模块化建筑室内外微环境研究

■ 李杨露西 LI Yangluxi 陈 垒 CHEN Lei

0 引言

室内空气质量被认为是对人类健康最有影响的因素之一。如果人们长期暴露在室内高浓度的空气污染物中，污染物剂量超标可能导致一些相关的健康问题[1-2]。迄今为止，相关文献中的研究主要集中在微环境中的污染物来源方面。例如，家庭中的烹饪活动[3]，家庭和寺庙中的香烛燃烧[4]，各种室内环境中的吸烟，办公室中的打印（如打印机、复印机），以及工作场所和学校的工业活动等[5]。室内空气质量指标是建筑使用者的一个重要考虑因素，因为，大多数人每天在室内呆的时间往往超过20 h。面对空气质量问题，开窗是一个重要的解决方式。目前，已经进行了一些相关的研究调查以评估各种类型窗户对室内通风的影响。之前的一些论文中[6]已经表明，自然通风对于降低室内污染物浓度的重要性。Heiselberg 等人[7]测量了两种类型单悬窗的通风率，发现下悬窗是冬季通风的首选，因为，空气会被带入居住区域外的房间，这种窗户便于通过改变开启角度来控制通风效果。此外，侧悬窗对房间通风会产生负面影响，因为，空气直接吹到居住区域。Gao和Lee[8]从门窗等开口位置的角度研究住宅房间的通风性能，这项研究提出，合理的窗户位置和建筑朝向的改变可以对室内自然通风性能产生积极影响。Grabe 等人[9]对通风率进行了研究，基于风压通风的原理，受典型窗户的影响，证明了流速与窗户类型密切相关。Awbi[10]还提出了流量系数的概念，以测量通风的变化，这取决于雷诺数和建筑开口的几何形状以及建筑物内外的压差。

除窗户之外，阳台被认为是另一个影响室内通风环境的因素。阳台是与自然相连的户外空间，特别是对于居住在亚热带气候地区的居民来说，它可以为居住者提供通风以减少空气污染，还可以在一定程度上减少一部分建筑物供暖和制冷负荷。但是，对于自然通风，阳台会影响建筑物表面入口处的风压，进而影响室内房间的通风性能[11-12]。不同楼层的阳台对房间通风有不同的影响。由于入口迎风处压力的分布不同，中间楼层的通风性能优于多层建筑的地面和顶层。阳台的大小与房间的通风性能无关[13]。但是，如果阳台的深度太大，则会对室内通风条件产生负面影响，因为，阳台会阻止外面的气流，就像一个缓冲空间[14]。将阳台结合到建筑物中也存在一些缺点。Prianto 和Depecker[15-16]使用数值模型模拟了两层住宅的阳台效应，发现建筑开口和阳台有利于增加室内自然通风，但内部隔断可能会降低室内通风效率，从而对热带潮湿地区的热舒适性产生负面影响。

模块化建筑是近年来新兴发展起来的，以其可在短时间内完成建造的预制能力而闻名[17]。研究发现，预制模块化建筑可以在设计和建筑服务管理方面提供较大的灵活性[18]。德国农业协会发表了一份测试报告，说明了模块化系统为鸡舍提供通风的积极作用[19]。

过去的许多研究，通过计算流体力学（CFD）模拟说明自然通风系统的使用及其性能。然而，对模块化住宅的通风条件和开窗位置的影响仍缺乏研究。本研究中，通过评估不同建筑中的通风条件，研究了模块化住宅中的风速放大问题。目的是对不同平面布置方案的模块化住宅的通风气流特性进行探索。本研究的创新之处在于，研究模块化房屋的通风特性，研究的结果有助于未来模块化住宅的设计，通过布置窗户和浴室的位置来促进室内气流流动，从而促进污染物的消散，改善室内空气质量。此外，通风原理可以分为风压通风与热压通风两种类型，本研究针对风压通风驱动的自然通风效果进行研究[20-21]。

1 研究方法

1.1 模型设定

图1 是采用fluent 软件进行计算的流场模型。该模块的尺寸为长×宽×高=8 400 m×5 400 m×3 000 m。根据Franke[22]和Tominaga等人[23]的研究成果，计算域的上游和下游尺寸分别需要达到5 倍的计算域高度和15 倍的区域高度。最终计算域的整体尺寸为长×宽×高=68.4 m×65.4 m×15 m，最大阻挡率为0.20%，低于推荐的值5%。域中最小和最大的单元体积分别约为8 m×10 m-6 m 和0.125 m3。从墙体相邻单元的中心点到墙体的长度约为0.020 m。这些数值将保证墙体相邻单元的中心点被置于对数层中，以便充分利用标准壁面函数。

