湿热地区复廊式住院楼天井空间自然通风模拟及设计研究_张文宇.pdf
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1、第 51 卷 第 4 期2023 年 4 月华 南 理 工 大 学 学 报(自 然 科 学 版)Journal of South China University of Technology(Natural Science Edition)Vol.51 No.4April 2023湿热地区复廊式住院楼天井空间自然通风模拟及设计研究张文宇1,2 张春阳1,2 王奕程2,3(1.华南理工大学 亚热带建筑科学国家重点实验室,广东 广州 510640;2.华南理工大学 建筑学院,广东 广州 510640;3.都灵理工大学 建筑与设计学院,意大利 都灵 10125)摘要:我国湿热地区气候特殊,医院通过空
2、调系统进行通风导致其运行能耗巨大。医院住院部的大部分公共空间在合理分类和布局的情况下,可以并且有必要通过自然通风的手段和方法来满足使用者的热舒适要求,改善建筑内部空气质量,同时有效节能降耗。天井是湿热地区建筑常见的气候适应空间,文中以我国湿热地区代表性城市广州(23.1N,113.3E)作为研究地点,以复廊式住院楼为研究对象,通过设计医院住院楼模型的CFD模拟实验、分析湿热地区全年适宜自然通风的时段,探究天井空间的设计要素对复廊式住院楼护理单元公共空间自然通风性能的影响。结果表明:医院复廊式住院楼设计中,相较与无天井布局,天井空间可以有效改善复廊式住院楼护理单元公共空间自然通风性能;通过设置合
3、理的天井的平面形式、位置和高度,可以使医院复廊式住院楼各层护理单元公共空间获得满足人体舒适的自然通风;合理设置住院楼建筑首层的进风口位置,可增大全年自然通风潜力,以广州地区为例,该区域除南向外,东南、东北和北向都有较高频率的自然风,因此,除在建筑首层南向外,还宜在东南、东北和北向设置部分进风口,以增大全年自然通风潜力。关键词:湿热地区;医院复廊式住院楼;天井空间;CFD模拟;自然通风中图分类号:TU246.1;TU834.5文章编号:1000-565X(2023)04-0061-10医院具有运营时间全天性、医疗功能及分区复杂性、人流量大且密集等特点,是当今社会非常重要的建筑类型之一 1,这要求
4、医院必须提高其内部空间通风效果才能确保形成良好和安全的工作、就医环境。我国湿热地区经济发达且气候特殊,医院通过空调系统进行通风导致其运行能耗巨大,如何在降低能耗的基础上,改善医院建筑内部通风效果和品质是亟待解决的问题 2。自然风作为一种可再生能源,不仅能最大限度地降低对不可再生能源的消耗、达到绿色节能的目的 3,同时适宜的风环境还能直接影响医院中人群的感受,明显提升医院内部空间的空气质量和舒适度 4。相较于医院检验中心、ICU、手术室等对空气洁净程度有较高要求、更加依赖于空调系统的区域,医院住院部的大部分公共空间在doi:10.12141/j.issn.1000-565X.220361收稿日期
5、:20220607基金项目:中国科协战略发展部资助项目(2021ZZZLFZB1207088);国家自然科学基金资助项目(52178015);亚热带建筑科学重点实验室开放课题资助项目(2022ZB07)Foundation items:Supported by the Strategic Development Dapartment of China Association for Science and Technology(2021ZZZLFZB1207088)and the National Natural Science Foundation of China(52178015)作者简
6、介:张文宇(1986-),男,博士生,助理研究员,主要从事医疗建筑设计研究。E-mail:通信作者:王奕程(1994-),女,博士生,主要从事建筑性能设计研究。E-mail:第 51 卷华 南 理 工 大 学 学 报(自 然 科 学 版)合理分类和布局的情况下,可以并且有必要通过自然通风的手段和方法来满足使用者的舒适要求,同时有效节能降耗。有研究表明:空气温度和相对湿度都与医院的院内感染有所关联;气温过高容易加速病原菌的繁殖,相对湿度越大,病原菌的繁殖能力越强 5。建筑内部空间良好的自然通风可以有效预防传染病的传播 6,且相比于全空调环境,在自然通风环境中人体的舒适度更高 7。因此,湿热地区医
