基于自然通风模拟的建筑入口门斗长宽比研究——以杭州地区过渡季节为例

文／冯维佳 浙江大学建筑工程学院 硕士研究生

杨 毅 浙江大学建筑设计研究院有限公司 院 长 博士生导师（通讯作者）

陈锦韬 浙江大学建筑工程学院 硕士研究生

邢浩威 浙江大学建筑设计研究院有限公司 博士后

引言

2020年9月，习近平总书记在第七十五届联合国大会上提出，中国的二氧化碳排放量力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和[1]。建筑部门是能源消费的三大领域（工业、交通、建筑）之一，造成了大量直接和间接的碳排放量。在当前“双碳”目标背景下，建筑行业具有极大的减碳潜力。

自然通风主要是指利用自然手段（热压、风压等）来促进室内空气流动而进行的通风换气方式，是当今生态建筑采用的主要通风方式[2]。研究发现，利用自然通风来节省建筑能耗，降低建筑碳排放量是一种切实可行的方式，自然通风的优势不仅在于它的节能，如果设计得当，它还可以提升室内环境的舒适性及空气品质[3]。

目前已有大量学者研究寒冷地区门斗及入口空间对室内环境的影响。如王太洋等[4]对东北严寒地区商业建筑入口前庭形态进行模拟研究，得出增加前庭平面外侧面宽，减少内侧面宽可一定程度控制冷风渗透问题的结论；安法润等[5]通过流体力学软件及多区域网络模型软件耦合计算，研究了有无阳台情况下冬季济南某高校宿舍室内通风情况，结果表明有阳台时平均通风量比无阳台时低22.48m3/h，且有阳台时东北和西南侧宿舍通风量最大。

但当前缺少夏热冬冷地区建筑门斗及入口空间对室内风环境影响的研究。为提高夏季和冬季建筑的能源利用效率，杭州地区建筑入口处常常设有门斗结构，然而在过渡季节门斗可能会给室内自然通风带来一定的影响。为提高门斗在春秋过渡季节的适应能力，本文基于绿色建筑理念，利用PHOENICS软件进行模拟分析,对某建筑大厅门斗的自然通风情况进行了定量分析，为该建筑实现良好的自然通风效果奠定了基础，同时也为类似建筑大厅的自然通风优化设计提供了思路和参考。

1 研究方法

1.1 研究对象及边界条件

本研究以杭州地区2005年5月1日的天气状况为环境条件，拟以一个设有门斗的长宽高为40×20×5m的大厅作为研究对象，以门斗的长宽比作为自变量，即依次将门斗的宽度调整为0m（即无门斗）、2m、2.67m、4m、8m（长宽比分别为0，4 : 1，3 : 1，2 : 1，1 : 1），其他条件均保持不变，进行五次模拟。探究在给定环境条件背景下，门斗对大厅风环境、压力场产生的影响以及其长宽比对室内风环境产生的不同效果。

1.2 研究内容

基于PHOENICS软件对上节所述5种不同的门斗的门厅内部空气流场进行模拟，对比分析三种不同情况下大厅内气流与温度分布特点，并判断门斗空间长宽比对大厅内风环境有何影响，得出最佳的门斗长宽比。

1.3 模型及参数设置

基于PHOENICS中计算域的设计原则，计算域设定为620×440×55m，分别对应坐标系X、Y、Z轴。计算域左侧为进风口，右侧为出风口（图1）。考虑模型的可行性与可操作性，将现实中的建筑简化为下图物理模型（图2）。在大厅北面设有5×2.5m的出风口。门斗保持长度（L）以及高度（H））尺寸不变（8×3.5m），以保证垂直风向面积相等为28m2，门厅宽度分别采取0m、2m、2.67m、4m、8m进行对比。

图1 计算域大小及相对位置（图片来源：作者自绘）

图2 大厅出入风口示意图（图片来源：作者自绘）

1.3.1 网格划分

本次研究中划分工具采用PHOENICS自带网格工具进行网格划分，整体以均匀网格为基础，X轴、Y轴方向于大厅内部适当加密。本例共划分网格111×120×35个，共462000个。

1.3.2 边界条件

风场入口为计算域左侧，以2005年5月1日14:00时的环境状况设定，风速为4m/s，温度为25.6℃。

1.3.3 计算曲线

PHOENICS数值模拟代数方程的终止标准按连续性方程与动量方程残差为10-2，本次模拟迭代次数设定为1000次。

2 模拟结果与分析

根据模拟结果（图3），发现不同门斗的门厅内部风速变化主要集中于出入风口之间，故将测点集中分布，为5×5m网格（图4）。

图3 1.5m高度处X-Y轴截面风速场模拟结果图（图片来源：作者自绘）

图4 测点分布示意图（图片来源：作者自绘）

对比建筑大厅无门斗与设有门斗（表1）的模拟情况，可以发现在过渡季节，设有门斗后大厅内人体活动高度（1.5m处）风环境的平均风速下降约0.43m/s，且室内最高风速也有所下降（表2）；在不同门斗长宽比情况下，当门斗长宽比为4 : 1时，室内测点平均风速以及中位数最大，且通风量最优；当门斗长宽比为2 : 1时，室内通风量最差且平均风速不佳（图5）。

表1 有无门斗室内平均风速对比（表格来源：作者自绘）

表2 不同长宽比门斗的室内风环境对比情况（表格来源：作者自绘）

图5 不同长宽比门斗的室内风环境情况折线图（图片来源：作者自绘）

结语

（1）在杭州地区过渡季节，建筑大厅设有不同长宽比门斗后对厅内风环境产生不同程度的改变，因此在对入口采取门斗结构的建筑，应考虑其对室内风环境造成的影响。

（2）模拟结果表明，在四种不同长宽比门斗方案中，当门斗长宽比为2 : 1时，厅内通风量最差且平均风速不佳，不适宜用于杭州地区过渡季节建筑室内通风。

（3）综合门厅内部风环境情况，在所选定的四种不同长宽比的门斗方案中，位于杭州地区的案例建筑当门斗宽比为4 : 1时，过渡季节室内自然通风效果最佳。