建筑腔体对室内风环境的影响及模拟分析*

邓孟仁 郭昊栩 熊胜洋

(1.华南理工大学 建筑设计研究院∥建筑学院， 广东 广州 510640; 2.柏涛建筑设计(深圳)有限公司， 广东 深圳 518000)

建筑腔体对室内风环境的影响及模拟分析*

邓孟仁1郭昊栩1熊胜洋2

(1.华南理工大学 建筑设计研究院∥建筑学院， 广东 广州 510640; 2.柏涛建筑设计(深圳)有限公司， 广东 深圳 518000)

腔体是超高层建筑塔楼的外向型公共空间，不同腔体的布局和尺度差异会影响建筑的室内风环境.文中研究了腔体在过渡季节通过烟囱效应的拔风作用对室内自然通风状况进行改善的可能;通过选取广州地区南向接触式腔体为研究对象，建立简化的概念模型，借助特定的风环境模拟软件对室内风速、PMV-PPD(预计平均热感觉指数和预计不满意者百分数)进行计算分析.结果显示，通过设置合理的腔体高度、腔体进出风口大小及位置，可以使大多数楼层在过渡季节获得稳定的自然通风，并使室内热环境处于人体舒适范围内．

建筑腔体;超高层建筑;自然通风;模拟

随着城市化的深入，容积效率惊人的超高层建筑在我国的大中型城市相继涌现，成为新的地标.除了形式的标志性，这类建筑室内热舒适主要依赖空调系统，其耗电量通常占建筑能耗的40%以上[1]，由于能耗基数较大，其生态与节能一直是学术界的研究热点.其中，腔体研究在实现节能、改善环境方面表现了突出的生态性前景.腔体对建筑的环境调节作用具有地域性和季节性[2]，本研究将关注我国南方夏热冬暖地区超高层建筑的腔体调节作用机制，以无论在拟建还是已建数量均在国内位居前列的广州为样本.已有研究表明，该区域过渡季节(4、5、10、11月)具有利用自然通风改善室内热舒适的环境条件，这一时段将是本研究的主要模拟时段[3].文中拟从室内风速和热舒适两个侧面同时切入，以计算机模拟的理想环境状态为前提，以期为超高层建筑的腔体设计决策提供生态节能依据[4]．

1 研究设计

建筑腔体在运作机制上与生物腔体相似，指在建筑内部采取适宜的空间体形，运用相应的技术措施，利用或辅助利用可再生能源，高能低耗地营造出具有舒适宜人内部环境的建筑空间[5- 6]．

本研究拟对广州某超高层办公建筑作出设计简化，设定相同的体量和边界条件，以腔体的高度、进出风口的形态关系等为变量，通过Phoenics软件进行模拟计算.为兼顾案例的典型性与研究的实用性，本研究选取南向接触式腔体为研究对象(见图1)．

1.1 模拟单元设置

为了简化研究，将超高层办公建筑的标准层简化成最为常见的正方形，平面尺寸为50 m×50 m，层高4 m，核心筒居中，尺寸为25 m×25 m.腔体占标准层面积的12%，尺寸为50 m×6 m.参照《公共建筑节能设计标准》，按可开启窗墙比10%计，在腔体模型的东、西、北3个朝向分别开设40 m×0.5 m的通风窗，在腔体南向界面上、下各开设一个40 m×0.25 m的风口，同时在功能房间与腔体的接触面上每层离地1 m处开设高度1 m的矩形条窗，如图2所示．

图1 超高层办公建筑接触式腔体示意图

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

图2 腔体模型示意图

1.2 模拟方法

由于Phoenics软件并不能直接读取气象数据，而需手动输入边界条件，因此针对室内风环境的模拟，本研究拟分两步完成:

(1)通过Designbuilder软件建模及运算，获取模拟单元各通风窗口的瞬时空气流量及6个壁面的温度，作为下一步模拟的边界条件[7].当模拟热压通风时，在软件中将每个通风窗的风压系数设置为0;当模拟风压通风时，将该系数设置为1．

