沈阳某高校既有图书馆中庭通风分析优化

唐晨旭， 金雯歆， 张九红

（东北大学江河建筑学院，沈阳 110000）

0 引言

随着城市化进展推进，建筑能耗占比愈发巨大，其中建筑运行能耗占建筑全寿命周期能耗的近一半［1］。而既有建筑由于当初建造时建造技术、材料、观念较为落后，运行阶段能耗往往更大［2］。高校既有建筑由于一般承载高校精神内核和历史信息不宜拆除而高校既有图书馆建筑由于当时建造材料、技术等问题，往往牺牲通风以利保温。沈阳市过渡季节风力资源优良，且温度适宜，为营造建筑内过渡季节自然通风提供有利条件。

高校图书馆建筑营造有利的自然通风，可以降低建筑运行阶段能耗，符合绿色改造原则。目前图书馆中庭阅览空间属于室内与室外过渡空间，设置得当可以改善室内通风。中庭空间承载一些重要使用功能，休闲阅览、背诵朗读等对噪声不敏感功能。在室外尚佳的夏季和过渡季节，合理利用中庭“烟囱效应”引入外部空气进行自然通风，能有效改善室内热环境［3］，改善中庭附近主要使用空间的气流组织和降低气体空气龄，减少新风系统使用，从而达到建筑节能的目的。

目前国内中庭空间的气流分布研究较少，一些学者通过对商场建筑、住宅建筑等进行实测和软件模拟，综合证明中庭可有效改善过渡季节室内热环境［4］。一些学者也对高层住宅的中庭的驱动力作用、通风口面积、位置、数量对中庭自然通风换气量的影响做了研究［5］。不过针对于图书馆建筑的中庭通风研究较少。

1 研究对象概况

图书馆位于辽宁省沈阳市和平区某高校内，于1985 年建成并投入使用，具有一定的历史价值，承载着每届学生的记忆。该图书馆总建筑面积为16000m2，建筑高度16m，建筑一层为辅助用房，学生通过大台阶直接进入2层，2～4层层高均为4.8m；其外墙采用370mm 厚非承重墙；南北方向为阅览空间，中庭顶部采用玻璃采光顶。其中庭空间的主要功能为社交与阅览。高校图书馆中庭关于建筑的关系一般可以分为核心式、线性式、嵌入式、接触式［6］四种，寒地高校图书馆出于降低体形系数等目的，一般会选择设置核心式中庭。研究对象中庭正是核心式中庭，贯通空间的尺寸为9.6m×7.6m。基本信息如表1所示。

表1 图书馆基本信息

2 调研测试与数据分析

2.1 调研测试

开窗率调查方式。从10月1日～10月3日连续观察3d，早中晚三次进行南北窗户开窗率统计。

室外风速测试方式。从10月1日～10月3日在建筑周边东南西北各设一个点，在距离地面1.5m的地方采用量程在0.2～20m/s 的太湾路昌AM-4204HA 热线式风速仪从8：00 记录到18：00，每2h 记录一次数据，作为节点风速值，并将数值进行统计分析。

室内热环境测试方式。测试位置是以中庭为中心的周边阅览空间和正常阅览空间。测点如图1 所示，每个点位记录3次数据，之后进行数据处理。室内风环境及热环境评价对使用者采用线下发放纸质问卷调查方式，并且针对每个楼层的的不同空间进行室内热环境测试。

图1 室内测点位置

通过室内实地调研内部和周围环境，我们也发现中庭空间存在网架结构的天窗，但是不可以打开，四角存在尺寸约为1.6m×2.7m的单开扇窗户。

2.2 数据分析

根据室外每日平均风速测试结果，可知该图书馆周边室外风环境在1～3m/s 之间，室外风环境宜人，风力资源较为优良。

我们发出50 份问卷，有效问卷为49 份。我们将风舒适选项从1～7 进行赋值，将“很闷”设置为1，将“适中无风”设置为3，将“风很大”设置为6。同时将室内热环境测试与问卷相结合，即记录被访谈者所在位置，将该楼层区域的平均温度、湿度、风速等与问卷数据联系，通过相关系数公式计算，可知风舒适和湿度之间的相关系数为-0.439，呈现弱相关性即湿度较高，感觉越闷。而风舒适和温度、风速之间相关性不是很明显。这可能是因为室内风速受到各个因素影响，且不稳定，在实验中未得出较明显的关联。而温度高低与否，对应着认知上的冷与热，并不对应风速高低导致的结果。在实验中问卷的风感觉和温度相关性不明显。

