(1.湖南大学 建筑学院,湖南 长沙 410000; 2. 湖南大学 土木工程学院,湖南 长沙 410000; 3.湖南大学 国家级建筑安全与环境国际联合研究中心,湖南 长沙 410000; 4.珠海市规划设计研究院,广东 珠海 519000)
(1. Architecture School,Hunan University,Changsha 410000,China; 2.Civil Engineering School,Hunan University, Changsha 410000, China; 3.Hunan University National Center ForInternational Research Collaboration In Building SafetyAnd Environment,Changsha 410000, China; 4.Zhuhai Insitate of Urban Planing & Design, Guangdong Zhuhai 519000, China)
Changsha area; university library; natural ventilation; simulation; atrium form
DOI: 10.15986-j.1006-7930.2020.04.016
为研究图书馆中庭形态对自然通风的影响,通过对长沙地区的高校图书馆进行实地调研,系统分析该地区高校图书馆自然通风特点和问题,以图式提取该地区高校图书馆中庭基本原型,并根据调研所得图书馆基本数据,建立基础物理模型.采用Phoenics软件,在考虑太阳辐射和室内外热环境的情况下,对不同中庭方位、数量以及剖面形式的图书馆原型进行参数模拟.结合自然通风理论,对比数据分析所得结果,最终从中庭布局方位、中庭数量和中庭剖面形式三个方面,提出有利于长沙地区高校图书馆自然通风的中庭空间形态,为该地区高校图书馆被动低能耗设计提供参考.
In order to study the influence of library atrium form on natural ventilation, through the field research of university libraries in Changsha area, systematically analyzed are the characteristics and problems of natural ventilation of university libraries in the area, and the basic prototype of university library atrium in the region is extracted. Based on the major data of the library obtained from the survey, a basic physical model is established. Using Phoenics software, considering the solar radiation and the indoor and outdoor thermal environment, the parameters of the library prototypes of different atrium orientations, numbers and profiles are simulated. Combined with the natural ventilation theory, the results of the data analysis are compared, and finally the orientation from the atrium is In the three aspects of the number of atriums and the atrium profile, this paper proposes a space shape that is conducive to the natural ventilation of university libraries in Changsha, and provides a reference for the passive low energy design of university libraries in the region.
高校图书馆作为校园标志建筑及重要学习空间,为人员密集的场所,通风状况直接影响学生的注意力、学习效率及身心健康.此外,在中国公共建筑的能耗是普通居民住宅的10～20倍[1],高校图书馆作为公共建筑,在使用时的能源消耗与热舒适性是建筑全生命周期评价的重要指标.由于计算机的快速发展,利用CFD对空气流动进行数值模拟和改进,是当代建筑设计的重要手段[2].被动式设计是指在建筑规划中通过对建筑朝向的合理布置、遮阳的设置、保温隔热技术以及有利于建筑自然通风的建筑开口设计等,来实现建筑需要的采暖、空调、通风等能耗降低的一种设计手法[3].在建筑设计的初期阶段,建筑师应采取低能耗的设计策略,考虑如何采用自然通风的方式,进行建筑空间形式与形态设计,促进室内外空气流通并带走多余热量,营造健康的公共环境[4].
本文基于长沙的气候特征,分别从图书馆中庭方位、数量、竖向形态等不同视角,运用Phoenics软件对其风环境进行参数模拟并分析,提出长沙地区高校图书馆有利于自然通风的中庭空间形式与形态,最终研究成果为长沙地区高校图书馆被动低能耗设计提供参考.
长沙市高校众多,笔者选取12所高校的14座图书馆进行了实地调研.调研的主要目的是了解该地区高校图书馆的通风现状及其中庭基本形式.调研发现其中12座图书馆都设计了中庭,详见表1.
主要从三个方面来进行总结:
场地设计上,各高校图书馆周边环境都比较开阔,建筑选址都在校园建筑密度相对较小的区域,有的高校新校区选在了建筑密度较低的城市郊区.考虑到长沙夏季主导风向为南风,部分高校图书馆南侧还设计了大型水池,既美观又能够改善微气候环境.
表1 长沙地区高校图书馆基本情况
Tab.1 Basic situation of university libraries in Changsha
平面组织形式上,以集中式图书馆类型居多.其中大部分图书馆进深较大,而且阅览空间以隔墙划分的半封闭式为主.部分墙体上没有开高窗,导致阅览室只能依靠单侧通风来换气,通风效果较差.
竖向空间设计中,大多数图书馆都设计有中庭.依照开敞形式可以区分为内庭院与外庭院.外庭院通风效果较好,可以有效的利用热压来促进空气流通; 内庭院一般在顶部突出屋面,两侧设置通风天窗,形成竖向通风腔体,也可有效组织建筑内部自然通风.而该地区高校图书馆内庭院顶部通常为封闭式玻璃顶,导致不能充分利用热压通风,达不到理想的通风效果.由此可见,中庭形式的选择不仅影响到空间布局,也会影响到图书馆室内通风效果.
根据调研的基本情况,笔者对长沙地区高校图书馆中庭类型进行了提取归类,总结了以下几种中庭原型(表2).