(2)在Sketchup中建模并导入Phoenics软件，输入上一步获取的窗口流量及壁面温度作为边界条件，并输入软件气候数据自带的室外干球温度及相对湿度值，开启模型的辐射温度按钮，从而通过模拟计算得到室内的风速和PMV-PPD的云图，并提取与评价指标相关的结果[8]．

1.3 计算模型的选取

对于建筑室内风环境的模拟，常用的数学模型有大涡模拟模型(LES)和标准k-ε模型等.其中标准k-ε模型具有计算成本低、时间短、精度高的特点，因而本研究选取标准k-ε模型进行模拟，k-ε标准方程为

(1)

式中，k是湍动能，ε是耗散率，μ是流体动力黏度，μt是湍动黏度，ui是时均速度，ρ是流体密度，t是时间，Gk是由层流速度梯度产生的湍流动能，Gb是由浮力产生的湍流动能，YM是由可压缩湍流中过渡的扩散产生的波动，C1ε、C2ε、C3ε是常量，σk和σe是k方程和e方程的湍流Prandtl数，Sk和Sε是用户定义的参数．

1.4 边界条件设置

模拟地点设定为广州(北纬23.06°，东经113.15°)，模拟时间选为过渡季的5月1日下午15：00.采用软件自带气象数据，读取当时的室外干球温度为24.8 ℃，相对湿度为70%.功能房间的室内人员密度为10/人，设备功率密度为20 W/m2，照明功率密度为9 W/m2，腔体空间不考虑人员及设备.室内人员着衣率设置为0.6，活动程度为静坐[9]．

1.5 评价指标

(1)室内平均风速.选取各层功能房间人体主要工作高度1.0 m 处截平面的平均风速作为评价指标进行分析.相关研究结果显示:当室内空气温度为27.1～29.0 ℃，相对湿度为84%～90%时，室内气流速度达到0.05～0.20 m/s可以使人的生理感觉处于舒适范围[10].通过Designbuilder软件模拟可以读取出模型各层功能房间的室内辐射温度约在28～31 ℃之间.由广州地区的焓湿图可知，每年4、5月的过渡季相对湿度约为70%～90%[11].因此，文中拟采用0.05～0.20 m/s作为室内较为舒适的风速范围．

(2)热舒适评价指标PMV-PPD.室内热舒适涉及到温度、湿度等多种气候因素，目前国际上最为全面的热舒适度评价指标为PMV-PPD(预计平均热感觉指数-预计不满意者百分数).该指标以生理学和心理学的主观热等级为出发点，综合考虑了风速、相对湿度、空气温度、平均辐射温度、人体活动程度

和衣服热阻6个因素[12].通过把实验得出的 4 种新陈代谢率下的热感觉数据进行曲线回归分析，得到新的扩展方程:

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

(2)

式中:M为人体新陈代谢率，W/m2;L为人体热负荷，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为人体所做的机械功，指人的活动状态，W/m2;Pa为水蒸气分压力，mmHg;θa为空气温度，℃;θc1为衣服表面平均温度，℃;θmrt为平均辐射温度，℃;fc1为穿衣面积系数;h1为对流换热系数，W/(m2·K)．

该方程描述了给定热环境下，人体处于一定运动水平时的实际散热量和达到最佳舒适(热中性)所需的散热量差值.其计算结果 PMV 的取值范围是-3～3，-3、-2、-1、0、1、2、3分别对应人体的不同冷热感觉(冷、凉、微凉、适中、微暖、暖、热)．

在我国《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》中，对室内适宜的PMV-PPD 值规定为:-1≤PMV≤1，PPD≤27%.因此，文中拟选取各层功能房间人体主要工作高度 1.0 m 处截平面的平均PMV 和PPD 值作为评价指标进行分析，并确定该指标的舒适范围为:-1≤PMV≤1，PPD≤27%．

2 影响室内风环境因素的模拟分析

2.1 腔体高度

一般而言，腔体的高度越高，则热压拔风作用越强，本组模拟以腔体高度为变量，旨在探讨其对室内自然通风的影响，以确定一个合适的腔体高度范围[13].由于广州地区在过渡季静风率较高，因而不考虑风压通风对室内风环境的影响.本A组模拟共分为4个工况，分别编号为A1-A4，并使各工况的边界条件保持一致，如图3所示．