2.3 问题提出

图书馆冬季采用暖气空调联合供暖的方式，一般为11 月份至来年的3 月底。夏季采用空调制冷的方式，无特殊时间限制，随时可开。通过调研我们认为该图书馆目前未彻底充分利用周边风能。室内风场不均匀，且个体感受存在比较大的差异性。内部气流组织也存在不合理的地方，中庭空间采用玻璃采光顶集热但气流组织不畅，导致中庭空间不仅未充分发挥其沟通南北阅览空间气流组织的功能，甚至于略有阻挡气流。如何提升既有建筑中庭空间通风能力，是我们需要研究的问题。

3 现状模拟分析

3.1 模拟过程

我们采用目前通用的的CFD 软件之一AIRPAK对室内气流做数值模拟。AIRPAK 软件是在FLUENT软件基础上发展起来的一个工具软件，针对通风系统和热舒适以及气流组织的模拟。AIRPAK提供多种湍流模型，包含标准k-e模型、零方程等。目前零方程在满足精度的前提下，较显著减小计算量，在此选择零方程模型。

根据校园总平面，不影响室外风场进行模型简化。项目位于市区，建筑周边有多栋既有建筑。由于地处市区，需要考虑周边建筑的影响，以及城市计算域长宽均为研究建筑长宽的6 倍，高度为研究建筑的4 倍。由于中庭内部结构复杂，存在多套外加桌椅和沙发且位置无法固定，因此，将模型简化如图2所示。

图2 模型简化图

根据沈阳1971～2000年气象平均温度和月平均风速，沈阳春季平均风速为3.65m/s，秋季平均风速为2.6m/s，根据实地调研以及多次模拟，改造对象中庭空间通风较差，故设置室外平均风速在春秋两季室外风速中选择更低数值2.6m/s。

经过研究发现，春秋主导风向略有差别，但是差别不明显，春初秋末均以偏北风更强劲，秋初春末以偏南风更强劲，考虑到沈阳冬季不宜开窗，且实验数据为故在模拟中设置风向为南向。

根据DB 31/T922-2015《建筑环境数值模拟技术规程》，气流进口使用速度边界依据：V=V1（Z/Z1）a，a根据地面粗糙程度，将指数设为0.22；Z1=10m；V1为设定距地面Z1的平均风速2.6m/s。

针对模型进行合理的网格划分可采用软件自带的六面体网格划分工具。根据网格单元应为对应尺寸的1/20 的条件［7］，确定改模型网格为x=4.0m，y=3.0m，z=0.72m，同时在自然风口等局部加密。通过网络无关性以及质量检验，确定的网格数量为3038432个。

由于计算区域的顶面与侧面对于对称边界，速度边界和壁面均可任意选择［8］，在此模拟中将顶面与侧面设置为对称界面。出流面一般可设为完全发展出流界面活速边界或速度边界，由于研究建筑下游存在其余建筑，出流面流速与入口流速无法相同，在此模拟中将出流面设置为完全发展出流边界。

3.2 模拟结果及分析

（1） 室外气流组织分析。周边建筑对宁恩承图书馆气流组织存在影响，室外风速分布根据模拟显示图书馆南面进气口空气流速达到1.4m/s，与测试数据差别较小，可证明该软件具有较高的有效性以及此边界条件设置比较合理。

（2） 室内气流组织现状与分析。由于第1 层为地下书库，不涉及中庭改造问题，2～4层楼距楼板1.5m风速分布如图3所示。

图3 室内气流组织模拟情况

室内气流组织现状。2层中庭空间在靠近楼板洞口的地方出现风速最低，将近0.1m/s部分地方空气流速超过1m/s。空气龄在靠近四角位置较大，约为800s左右，空气流动总体上较好，但由于存在穿堂风，导致在区域内部分地方气流速较大。阅览空间空气流速不太均匀，南阅览空间空气龄比较小，北阅览空间局部达到800s 以上。这是因为南阅览空间到北阅览空间存在一些遮挡物并且北阅览区靠近内庭一侧窗户少于南阅览区，通风较之南阅览区略差。

3层中庭空间出现较明显的静风区域。整体空气流速在0.1m/s 左右。空气龄在超过一半面积达到750s 以上，空气流动差。阅览空间空气流速比较均匀，较为舒适，空气龄大部分面积在750s以下，空气流动较好。

4 层中庭空间平均空气流速较之3 层更低，空气龄更高。阅览空间出现较大面积的静风区，并且南阅览空间出现空气龄超过750s的较大区域。

室内气流组织结论。根据JGJ/T 309-2013《建筑通风效果测试与评价标准》第3.2.6 条的第2 点规定：“自然通风室内，人员活动区空气流速应在0.3～0.8m/s之间。”目前标准对空气龄尚未进行明确的要求，一般来说空气龄越大，通风越差；空气龄越小，通风越好。通过查阅相关文献健康空气龄标准一般空气龄500s［9，10］以内视为健康，500～750s 视为较健康，750s 以上为不健康。