7、院住院楼增强建筑室内空间自然通风,是保证使用者舒适安全和实现绿色节能的必然选择和途径。复廊式住院楼护理单元平面由三排房间和两条走廊交替布局。这一布局形式相对缩减了住院楼的长度,增加了住院楼的进深,缩短了护理路线,灵活性较强。但是,此布局形式不利于中间房间和部分公共空间的直接自然通风,较多依赖空调系统8才能满足人体舒适度要求。天井空间是建筑中的竖向、连通建筑内部空间与外界过渡空间、且对建筑内部通风具有纵向拔风作用的井道空间。符合通风系统原理的天井空间在改善自然通风环境和实现绿色节能等方面具有突出的应用前景9,是湿热地区建筑常见的气候适应空间。文中选取湿热地区医院复廊式住院楼作为研究对象,通过设计
8、植入天井空间的住院楼模型的CFD模拟实验,探究湿热地区全年适宜自然通风的时段内,天井空间的设计要素对复廊式住院楼护理单元公共空间(主要包括复廊式布局中的两条走廊与其连接通道,以及护士站与其前端空间)自然通风性能的影响。1CFD模拟实验1.1模型和计算域计 算 流 体 力 学 CFD(Computational Fluid Dynamics)是建筑自然通风性能预测研究的常用方法,相较于其他研究手段,CFD可以进行全尺度模拟,更好地控制边界条件与建筑模型参数的变化10。因此本研究采用 CFD 模拟实验的方法,通过 Ansys Fluent 2021软件进行实验计算。本研究在对湿热地区复廊式住院楼广
9、泛调研的基础上,制定基础模型,通过改变天井平面形式与建筑高度,建立对比研究模型,进行CFD模拟实验。如图1所示,复廊式住院楼模型外轮廓为长方形,尺寸为75.6 m27 m;天井面积为55.44 m2(天井面积占建筑平面面积的2.7%),根据天井平面相对位置和尺寸(alaw)分为4种工况:A1,无天井;A2,天井 8.4 m6.6 m;A3,天井 16.8 m3.3 m;A4,天井 24.2 m6.6 m。模型每层建筑层高为4.2 m,根据建筑高度(h)分为3种工况:B1,9层(37.8 m);B2,12层(50.4 m);B3,15层(63 m)。为节省计算时间,本研究采用室外、室内分步模拟的
10、方法,即将计算实验分为室外、室内两个不同的模型和计算域。其中,室外模拟将建筑物作为一个密闭几何体,计算得到进出风口位置的压力系数,并将这些数据作为下一步室内风环境模拟的边界条件。室内外模拟计算域设置如图2所示,室外模拟计算域进出风口到建筑表面的距离为建筑模型宽度w的5倍和10倍,计算域侧壁到建筑表面的距离为建筑长度l的4倍,计算域顶部到建筑表面的距离为建筑高度h的4倍,即LWH=9l11w5h。室内模拟计算域以建筑外界面为边界,建筑模型门窗口设置与室外模拟中的建筑模型保持一致。图1天井在复廊式住院楼平面中的不同工况(单位:mm)Fig.1Simulation model setting of
11、the patio in the plane of the multi corridor inpatient building(Unit:mm)62第 4 期张文宇 等:湿热地区复廊式住院楼天井空间自然通风模拟及设计研究1.2求解器设置本研究采用室内外耦合模拟的方法,设置单一计算域,同时求解室内外空气流的情况。相对于大涡模拟(LES),雷诺平均Navier-Stokes方程(RANS)运算速度更快11,且与标准k-模型(S k-)相比,重整化群组k-模型(RNG k-)在室内自然通风模拟求解方面具有更高的精度12-13。因此本研究选用RNG k-模型进行求解运算。选择离散坐标辐射模型(DO)作
12、为太阳辐射计算模型,考虑到广州阴天居多,将阳光因子设为0.6。文中同时考虑风压通风和热压通风的协同作用,求解器选用压力-速度耦合的SIMPLEC方法。1.3边界条件设置文中选取湿热地区代表性城市广州(23.1N,113.3E)作为研究地点,该地区夏季漫长,气候环境高温高湿。在无空调运行的自然通风环境中人体的热舒适及热适应特征与空调及机械通风调节环境有所不同,关于湿热气候区的系列研究显示,自然通风条件下建筑室内环境温度与室外环境温度有密切的联系,而适宜自然通风的环境温湿度条件是自然通风设计的重要依据14。基于广州城市居民的热环境研究表明,我国湿热地区自然通风建筑中的可接受相对湿度上限为78%15