图3 A组模拟模型设置

利用Phonics软件对4个不同高度腔体模型的热压拔风效应进行模拟，结果如图4所示.从图中可知，随着腔体高度的增加，其热压作用对功能房间的拔风效果随之增强，且上部功能房间的风速要明显大于下部功能房间.由于中和面的存在，上部房间开口产生负压，热气回灌现象明显，影响室内热舒适.就腔体而言，内部最大风速出现在中部位置(如表1所示).过大的风速不仅影响室内的人体热舒适，产生噪音对办公环境形成干扰，而且导致腔体内部气流紊乱，难以有效控制，还增加了发生火灾时的窜火速度和救援难度.综合各种因素，不应一味地追求拔风效果而将腔体设计得越来越高，合理的腔体高度应控制在6～9层(约25～40 m)．

图4 4种工况下纵剖面室内风速对比

表1 4种工况下腔体内部的最大风速

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

工况编号腔体高度/m腔体内部最大风速/(m·s-1)A148091A296231A3144382A4192395

一个通高的大腔体可以视为若干个独立小腔体的竖向叠合.可以通过合适的楼板分隔将腔体的拔风效应控制在一个合理的范围内[14- 15]，这样有利于结合避难层设置腔体的进出风口(现行防火规范规定，超高层建筑每隔50 m需设置一个避难处).同时，若将腔体与中庭、边庭等结合起来设置，多个小腔体也有利于为内部使用人员提供更多的公共空间和更舒适的空间尺度.因此，本研究以高度较小的腔体模型(6层)作为研究对象进行分析．

2.2 腔体进出风口形态

在热压通风作用下，腔体的进出风口的空气流量会对室内风环境产生重要的影响，流量多则室内风速较大,而腔体进出风口的面积比例、开窗率及位置均是窗口流量大小的关联因素,因而在B(以腔体进出风口面积比为变量)、C(以腔体开窗率为变量)、D(以腔体进出风口位置关系为变量)组模拟中，将分别以此为变量，研究其对室内风环境的改善程度.具体模型设置如图5所示，并保证各工况边界条件一致．

2.2.1 室内风速分析

各工况模型纵剖面的室内风速分布云图如图6所示，从第1层到第3层，室外冷空气经由功能房间进入腔体，形成自然通风，并随着楼层的增加风速逐渐减小.到了第4 层，室内风速几乎为0，这是由于腔体的中和面效应，使这个高度的室内、外压强相等，因此风不再流动.到了第5 层和第6 层，由于腔体上部压强持续增大，室内热气流一部分由腔体的上窗口排出室外，另一部分由腔体进入功能房间后，从东、北、西三面的窗户排出室外，并随着楼层的增高，室内风速逐渐变大.除位于中和面的中间楼层外，其余楼层均可实现自然通风．

将各工况的各层功能房间的平均风速进行整理，结果如表2所示.结果显示:对于B组的4个工况，当进风口和出风口面积比为1∶2(B4工况)时，其各层功能房间的平均风速较优;对于C组4个工况，当腔体开窗率为10%(C2工况)时，其各层功能房间的平均风速较优;对于D组4个工况，当在腔体东/西向下面设进风口、南向上面设出风口(D4工况)时，其各层功能房间的平均风速较优.对比各组工况发现，当腔体开窗率为20%时，该工况的整体平均风速相对其他工况而言较差.因此，在仅依靠热压作用的前提下，并非将腔体的进出风口面积设置得越大越有利．

图5 B、C、D组模拟模型设置

楼层编号室内平均风速/(m·s-1)B1B2B3B4C1C2C3C4D1D2D3D4102202302502602202302002002302402102620160170190210160170160160170190160203008010013015009010010010010012009012400200100300700100100200400100200100250120100050020110100050020100080100096016015013012015015012010015014015015平均013013013014012013011010013013012014