表2 长沙地区高校图书馆中庭原型
Tab.2 Prototype of atrium of Changsha's university libraries
其中,核心式中庭较为常见,以中央庭院为核心,阅览空间与辅助空间布置在庭院四周; 周边式中庭位于图书馆建筑四周任一侧,与大气直接接触; 多核式中庭则是核心式中庭的一中衍生形态,即空间里有两个及以上的庭院,空间更加灵活多变; 穿越式中庭则主要是串联式图书馆的一种中庭形态,庭院设置连廊连接串联阅览空间.
长沙全年风速不大,而市区建筑物密度大,影响风速的障碍物较多,增大了气流流动过程中的阻力,导致风速变小.合理选址,减小风速的受损,可以优化图书馆的外部风环境.由于长沙特殊的气候环境所致,在自然通风设计中,夏季应该主要考虑引风入室,加强室内空气流通,从而降低室内温度; 而到了冬季,则主要考虑防风.因此本文也主要从加强图书馆夏季自然通风的角度切入,研究其通风设计方法.
根据《实用供热空调设计手册第二版》中长沙地区典型气象年数据设定夏季的模拟工况如下表3所示[5].
表3 长沙地区气候参数表
Tab.3 Climate parameterof Changsha
研究得知,同样建设规模的图书馆,集中式布局的建筑体量最小,体型系数最小,外围护面积最小,综合评定能耗系数以及通风潜力,集中式是图书馆的最佳形式.相关资料显示,目前在校生5 000以上的各类大学图书馆建筑规模大多在20 000m2以上[6].因此,依据调研的基础数据,设定图书馆层数为6层,层高4 m,建筑面积21 600m2,建筑长宽比为4:3.假定图书馆的自然开启率为0.1,并对模型的界面进行均质性开窗设计,以简化模型.最终建立的基础物理模型如图1所示.
图1 基础模型图式
Fig.1 Basic model schema
2.2.1数学模型的选择
建筑室内气流流动一般属于不可压缩、低速湍流[7].因此本文的湍流模型采用的是不可压缩气体的标准k-ε方程.采用的数学方程主要是能量守恒方程、质量守恒方程以及动量守恒方程.
入风口风速根据表3中夏季的风速设置为2.4 m/s,风向为正南向.由于地表摩擦的作用,地面以上的室外风速随高度递增[8].即风速在380 m/s以下时,可以看作是沿高度增长的梯度风,采用的指数方程为
V=V0(Z/(Z0))α(1)
其中:V为距离地面高度Z的风速; V0为距离地面Z0=10 m高处的风速; α为摩擦指数,本文取0.28.
在对图书馆中庭进行风环境模拟时,同步考虑热环境效果.笔者设置室外温度为32.3 ℃,时间为7月13日,日照时长为14 h.采用长沙地区经纬度:北纬28.12°; 东经112.59°.设置直接太阳辐射为400 W/m2; 漫射太阳辐射为100 W/m2.建筑模型外表面均设置为有摩擦的光滑表面,结构设置为混凝土结构,并设置其传热系数为10,辐射率为0.9.
笔者对模拟区域大小进行了多次模拟比对,最终确定了300 m×300 m×100 m的计算区域范围,在这个区域里模拟可以得出较理想的结果.并且对x,y,z方向上的网格分别加密,保证室内单个网格尺寸为0.5 m×0.5 m.计算最大步数设置为1 600,收敛控制设置为0.01%,以确保计算精度和准确度.
考虑自然通风的建筑,其进深通常不能大于14 m,这样可以形成较多的穿堂风[9].但由于图书馆面积较大,功能比教学楼更复杂,其进深一般都比较大,因此无法形成有效的穿堂风.对于这种大进深类型的建筑,我们在设计上不能单纯靠水平方向的风压通风来改善图书馆室内风环境,同时需要依靠竖向上的热压通风来解决图书馆的通风问题,而解决这类问题的最有效的办法便是设计中庭.
宋德萱在《建筑环境控制学》中提出室内环境风速在0.5 m/s时最佳,此时人感觉最愉快,最适合工作学习[10].因此,为了评判室内通风状况,特提出各层平面风速范围在0.3～0.8 m/s内的面积占整个房间平面面积的百分比R1作为衡量自然通风状态的判据[11].
平面设计上,核心式与周边式中庭的差异实际上是布局方位的不同.为了研究中庭方位对图书馆风环境的影响,笔者以图1中的模型为基础,分别建立不同方位中庭的图书馆模型,控制中庭方位为单一变量并逐个进行模拟.笔者取各工况第三、五层人体主要活动高度1.1 m的平面以及正南北向中庭剖面的模拟结果进行对比,如下表4所示.