图1 ICEM 生成的网格条件

与此同时，针对模拟的网格设置，还进行了网格敏感性分析，目的是平衡误差和计算的时间。模拟使用了三种类型的网格，根据线性因子√2 将不同的网格分为三种类型：粗网格、中网格和细网格。粗网格221万个，中网格301 万个，细网格425万个。此外，上述三种类型对应的最小网格尺寸范围为0.038、0.027 和0.014 mm。考虑到研究目的，围绕室内通风特性，在房间两侧设置两条水平测试线，比较不同网格的效率，对比三种网格在1.5 m 处两条水平线的风速情况。所有模拟均采用上海当地平均风速 3.4 m/s 作为初始风速。结果表明，这三种类型的网格分别具有不同的风速放大值即测点风速与参考风速的比值，其中，参考风速指的是入射风速和风向。沿着测试线的粗网格和中网格之间风速放大值的平均偏差为1.2%，而细网格和中等网格之间的偏差也基本相同。因此，本研究决定采用中等网格的精度进行模拟分析，足以达到研究的要求。

1.2 模块尺寸的确定。

根据上述关于模块化房屋的描述，一个完整的模块式居住单元由几个已建成的组件组成。其中，浴室模块是较完整的单元之一，它具有较高的完整性，包括安装在模块中的卫生器具。图2 展示了建筑设计资料集中常见的模块化浴室模式的一些详细图表。为了在保证模块尺寸和节约面积之间寻求最大的平衡，整个模块化房屋的尺寸是根据浴室模块尺寸生成的。图2d 表明模块化住宅可以通过卡车进行整体运输。这是模块化房屋的一个优势，可以节省施工时间，有助于解决住房问题。在本研究中，研究了整体浴室、窗户和阳台的不同位置对模块化房屋室内通风的影响。研究中的模块化房屋尺寸是通过一些相关文献和浴室常用尺寸来确定的。

图2 模块式房屋的图示

为了研究模块的位置对其通风性能的影响，模块化房屋被设定为两个部分:A 和B。通过改变两个模块的位置可能会产生相应的阳台空间，这也可能影响室内通风。过去，相关的模块化房屋研究主要集中在模数和工程执行上，而不考虑流场特性等热环境。本文对模块化浴室、窗户和阳台的位置进行了研究，探索这些模块的不同位置对模块化住宅室内通风的影响。

1.3 工况设定

在本文中，根据模块和窗户的位置差异，将模拟分为3 个工况。如图 3 所示，模块化房屋由A 和B 两个模块构成。三个窗户分别位于模块A 的两个侧面和模块B 的一个侧面，入口门位于模块B 的另一侧。在模拟过程中，所有的模拟情况都是在0°的风向下进行，三个窗户都处于开启状态。三种工况按其阳台的长宽比S来定义，阳台长为I，宽为W，公式（1）为计算方式，工况1、工况2和工况3 分别对应0、0.5、1。采用模拟的方法对相同通风效果下，两个模块的相对位置对室内通风环境的影响进行研究。

图3 不同工况情况下的平面图

1.4 评价指标

归一化风速值VNW(normalized wind velocity)被用来评估不同工况条件下的通风性能，如公式（2）所示，U代表模拟风速，Uref是参考风速，即计算域入口处的3.4 m/s。此外，不同VNW值的面积比例R被用作另一个评估标准，计算方式如公式（3）所示，S1表示某VNW对应值的面积，而S2表示的是总共建筑的面积，以定量评估室内通风状况。

例如，当公式（2）计算的0～0.2、0.2～0.4 下的VNW面积比S1为20 m2和40 m2，而整个模块房面积S2为100 m2时，0～0.2、0.2～0.4的VNW面积比R分 别 为20/100 和40/100。

2 研究结果

图4 显示了在三种阳台长宽比S为0、0.5、1 的情况下，在距离地面1.5 m 处水平面上的归一化风速分布，即工况1～3。图4 显示，工况1～3 的风速分布具有不同的特点。对于工况2，气流在入口处加速，最大速度达到1.0 左右，并从模块A 的对面出口处离开室内空间，然后气流冲击到模块B 门的位置，产生了一个较大的停滞区，这里的风速最低。在两个模块A 和B 之间，气流在阳台的角落分离，产生了一个循环区域，可能对室内通风性能产生负面影响。此外，在模块B 的中心也出现了一个小的低风速区域，该区域由模块B 入口处的入射气流产生，VNW约为0.25。