2.2.2 热舒适分析

选取B2工况的PMV-PPD云图进行分析(如图7所示)，结果显示:仅在热压作用下，室内各层功能房间的PMV平均值都在0.5～1.2，PPD 值在13%～33%，与规范规定的舒适范围-1≤PMV≤+1、PPD≤27%较为接近;云图色块分布相对均匀，仅在核心筒北侧部分区域的热舒适较差.这是因为受核心筒的阻挡，在此区域形成了风影区，空气流动微弱所致.另一方面，第4 层与第6 层的PMV 和PPD 值相对其他楼层高，这是由于第4层处于中和面，其室内风速极小，因而室内热舒适度差.而第6 层是由腔体顶部积聚的热空气回灌进室内造成的，虽然可以带来较大的风速，但其气流的温度比其他楼层高，因而室内热舒适度也较差．

各工况的各层功能房间平均PMV-PPD值如表3所示.当PMV值越接近0时(不冷不热)，热感觉越佳，当PPD值越小时，对热环境的不满意度越低.结果显示:对于B组4个工况，B4工况各层的平均PMV和平均PPD较优;对于C组4个工况，C2工况的各层平均PMV和平均PPD较优;对于D组4个工况，D4工况的各层平均PMV和平均PPD较优.各工况PMV-PPD的模拟结果基本上与平均风速的模拟结果相符合．

表3 各工况室内PMV-PPD对比

图6 各工况纵剖面室内风速对比

图7 B2工况平均PMV-PPD云图

3 结论

通过多种模拟软件分析了南向接触式腔体对广州地区超高层办公建筑的室内自然通风与热舒适性的改善状况，得出以下结论:

(1)腔体的设置能改善超高层办公建筑室内的自然通风效果，是一种良好的被动式设计策略.广州地处夏热冬暖地区，夏季闷热，仅依靠自然通风无法满足人体的热舒适需求;在冬季，则需封闭门窗以减少室内热量散失，此时采用自然通风会起相反作用.因此仅在过渡季节可以使用自然通风来改善超高层办公建筑内部热舒适，从而减少空调能耗.另外，由于在过渡季节，广州地区的静风率较高，难以形成稳定的风压条件，同时超高层建筑随着高度的增加，室外风速呈梯度迅速增大，导致其可控性较低，因此仅依赖风压形成的自然通风难以被控制在人体舒适的风速范围之内.而依靠腔体烟囱效应的热压拔风作用，则可以使室内获得源源不断的、稳定均匀的风速，对室内热舒适的改善更为有利．

(2)应构建合理的腔体高度.腔体的高度对于拔风作用无疑有重大的影响，高度太小起不到较好的拔风作用，高度过大虽然使拔风效果得到加强，但风速太大会使腔体内部气流絮乱，导致高区功能房间的热量倒灌现象严重，影响其热舒适性.模拟分析结果显示，在实际项目中应对腔体进行合理划分，高度设置在6～9层(25～40 m)较为合适．

(3)室内平均风速与单位时间内通过进、出风口的空气流量有关，而空气流量的多少与进、出风口的面积大小和位置相关.模拟结果显示，当腔体的进风口楼层开窗率为10%时有较好的室内风速，在此基础上当进风口和出风口面积比约为1∶2，或在腔体的东、西向下方外墙设进风口，南向上方设出风口时，将更有利于室内获得良好的自然通风．

(4)PMV-PPD云图结果表明，过渡季节中建筑即使在不使用空调的情况下，通过合理的自然通风仍可以使大部分楼层处于较舒适的范围.对位于中和面附近的楼层，由于几乎没有自然通风，可以考虑单独采用空调来解决其室内热舒适问题．

模拟结果表明，超高层办公建筑的腔体确实能促进室内自然通风，并有助于其在夜间通过通风散热来降低日间空调启动时的初始室内温度，从而达到节能的目的.基于这一结论，在超高层建筑的设计过程中，可以根据不同的使用功能设定不同的舒适性标准，通过内部中庭、边庭、风井与避难层外部开口的结合，形成有效的纵横开放式腔体结构，并将智能化自然通风控制系统与当地气象数据实时联动，以更好地发挥腔体对自然通风的改善作用，减少全空调系统的使用区域与使用时间，营造出真正健康、自然、节能的超高层办公建筑生态环境．

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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

国家自然科学基金资助项目(51278193);中国博士后科学基金资助项目(2012m521602);中国博士后科学基金特别资助项目(2013T60805);华南理工大学中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(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)

邓孟仁(1971-)，男，高级工程师，主要从事建筑设计及理论研究.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