内廊式学生公寓室内风环境研究——以苏州科技大学研究生宿舍楼为例

张康

（苏州科技大学建筑与城市规划学院，江苏　苏州　215011）

内廊式学生公寓室内风环境研究——以苏州科技大学研究生宿舍楼为例

张康

（苏州科技大学建筑与城市规划学院，江苏苏州215011）

通过对苏州科技大学江枫校区的研究生宿舍楼（8#）室内风环境进行数值模拟和实测记录分析，来研究苏州地区内廊式学生公寓的室内风环境。并在文丘里效应（Venturieffect）的基础上，调整局部建筑空间来改善夏季（过渡季节）室内风环境。同时，借用DeST分析不同模式室内风环境对建筑全年能耗的影响。

风环境；数值模拟；DeST；能耗

学生公寓对于各大院校的学生来说是主要的学习、生活的场所之一。宿舍内的热环境直接关系到学生的学习质量与心理健康［1］。文章用数值模拟苏州夏季内廊式宿舍室内风环境，通过合理调整局部空间来加强内廊式公寓的自然通风，提高室内热环境的质量，从而减少建筑能耗。

1　建筑概况

该研究生宿舍楼（8#楼）位于苏州市高新区苏州科技大学江枫校区内，南侧为本科生宿舍楼，北侧、东侧为樟树林，西侧为篮球场，东侧为二层高的教学楼（见图1）。宿舍楼共六层，层高3.3m，总高度为19.8m。首层架空为设备间。二至六层为宿舍，标准层面积1 217.88m2（61.2m×19.9m），每层32个标准间，各宿舍标准间平面布局与门窗尺寸见图2。

图1　8#楼总平面（卫星图）

图2　标准间平面及立面

2　气象数据

苏州属于北亚热带湿润季风气候区，七月进入盛夏，受副热带高压影响，主导风向为东南偏东，夏季最多风向为南，平均风速为3.4m/s，夏季相对湿度69%［2］。根据苏州市气象统计数据表1可知，每年夏季中7、8月份室外温度不高于最热月平均温度27.49℃且相对湿度不超过90%的天数都是近似于20天左右［3］。考虑到冬季寒冷，自然通风的主要利用还在夏季和过渡季节。因此，苏州地区利用自然通风改善室内通风效果具有很大的研究潜力。

表1　苏州市气象统计数据

3　风场分析

获得良好的室内自然通风效果一直是建筑规划设计中考虑的重要因素之一。建筑内部的自然通风是由于建筑的开口（门、窗、过道等）处存在空气压力差而产生的空气流动［4］，而建筑开口处的风压又与周边风场存在关系。因此，建筑周围的风场分析对于研究室内风环境是很有必要的。图3～图6，所示为采用CFD软件（PHOENICS:授权号9-050FCF1F，参数见表2）模拟8#楼夏季周边场地的风环境。图3所示1#、4#和B、C号楼迎、背风面形成了正压区和负压区，8#楼的迎风面（南侧）的正压区风速分布均匀。从图4可知，建筑迎风面风压在1.5 Pa左右，而背风面风压在-3.8～2.4 Pa之间（除两侧），前后压差约为4 Pa。而在夏季，建筑前后风压差大于1.5Pa是有利于实现建筑内部的自然通风［5］。由图5可知，整个场地内风速较大，分布均匀，都在0.7～1m/s之间。这些都有利于自然通风潜力的提升［6］。

表2　物理模型参数及边界条件

图3　8#楼室外夏季风压云图

图4　8#楼表面风压云图

图5　8#楼夏季室外风速矢量图

4　室内风环境分析及改善措施

4.1现有室内风环境分析

受风场阻挡，背风面房间的通风效果会受到影响，主要是由于迎风面建筑房间对室外行空气流通进行阻挡，使得內廊两边的房间不能有效通风［7］。为更好进行研究，并提出改善措施，文章对室内风环境进行数值模拟分析，边界条件采用Opening作为风的模块，无滑移的壁面条件（Object）作为地面和建筑面，门窗口留洞。对于黏性流体，采用黏附条件，即认同壁面处流体速度与壁面该处的速度相同。风速参数选用前一章介绍的典型气候条件。模拟结果如图6所示，南北向宿舍的门窗均打开时，南向各层宿舍内的自然风速（1.16～2.32 m/s）大于北向宿舍的风速（0.39～1.4m/s）。同时，北向靠近山墙宿舍的室内风速（1.16～1.94m/s）又相对于中间部位的宿舍风速（0.39～1.94m/s）要大一些。由此可知，中间部位宿舍的室内通风效果相比两边宿舍要差一些。因此，此次改善主要部位是针对各层中间宿舍。在此理论的基础上，对原有宿舍楼局部进行修改，列出几个模式来进行室内的风环境模拟分析。