13、,80%接受的适宜室温范围为18.028.5 16。JGJ/T4492018民用建筑绿色性能计算标准给出了典型城市冬夏季盛行风风向、平均风速以及室外计算温度,但由于本研究重点关注天井对医院复廊式住院楼护理单元公共空间自然通风的影响作用,而湿热气候区冬夏两季盛行风的环境参数无法准确描述全年适宜自然通风时段的环境参数,因此本研究先对夏热冬暖地区满足自然通风热舒适条件的全年气象数据进行筛选17。基于CSWD数据库,以相对湿度小于78%、干球温度 18.028.5 作为限定条件,通过 Ladybug Tool对广州市全年适宜自然通风的时段进行数据筛选,得到结果如图3。对结果分析可知,南向为最高风频方向
14、,该方向适宜自然通风时段平均风速为1.9 m/s,平均干球温度24.5。本研究进风口采用速度入口,出风口选择压力出口,其中进风口风速采用城市梯度风,按照式(1)进行计算。Vh=Vg()hhga(1)式中:Vh为高度h处的风速,m/s;Vg为参考高度处的风速,m/s;hg为参考高度,m;a为当地下垫面粗糙度系数。根据CWSD数据库筛选得到的信息,文中 Vg=1.9 m/s,hg=23 m,a取值 0.3,编译为 udf文件作为进风口梯度风参数。计算对象的参数设置如表1所示。1.4评价指标表2所示为笔者基于文献 19 对自然通风条件图2模型与计算域设置Fig.2Model and calculat
15、ion field setting63第 51 卷华 南 理 工 大 学 学 报(自 然 科 学 版)下风速对热舒适影响的分析结果。由表 2 可见,0.22.0 m/s范围内为湿热气候区较为舒适的自然通风风速范围,针对广州地区的热舒适调研显示,当室内环境风速大于0.3 m/s时所营造的热环境更为舒适16。本研究提取复廊式住院楼护理单元公共空间各层1.5 m标高18处平均风速作为自然通风评价参考数据,以0.32.0 m/s作为自然通风舒适风速区间对复廊式住院楼护理单元公共空间风环境进行评价。2模拟分析2.1住院楼天井形式分析在相同的边界条件下,以12层高复廊式住院楼为例,根据天井不同的长宽条件,
16、将模型分为3种工况:工况A2天井8.4 m6.6 m,工况A3天井 16.8 m3.3 m,工况 A4天井 24.2 m6.6 m;并配合无天井工况A1,共4种工况进行模拟分析。在相同的边界条件下,得出各工况模型风热耦合的空气风速云图分布情况,如表3所示。从风速云图所示的风速均匀性来看,工况A2工况A3工况A4工况A1;从各工况风速平均值(图4)可以看到,工况A2和工况A3为集中设置的方形和长条形天井,两个工况的整体平均风速都在0.4 m/s以上,处于感受明显且舒适的风速范围内;工况A4为分散设置的两个长方形小天井,此工况只有部分楼层(如1F、2F、3F、4F、5F和8F)平均风速在0.3 m
17、/s以上,但是风速均匀性不高,各层都有较大面积静风区和通风死角;工况A1为无天井情况,此工况除1F和12F外,其余楼层平均风速均在0.3 m/s以下,自然通风效果不佳,对人体舒适度改善作用不明显。工况A2和工况A3相比,工况A2的方形天井对于护理单元南北两条廊道都具有较有利的通风作用,对于各层护理单元公共空间通风覆盖面较广。综合4种工况的风热耦合通风模拟结果,医院复廊式住院楼护理单元平面布局设计中,天井空间的设置对于改善自然通风有积极作用。在住院平面尺寸(75.6 m27 m)和天井总面积(55.44 m2)相同的情况下,天井集中且与南北两条廊道都相通的方形形式(工况A2,天井8.4 m6.6
18、 m)更利于室内形成良好的自然通风。表1计算对象的材质参数Table 1Material parameters of simulation models计算对象墙体玻璃大地厚度/m0.300.0110.00密度/(kg m3)2 0002 5002 000比热容/(kJ kg1 K1)0.920.841.01导热系数/(W m1 K1)0.581.001.16图3广州地区满足自然通风热舒适条件的风玫瑰图Fig.3Wind rose diagram for meet thermal comfort conditions of natural ventilation in Guangzhou表2自
