空間出現(xiàn)空氣齡超過(guò)750s的較大區(qū)域。

室內(nèi)氣流組織結(jié)論。根據(jù)JGJ/T 309-2013《建筑通風(fēng)效果測(cè)試與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》第3.2.6 條的第2 點(diǎn)規(guī)定：“自然通風(fēng)室內(nèi)，人員活動(dòng)區(qū)空氣流速應(yīng)在0.3～0.8m/s之間。”目前標(biāo)準(zhǔn)對(duì)空氣齡尚未進(jìn)行明確的要求，一般來(lái)說(shuō)空氣齡越大，通風(fēng)越差；空氣齡越小，通風(fēng)越好。通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)健康空氣齡標(biāo)準(zhǔn)一般空氣齡500s［9，10］以?xún)?nèi)視為健康，500～750s 視為較健康，750s 以上為不健康。

結(jié)合以上分析，如模擬分析可得出，目前寧恩承圖書(shū)館過(guò)渡季自然通風(fēng)存在的問(wèn)題，2層風(fēng)速不均勻，局部存在風(fēng)速較大的地方。3、4 層空氣流速顯著下降，空氣齡增高。中庭空間的通風(fēng)作用未充分被挖掘。同時(shí)我們發(fā)現(xiàn)寧恩承圖書(shū)館在建造時(shí)設(shè)置的4個(gè)封閉式內(nèi)庭院，雖然能夠增加室內(nèi)照度，但是增加體型系數(shù)且不便于管理。

4 優(yōu)化方案

基于以上分析，由于該圖書(shū)館建成年代較久，考慮到側(cè)窗的過(guò)梁和圈梁等問(wèn)題，故只針對(duì)天窗設(shè)計(jì)優(yōu)化方案并進(jìn)行模擬。目前我們尚未查閱到針對(duì)于天窗開(kāi)啟面積大小對(duì)室內(nèi)通風(fēng)效果的影響詳細(xì)研究，我們?cè)诖酸槍?duì)側(cè)窗開(kāi)啟與否設(shè)計(jì)兩種情況下進(jìn)行模擬。由于現(xiàn)有天窗水平投影尺寸為9600mm×7600mm，此尺寸亦為中庭空間樓板洞口的尺寸，故我們制定四種大小的開(kāi)啟天窗面積，分別為2400mm×1900mm、4800mm×3800m、7200mm×5700mm、9600mm×7600mm，將天窗設(shè)置位置均設(shè)為中庭樓板洞口正上方，此方式減少阻礙便于氣流流通。

以下占比為云圖中處于健康和較健康空氣齡的氣體占比，不完全代表流體在整個(gè)室內(nèi)空間占比。

（1） 側(cè)窗未開(kāi)啟時(shí)，進(jìn)行模擬分析可得，以距樓板1.5m 距離的各層風(fēng)速云圖和對(duì)比分，當(dāng)開(kāi)啟4800mm×3800mm 和9600mm×7600mm 室內(nèi)流體處于健康和較健康空氣齡占比較大，但是室內(nèi)流體空氣齡不如開(kāi)啟面積更大的方案均勻。在側(cè)窗未開(kāi)啟時(shí)，天窗面積更大的7200mm×5700mm方案的室內(nèi)流體空氣齡處于健康和較健康的占比小于開(kāi)啟面積為4800mm×3800mm的方案。

表2 側(cè)窗全開(kāi)啟空氣齡占比統(tǒng)計(jì)

之所以造成這樣的模擬結(jié)果，分析可能是因?yàn)樽匀煌L(fēng)下通風(fēng)量是由孔口有效面積和孔口兩側(cè)壓力差共同決定［11］。

所以，可能會(huì)出現(xiàn)天窗面積增大，通風(fēng)量并未增加，故而會(huì)導(dǎo)致在天窗可開(kāi)啟面積增加時(shí)，建筑內(nèi)部處于健康空氣齡的占比反而不如天窗可開(kāi)啟面積較小的情況。

如果以空氣齡作為標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)天窗開(kāi)啟面積越大，室內(nèi)通風(fēng)效果越好，新風(fēng)量雖然不存在過(guò)度，但是超過(guò)一定限度，也必然會(huì)伴隨熱負(fù)荷過(guò)度消耗，帶來(lái)不利后果。