4.2改善措施

从图4～图6可知，8#楼的两侧的风速、风压都是要大于中间部位的。说明两侧（山墙向）的宿舍自然通风会比中间宿舍好一些。因此，为改善各种中间部位宿舍的风环境，运用文丘里效应，在不改变开窗大小与位置的情况下，通过在将中间的宿舍改造为半室外空间，形成“文丘里管（Venturi tube）”来提高室内空气流动速度，从而产生低压来改善相邻宿舍的室内风速。通过对宿舍内部半室外空间进行调整，再进行风环境数值模拟（见图7）。

图6　现有2～6层风速云图

图7　 8#楼（模式2-5）室内各层1.2m高度风速分布平面图

模式2，将公寓各层中间部位的南北向宿舍打通作为半室外空间。从图7中模式2可知，相比于模式1（见图6）的中间部位，室内风速提高了很多。但北向左右相连宿舍的室内风速没有受到明显影响。

模式3，将公寓各层中间部位的南向单独一间宿舍改为半室外空间。从图7中模式3可知，相比于模式1，南向中间的內廊室内风速得到提高，但相邻北向的宿舍风速没有提高。

模式4，将公寓各层中间部位的南北向宿舍（错开）改为半室外空间。从图7中模式4可知，相比于模式1，中间內廊的风速得到提高。而相比于模式2、3，错开后的室外空间使得相邻的北向宿舍风速得到提升，且影响的宿舍数量较多。

模式5，将公寓各层中间部位的南北向宿舍（南向一间，北向两间）改为半室外空间。从图7中的模式5可知，相比于前面四个模式，內廊和相邻宿舍的风速都得到提升，而且影响范围比其他四种模式都大。但是，宿舍数量减少，过于浪费公寓面积。

小结:模式2，通风效果明显，但影响宿舍的数量少；模式3，通风效果不明显，且影响范围小；模式4，通风效果明显，而且影响范围相对于模式2、3要多；模式5，通风效果明显，影响范围也大，但过于浪费宿舍楼使用空间。由此可知，模式4，相比于其他模式更有利于自然通风，更加合理。而据国内相关学者研究表明，在夏季高温环境下，吹风（增加空气流动）可以在一定程度上改善室内热环境，提高人体热舒适感［8］。而从节能角度出发，用增大空气流动来补偿温度的升高有重大意义［9］。

5　自然通风能耗分析比较

2015年8月学校集体安装空调，用以改善室内环境，建筑能耗必然会增加。因此，为了解自然通风与建筑节能的关系，运用清华大学开发的建筑热环境软件DeST—Vent模块计算建筑自然通风区域的空调（假设为中央空调系统）能耗情况，分析建筑能否在夏季（过渡季节）或外温适宜时，充分利用自然通风及室外温度允许的情况下不用空调，或减少空调使用时间，降低空调负荷，减少建筑能耗。

5.1建筑模型和主要围护结构热工参数

由于8#楼底层为设备间，没有宿舍，但高度保留，整栋楼按五层考虑，DeST模型可视化如图8所示，主要外围护结构域参数设置如表3所示。

图8　8#楼DeST模型（不含一层）

表3　围护结构热参数

5.2能耗模拟计算参数设置

根据《夏热冬冷地区居住建筑节能标准》（JGJ134-2010）的要求，宿舍楼室内环境参数设置如表4。

表4　室内模拟热参数

5.3DeST模拟与实测对比分析

图9　室温计算值和实测室温的逐日变化趋势参考

目前，建筑风环境的研究方法主要采用现场实测和数值模拟计算等［4］，通过将两者的结果进行比较，能有助于研究建筑风环境，提高分析结果的说服力。所以，为了验证DeST数值模拟的可行性，特意抽取一间宿舍（307）进行现场实测。实测仪器采用德国德图testo 405-V1风速仪（0～10m/s），测试点位于宿舍几何中心，1.2m高处。通过随机抽取三个月中，定时温度实测的结果与DeST逐时模拟结果进行参考，如图9，发现现场实测的温度记录与数值模拟分析的数据非常类似，房间温度计算误差的最大值、平均值及方差分别为1.85℃、1.15℃、0.67。由此可知，数值模拟分析的结果，真实性较强，为后面的数值模拟分析提供了可行性依据（由于2015年7月10～12日，苏州受台风灿鸿的影响，可能会影响连续几天的气温）。