表4 不同方位中庭图书馆室内风环境模拟结果
Tab.4 Simulation results of indoor wind environment in the atrium library in different directions
观察得知,改变中庭的方位对图书馆室内风环境有很大影响.其中,中心式(即核心式)南侧以及中部大部分区域风速都在0.3 m/s以上,低风速区域主要集中在中庭背风面,各层平均R1值为62.1%.南向周边式室内风速在0.3 m/s以上的区域主要集中在迎风面一侧以及东西两侧,相比于中心式,其中庭北侧低风速区域明显扩大,平均R1值低于中心式.北向周边式高风速区域面积最广,中庭内部风速最均匀,各层平均风速最大,通风效果最好,只有小部分区域风速在0.3 m/s以下,平均R1值最大.西向周边式中庭位于水平气流方向的一侧,导致中庭影响范围小,平均R1值仅有55.2%.因此,北向周边式的自然通风效果最好,西向周边式通风效果最差.
核心式与多核式中庭的差异实际上就是中庭数量的不同,因此继续研究中庭数量对通风的影响.在控制中庭总面积一定的条件下,对不同中庭数量的图书馆进行风模拟.最终结果如下表5所示.
对比单核式中庭图书馆的模拟结果发现,双核式中庭室内平均风速有所提高,并且中庭周围的风速分布更加均匀,各层平均R1值大于单核心式.由于双核式两个中庭距离较近,主要影响区域还是集中在中心区域,同时,根据上文得出的结论,笔者在对三核式中庭模拟时,将中庭置于北侧.对比双核式模拟结果,三核式中庭通风效果有了显著提高,各层平均风速增大,中庭北侧风速低于0.3 m/s的面积减少,R1值为67.6%,大于双核式.
综上所述,在设计图书馆中庭时,可以通过增加中庭数量来提升室内通风效果.并且根据室内风速分布情况,将中庭布置在背风区域,可以提高大进深图书馆的室内风速.
中庭在各类公共建筑中的广泛应用,使其得到了多样化的发展,中庭形式与建筑剖面结合设计,呈现出丰富多样的类型[12].以剖面形态划分主要有四种:对齐式、错列式、缩进式以及扩张式.各剖面形态的中庭图式见表6.
表5 不同数量中庭图书馆室内风环境模拟结果
Tab.5 Simulation of indoor wind environment
表6 各中庭剖面形态示意
Tab.6 Profile of atrium
其中,对齐式是最常见的中庭剖面形式,上下层中庭空间位置对齐排列,空间形式比较单一.反之,错列式中庭则上下错开布置,空间组织灵活多变.缩进式是一种从下至上中庭面积逐渐缩小,各层平台向中庭内部逐渐延伸的中庭空间形态.扩张式中庭的剖面形态则是从下至上中庭面积逐渐扩大,各层平台向外逐渐退让,形成退台空间.
由于上文研究的中心式中庭图书馆的庭院剖面形式为对齐式,因此笔者在控制中庭总面积不变的情况下,通过改变中庭剖面形态来研究其对自然通风的影响,模拟结果如下表7所示.
观察上表模拟结果并且分析得知,改变中庭形态同样会对图书馆室内风环境产生影响.相比于对齐式,错列式中庭图书馆室内风速分布更加均匀,此外,由于错列空间对上升气流的引导作用使得中庭周围的风速有所提高.而缩进式中庭图书馆各层平均风速都有所降低,中庭内风速减小,平均R1值最小.相反的,扩张式的中庭内部风速增大,拔风效果提高,平均R1值则达到了69.9%.因此,当中庭形式为单核心式时,中庭采用扩张式的通风效果最好,错列式与对齐式次之,缩进式的通风效果最差.
相较于对齐式的中庭剖面形式,扩张式及错列式中庭的室内通风效果更佳,因此,笔者以这两种剖面形态为基础继续深入研究多核式中庭的自然通风情况.模拟结果如下表8所示.
表7 核心式中庭剖面形态图书馆室内风环境模拟结果
Tab.7 Simulation of atrium indoor wind environment
表8 多核式中庭剖面形态图书馆室内风环境模拟结果
Tab.8 Simulation of multi-core atrium indoor wind environment
对比表5中双核式中庭图书馆的平均R1值得知,采用错列式或者扩张式中庭剖面形态时其各层R1值均提高了,并且错列式的平均R1值大于扩张式.此外,增大中庭的错列距离可以加强空气水平方向的流通,提高了室内地面上方的平均风速.相反,增大扩张式的幅度反而使得部分楼层低风速区域面积有所增大,平均R1值仅为66.6%.所以,当中庭形式为多核心式时,中庭剖面形式采用错列式以及扩张式都可以提高通风效果,其中,错列式通风效果要优于扩张式.另外,增大中庭错列程度(即错位的距离)也能进一步加强室内自然通风.
本文通过对长沙地区各高校图书馆建筑的实地调研、计算机模拟等方法,结合自然通风理论,对图书馆的中庭空间形态进行研究,得出了以下结论:
(1)中庭布局方位:北向周边式的自然通风效果最好,核心式以及南向周边式次之,西向周边式通风效果最差.
(2)中庭数量:多核心式中庭通风效果优于单核心式中庭,设计中可以采用多中庭组合方式提升室内通风效果.
(3)中庭剖面形式:当中庭平面形式为单核心式时,采用扩张式剖面形态的通风效果最好,错列式以及对齐式次之,缩进式的通风效果最差; 当中庭平面形式为多核心式时,采用错列式剖面形态的通风效果最好.另外,增加中庭的错列程度(即错位的距离)也能够进一步增强.