结合以上分析，如模拟分析可得出，目前宁恩承图书馆过渡季自然通风存在的问题，2层风速不均匀，局部存在风速较大的地方。3、4 层空气流速显著下降，空气龄增高。中庭空间的通风作用未充分被挖掘。同时我们发现宁恩承图书馆在建造时设置的4个封闭式内庭院，虽然能够增加室内照度，但是增加体型系数且不便于管理。

4 优化方案

基于以上分析，由于该图书馆建成年代较久，考虑到侧窗的过梁和圈梁等问题，故只针对天窗设计优化方案并进行模拟。目前我们尚未查阅到针对于天窗开启面积大小对室内通风效果的影响详细研究，我们在此针对侧窗开启与否设计两种情况下进行模拟。由于现有天窗水平投影尺寸为9600mm×7600mm，此尺寸亦为中庭空间楼板洞口的尺寸，故我们制定四种大小的开启天窗面积，分别为2400mm×1900mm、4800mm×3800m、7200mm×5700mm、9600mm×7600mm，将天窗设置位置均设为中庭楼板洞口正上方，此方式减少阻碍便于气流流通。

以下占比为云图中处于健康和较健康空气龄的气体占比，不完全代表流体在整个室内空间占比。

（1） 侧窗未开启时，进行模拟分析可得，以距楼板1.5m 距离的各层风速云图和对比分，当开启4800mm×3800mm 和9600mm×7600mm 室内流体处于健康和较健康空气龄占比较大，但是室内流体空气龄不如开启面积更大的方案均匀。在侧窗未开启时，天窗面积更大的7200mm×5700mm方案的室内流体空气龄处于健康和较健康的占比小于开启面积为4800mm×3800mm的方案。

表2 侧窗全开启空气龄占比统计

之所以造成这样的模拟结果，分析可能是因为自然通风下通风量是由孔口有效面积和孔口两侧压力差共同决定［11］。

所以，可能会出现天窗面积增大，通风量并未增加，故而会导致在天窗可开启面积增加时，建筑内部处于健康空气龄的占比反而不如天窗可开启面积较小的情况。

如果以空气龄作为标准，当天窗开启面积越大，室内通风效果越好，新风量虽然不存在过度，但是超过一定限度，也必然会伴随热负荷过度消耗，带来不利后果。

（2） 侧窗全开启时，当侧窗全开启时，我们可以显著发现室内通风效果更加均匀且使得室内流体处于健康空气龄占比更多。此时天窗大小在等于楼板开动面积时候，室内流体处于健康空气龄占比最大。但是当侧窗全开启时候，天窗大小在2400×1900mm、4800×3800mm、7200×5700mm，室内流体处于健康空气龄的占比变化不明显。

鉴于我们实地调研发现中庭开窗率不会达到达到百分之百，整体开窗率一般在20%左右，所以结合以上模拟分析，我们认为中庭空间应当增加天窗可开启面积，且考虑到寒地因素，可开启面积更适宜为中庭空间楼板洞口尺寸的1/2左右。

表3 侧窗全开启空气龄占比统计

5 应用展望

一般而言，一天内平均风速曲线具有一定的规律性，无论是晴天、雨天还是阴天平均风速最大值出现时间都在午后，最小值在深夜或凌晨［12］。调研发现目前该图书馆窗户使用者自主开启关闭，管理人员并不会统一关窗或者开窗，这就导致图书馆室内在闭馆之后并不能充分通风。

鉴于目前已经存在智能窗户系统，故在人流密集的大型新建公共建筑，可以考虑采取智能窗户系统，只是目前市面上智能家居成本较高，是否能够采用值得商榷。如不能采用，建议让管理人员在过渡季早晨开馆时统一打开窗户。

随着新风系统的发展，目前很多老旧公共建筑更多依靠机械通风以满足使用条件。市面上也存在着新风系统在部分时候可以代替自然通风的说法，但是自然风所带来的1/n的波动的舒适性是新风系统所不能带来的。寒地过渡季节风力资源优良，良好的通风设计更能因地制宜的实现建筑的可持续发展，降低建筑运行周期能耗。

6 结语

通过问卷调查与实地测试，可以得出结论：一般来说，湿度越大，个体风感觉越低，即个体会认为风速较小，二者存在相关性。

通过运用CFD软件分析其中庭空间自然通风，基于效益优先的原则针对客观因素设计三类方向，并进行模拟分析得出，中庭空间应当增加天窗可开启面积，但增加天窗可开启面积并不一定会使得主要使用空间的室内流体处于较为健康状态占比增加，存在会下降的情况。所以在既有建筑通风改造时，建议进行多方案模拟确定经济且适宜的天窗开启面积，文中的案例天窗可开启面积更适宜为中庭空间楼板洞口尺寸的1/2左右。