（2） 側(cè)窗全開(kāi)啟時(shí)，當(dāng)側(cè)窗全開(kāi)啟時(shí)，我們可以顯著發(fā)現(xiàn)室內(nèi)通風(fēng)效果更加均勻且使得室內(nèi)流體處于健康空氣齡占比更多。此時(shí)天窗大小在等于樓板開(kāi)動(dòng)面積時(shí)候，室內(nèi)流體處于健康空氣齡占比最大。但是當(dāng)側(cè)窗全開(kāi)啟時(shí)候，天窗大小在2400×1900mm、4800×3800mm、7200×5700mm，室內(nèi)流體處于健康空氣齡的占比變化不明顯。

鑒于我們實(shí)地調(diào)研發(fā)現(xiàn)中庭開(kāi)窗率不會(huì)達(dá)到達(dá)到百分之百，整體開(kāi)窗率一般在20%左右，所以結(jié)合以上模擬分析，我們認(rèn)為中庭空間應(yīng)當(dāng)增加天窗可開(kāi)啟面積，且考慮到寒地因素，可開(kāi)啟面積更適宜為中庭空間樓板洞口尺寸的1/2左右。

表3 側(cè)窗全開(kāi)啟空氣齡占比統(tǒng)計(jì)

5 應(yīng)用展望

一般而言，一天內(nèi)平均風(fēng)速曲線(xiàn)具有一定的規(guī)律性，無(wú)論是晴天、雨天還是陰天平均風(fēng)速最大值出現(xiàn)時(shí)間都在午后，最小值在深夜或凌晨［12］。調(diào)研發(fā)現(xiàn)目前該圖書(shū)館窗戶(hù)使用者自主開(kāi)啟關(guān)閉，管理人員并不會(huì)統(tǒng)一關(guān)窗或者開(kāi)窗，這就導(dǎo)致圖書(shū)館室內(nèi)在閉館之后并不能充分通風(fēng)。

鑒于目前已經(jīng)存在智能窗戶(hù)系統(tǒng)，故在人流密集的大型新建公共建筑，可以考慮采取智能窗戶(hù)系統(tǒng)，只是目前市面上智能家居成本較高，是否能夠采用值得商榷。如不能采用，建議讓管理人員在過(guò)渡季早晨開(kāi)館時(shí)統(tǒng)一打開(kāi)窗戶(hù)。

隨著新風(fēng)系統(tǒng)的發(fā)展，目前很多老舊公共建筑更多依靠機(jī)械通風(fēng)以滿(mǎn)足使用條件。市面上也存在著新風(fēng)系統(tǒng)在部分時(shí)候可以代替自然通風(fēng)的說(shuō)法，但是自然風(fēng)所帶來(lái)的1/n的波動(dòng)的舒適性是新風(fēng)系統(tǒng)所不能帶來(lái)的。寒地過(guò)渡季節(jié)風(fēng)力資源優(yōu)良，良好的通風(fēng)設(shè)計(jì)更能因地制宜的實(shí)現(xiàn)建筑的可持續(xù)發(fā)展，降低建筑運(yùn)行周期能耗。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)問(wèn)卷調(diào)查與實(shí)地測(cè)試，可以得出結(jié)論：一般來(lái)說(shuō)，濕度越大，個(gè)體風(fēng)感覺(jué)越低，即個(gè)體會(huì)認(rèn)為風(fēng)速較小，二者存在相關(guān)性。

通過(guò)運(yùn)用CFD軟件分析其中庭空間自然通風(fēng)，基于效益優(yōu)先的原則針對(duì)客觀(guān)因素設(shè)計(jì)三類(lèi)方向，并進(jìn)行模擬分析得出，中庭空間應(yīng)當(dāng)增加天窗可開(kāi)啟面積，但增加天窗可開(kāi)啟面積并不一定會(huì)使得主要使用空間的室內(nèi)流體處于較為健康狀態(tài)占比增加，存在會(huì)下降的情況。所以在既有建筑通風(fēng)改造時(shí)，建議進(jìn)行多方案模擬確定經(jīng)濟(jì)且適宜的天窗開(kāi)啟面積，文中的案例天窗可開(kāi)啟面積更適宜為中庭空間樓板洞口尺寸的1/2左右。