19、然通风条件下风速对热舒适的影响Table 2Influence of wind speed on thermal comfort under natural ventilation风速/(m s1)0.050.200.250.400.801.002.004.50等效温度降低/0.01.11.31.92.83.33.95.0对舒适度的影响无风,有点不舒服几乎感受不到,但很舒服空间的设计风速感受明显且舒适非常明显,在温暖且活动频繁的区域可以接受空调风速上限,干热气候区的自然通风良好风速热湿气候区的自然通风良好风速室外环境的微风64第 4 期张文宇 等:湿热地区复廊式住院楼天井空间自然通风模拟及设计
20、研究表3不同天井工况室外风压云图和各层风速云图Table 3Outdoor wind pressure cloud chart and wind speed cloud chart of each floor at different simulation model setting of the patio位置室外1F2F3F4F5F6F7F8F9F10F室外风压云图和各层风速云图工况A1,无天井工况A2,天井8.4 m6.6 m工况A3,天井16.8 m3.3 m工况A4,天井24.2 m6.6 m65第 51 卷华 南 理 工 大 学 学 报(自 然 科 学 版)2.2住院楼高度分析基于
21、医院复廊式住院楼选取天井集中且与南北两条廊道都相通的方形形式的工况A2,综合考虑住院楼使用效率和低层天井周边环境,选取模拟住院楼的3种高度情况进行分析。工况B19层(37.8 m),工况B212层(50.4 m),工况B315层(63 m)。在相同平面和天井设置条件下,得出各工况下模型风热耦合的空气风速云图分布情况如表4所示。从风速云图所示的风速均匀性来看,工况B2工况B3工况B1;从各工况风速平均值(图5)可以看到,3种工况的整体平均风速都大于0.3 m/s,都处于较舒适风速范围内。工况 B2的 2F-5F平均风速都在0.6 m/s 以上、6F-7F 平均风速都在 0.5 m/s 以上、8F
22、-12F 平均风速都在 0.4 m/s 以上;工况 B3的2F-4F平均风速都在0.6 m/s以上、5F-7F平均风速都在0.5 m/s以上、8F-9F平均风速都在0.4 m/s以上、10F-15F平均风速都在0.3 m/s以上;工况B1的2F-4F平均风速都在0.5m/s以上、5F-6F平均风速都在0.4 m/s以上、7F-9F平均风速都在0.3 m/s以上。相比而言,工况B2的整体平均风速都在0.4 m/s以上,住院楼每层都处于感受明显且舒适的风速范围内,相对其他两个工况的通风效果更明显,更利于改善人体舒适度。综合3种工况的风热耦合通风模拟结果,天井集中且与南北两条廊道都相通的方形形式的工
23、况A2的基础上,住院楼高度为12层(工况B2,50.4 m)时,更利于住院楼护理单元公共空间自然通风。图4不同天井工况各层平均风速图Fig.4Average wind speed chart of each floor of different simulation model setting of the patio续表3位置11F12F室外风压云图和各层风速云图工况A1,无天井工况A2,天井8.4 m6.6 m工况A3,天井16.8 m3.3 m工况A4,天井24.2 m6.6 m表4不同住院楼高度工况下室外风压云图和各层风速云图Table 4Outdoor wind pressure c
24、loud chart and wind speed cloud chart of each floor at different simulation model setting of the height of inpatient building位置室外室外风压云图和各层风速云图工况B1,9层(37.8 m)工况B2,12层(50.4 m)工况B3,15层(63 m)66第 4 期张文宇 等:湿热地区复廊式住院楼天井空间自然通风模拟及设计研究续表4位置1F2F3F4F5F6F7F8F9F室外风压云图和各层风速云图工况B1,9层(37.8 m)工况B2,12层(50.4 m)工况B3,15层
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