图4 不同阳台长宽比情况下的模拟气流环境

通过扩大阳台的长宽比，建筑物内的局部平均VNW值明显下降。除工况1 外，工况2 和工况3 的流动模式仍然相当类似。此外，模块之间的再循环区域也显示出随着阳台长宽比的增加而扩大的趋势。例如，工况1 入口处的VNW值为1.50，比工况2 和工况3 相同位置的VNW值1.0 大很多。

图5 提供了工况1～3 中VNW对应的面积比例概况。在VNW值高的情况下，面积比随着阳台深度的增加而减少，而在阳台长宽比值较高的情况下，面积比大致保持不变。这意味着，当阳台长宽比大于0.5 时，建筑物阳台尺寸的变化对内部局部风速的影响比较小。例如，在工况1 中，当VNW为0.6～0.9 时，达到了最高50%的面积比。而在工况2 和工况3中，在0～0.2VNW的范围内，面积比例就达到了50%。工况2 中基于VNW的面积比概况与工况3 相当。

图5 工况1 和工况3 中VNW 统计的面积比

比较这三种情况的通风关系，根据上述结果，当这两个模块相互对齐时，室内通风环境产生了最佳性能。随着这两个住宅模块错位程度的增加，由于错位位置周围形成的气流阴影区效应，室内通风环境逐渐变差。然而，当阳台长宽比大于0.5 时，代表阳台尺寸的错位程度对室内通风性能的影响可以忽略不计。通风良好的区域出现在窗户对面的模块中，可以产生穿堂风。尽管错位的住宅模块对室内通风有负面影响，但所形成的阳台可以改善室内住宅质量。因此，对于建筑师来说，模块化住宅设计需要充分考虑不同模块之间的错位对室内环境的影响。

除了上述的研究之外，窗户的位置也是另外一个影响室内风环境的因素，为了研究工况3 中如何改善室内通风条件，在出风口处确定了两个不同的开窗位置。

工况3A：开窗位于模块A 出风口的侧面

工况3B：在模块B 的入口对面设置额外的开窗

如图 6 所示，工况3A 和3B 的侧面新增开口代表窗户位于窗口B 对面的情况，VNW值最高的区域出现在工况3A 的进风口和3B 的出风口。这里需要注意的是，出现在工况3A中入口与出口之间的气流漩涡区域，会对内部流场产生负面影响，而对于工况3B，在模块B 的入口窗口位置后面的大区域中形成了较大的风速区，同时，3B 的出风口气流强度也明显大于模块3A 的出风口气流强度。由此可见，窗口位置的设置会明显影响室内的气流情况，例如，在工况3A 中，模块B 中气流入口后面区域的VNW达到了0.25，而在工况 3B中，同一位置的VNW为0.00。

图6 不同窗户位置对于室内通风的影响

根据图中具体的统计结果，在VNW0.6～0.8 的范围内，工况3A 的云图面积比例明显大于工况3B 的云图面积比例。同时，在工况3A 中35% 的面积可以达到最高的VNW值。而在工况3B 中，该最高百分比面积比为25%，远低于3A。这主要是由于在模块中形成的漩涡区域中，气流VNW值最低，接近于0.0。因此，对于模块化住宅，在气流的下游，也就是下风处开窗可以有效提高室内风速，有助于污染物的消散。当这两个住宅模块处于错位状态时，最好将窗口布置于错位位置的一侧，有助于得到较好的通风环境。

通过以上分析结果表明，窗户和浴室模块的位置对室内环境的通风性能都有影响。改变两个模块 A 和B 的相对位置将产生阳台空间，也会影响迎风面上的气流压力分布情况。因此，由于模块化房间的位置发生变化，气压差也会发生相应的变化，从而导致室内气流风场情况发生波动。由此可以看出，室内通风性能由模块化房间的位置以及相应的窗户位置决定。在本研究中，通过两个不同窗口位置的工况情况来比较内部流场，以研究最佳开口位置。

3 结语

模块化房屋的位置可以有效改善住宅的室内通风环境。模块之间的相对位置、窗户的开启位置和浴室/卫生间的位置，都会对房间的通风产生影响。随着两个住宅模块错位程度的增加，由于错位位置周围形成的气流阴影区效应，室内通风将逐渐恶化。模块中通风良好的区域在进气口对面的窗户处，可以产生穿堂风效应。因此，对于模块式住宅，在风的下游开窗可以有效地提高室内气流速度。当两个住宅模块处于错位状态时，改善室内通风的开窗位置宜位于错位的一侧。另外，在本研究中，研究了由两个模块组成的模块化房屋，以进行室内通风特性研究。此外，模块化房屋可以分为多种模式，并由多个模块组合而成，产生各种平面形状。因此，未来还需要对除上述两种类型之外的各种模块化房屋类型作进一步的研究。