5.4模式1与模式4的能耗模拟分析

为了较为符合实际通风效果，根据PHOENICS的模拟数据计算，将模拟4的室内换气次数由模式1的1～5次/h增加到5～10次/h。再通过DeST-Vent模块模拟分析两种不同模式的建筑能耗。

首先，在总体上，如图10所示，模式4相比于模式1，由于增加了中间部位的半室外空间，从而提高相邻宿舍的室内风速，缩短了夏季（过渡季节）空调开启的时间。全年累计冷负荷指标，由12.78 kW·h/m2到12.46 kW·h/m2，下降了0.32 kW·h/m2，同时最大冷负荷指标也有所下降。因此，8#楼在夏季（过渡季节）加强自然通风，能减少空调冷负荷（能耗）。但由于增加了室外空间，相对减少了两间宿舍的使用面积，在总体的经济性比较上可能会受到一定的影响。

图10　DeST模拟不同模式建筑能耗结果

其次，在个体上，如图11所示，模式4的各层全年最大冷负荷、空调季累计能耗及空调季平均冷负荷都比模式1有所降低。由于受屋顶保温层的影响，顶层相比于标准与室外有更多的围护面积，其导热、辐射的传热量也会更多。每种模式的第六层相比于标准层的负荷都要高，也间接的证明了模拟分析的合理性。由此可知，通过夏季（过渡季节）的自然通风能改善室内环境，减少建筑空调负荷。

图11　不同模式各层空调冷负荷模拟结果

6　结语

（1）结合苏州的气候特点，通过模拟室外风环境得出，8#楼的迎风面与背风面存在一定的压力差，存在运用自然通风（风压通风）的前提条件。（2）在苏州夏季（过渡季节）时，8#楼通过合理的调整局部空间（运用文丘里效应），适当增加半室外空间，能有效的增加内廊式公寓相邻房间的风速，改善一定数量宿舍的室内热环境。（3）通过对不用模式的能耗模拟分析后发现，在夏季（过渡季节）时，8#楼合理运用自然通风，能有效的降低建筑空调系统的冷负荷，从而达到建筑节能的目的。

［1］饶永.合肥地区高校宿舍室内热环境研究［D］.合肥:合肥工业大学，2012:1-2.

［2］中国气象局气象信息中心气象资料室，清华大学建筑技术科学系.中国建筑热环境分析专用气象数据集［M］.北京:中国建筑工业出版社，2005.

［3］All Regions:Asia WMO Region—China:U.S.Department of Energy［EB/OL］.［2015-02-25］.http://apps1.eere.energy.gov/buildings/energyplus/cfm/ weather_data3.cfm/region=2_asia_wmo_region_2/country=CHN/cname=China.

［4］杨丽.绿色建筑设计——建筑风环境［M］.上海:同济大学出版社，2014.

［5］刘小芳，李宝鑫，芦岩，等.既有围合场地中建筑布局对室外风环境的影响分析［J］.建筑节能，2013，41（6）:62-73.

［6］阳丽娜.建筑自然通风的多解现象与潜力分析［D］.长沙:湖南大学，2005.

［7］张国锋，郑志，刘塨.浅析厦门地区高校公寓自然通风［J］.福建建筑，2011（3）:44-46.

［8］谈美兰，李百战，李文杰，等.夏季空气流动对人体热舒适性的影响［J］.土木建筑与环境工程，2011，33（2）:70-73.

［9］嵇赟吉，高屹，王晓杰，等.空气流速对人体热舒适影响的研究［J］.兰州大学学报（自然科学版），2003，39（2）:96-99.

［10］中华人民共和国住房和城乡建设部.JGJ134 2010夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准［S］.北京:中国建筑工业出版社，2010.

The research on the indoor air environment of corridor student apartments——A case study of graduate student dormitories in SUST

ZHANG Kang
（School of Architecture&Urban Planning，SUST，Suzhou 215011，China）

The paper presents the numerical simulation and the actual recording analysis on the indoor air environment of the graduate student dormitory（8#）on Jiang Feng Campus of SUST in order to study the indoor air environment of the corridor student apartments in the Suzhou area.Based on the Venturi effect（Venturi effect），the local architectural space was adjusted to improve the indoor air environment during summer（transitional season）.Meanwhile，the DeST was used to analyze the impact of differentmodes of the indoor air environment on the annual energy consumption of the building.

wind environment；numerical simulation；DeST；energy consumption

TU83

A

1672-0679（2016）03-0054-05

2015-09-08

张康（1987-），男，湖北孝感人，硕士研究生。

（责任编辑:卢文君）