杨 瑛 蔡岳峰 黄永益 刘柱梁 徐 峰
中庭空间是人们探索建筑空间过程中的一个创造性成果，不仅丰富了建筑空间，而且在人居环境的改善上起到了一定的作用。特别在办公建筑的功能中，中庭空间不仅为建筑提供空间枢纽，而且为人们提供休憩、交往、娱乐等活动空间。随着社会的发展及人民生活需求的不断进步，舒适性变得越来越重要[1]，然而中庭空间的热舒适性与节能性通常是一对矛盾体，在双碳目标推行的政策下，如何通过前期的设计来更好地优化办公建筑中庭空间舒适性与节能性的平衡问题，成为建筑设计师们研究的一个重要方向。
自然通风作为一项廉价而成熟的被动式节能技术措施，在建筑热舒适性中发挥着重要的作用，也备受设计者们的青睐。以往自然通风的研究主要是通过实验或者实测的方式来进行，比如谭刚等人通过对中庭的自然通风的实验研究，提出了自然通风计算经验公式，为自然通风的研究奠定了理论基础[2-3]；
陈沂等人通过对城村古建民居的室外热环境参数进行实测来研究自然通风的效果，并为城村民居的改造提供优化方案[4]。随着计算流体力学（computational fluid dynamic,CFD）分析工具及技术的逐渐成熟，对于自然通风效果的研究，计算机仿真技术比起实验测试的方法结果更加的直观可视且经济性更高，因此，CFD技术越来越多的被研究者采用。张曾荣（Chang T.J）等人通过采用CFD数值模拟技术来研究自然通风对室内颗粒物的影响，并提出自然通风对于较大的颗粒物有明显的效果[5]；
法里亚（Farea）等人利用CFD技术来研究建筑中的采光井对自然通风的影响，提出了风向的重要性，并为改善高层建筑自然通风的设计提供了适当的指导[6]。
然而，针对办公建筑中庭空间的自然通风在项目前期设计中的研究仍然存在一定的不足。一方面，CFD模拟多用于对已有建筑方案的性能验证，而较少用于设计推敲；
另一方面，以往自然通风的研究主要集中在风速单指标上[7-8]，较少针对热舒适性其他指标进行研究，而且热舒适性关联的指标之间通常没有明确的关联性，增加了研究的难度。针对以上不足，本文以长沙江雅园办公楼项目为例，引入模糊数学的理念，采用数值模拟的方法，尝试从自然通风的风速和温度两方面来对热舒适性进行评估，提出一套针对办公建筑中庭空间自然通风舒适性的优化设计方法。
中庭空间位于建筑中部或者边侧，在顶部（侧面）利用大面积玻璃进行采光，高度上贯通多层的空间形式。具有利用自然采光、组织自然通风、引入自然植被等措施从而调节建筑室内微气候的作用，受到越来越多的学者的重视和研究。赵巍等人通过对商业建筑中庭的声环境和自然采光环境进行现场测试和问卷调研，得出商业建筑中庭室内声环境与光环境的影响权重占比，为中庭微气候调节的优化设计提供了理论基础[9]；
彭小云等人在研究中指出建筑的中庭对热环境具有调节作用，并提出了一系列措施和手段来改善中庭的热环境[10]。
一方面，自然通风技术具有显著的节能效果。通常情况下，采用自然通风的建筑比采用空调的建筑的能耗成本降低40%[11]；
余元波等人通过对某办公建筑中庭在不同开窗策略下自然通风特性的研究，得出采用自然通风的方式能实现节能率10%~25%的结论[12]。另一方面，自然通风技术对办公中庭空间具有提升热舒适性的作用。徐春桃等人通过运用实地检测和计算机模拟等技术手段，对某办公建筑中庭的热舒适性进行研究分析，得出自然通风对于建筑中庭热舒适性有明显改善效果的结论[13]。
综上所述，自然通风在办公建筑中庭空间具备节能和热舒适性改善的双重作用，因此不管是从绿色建筑的视角出发，还是从人体热舒适性需求的角度出发，办公建筑中庭空间的自然通风研究都有重要的意义。
2.1 模糊数学在热舒适性评价中的应用
模糊数学是继经典数学、统计数学之后发展起来的一个新学科，偏重于研究和处理模糊性现象。程凯丽等人通过实测对比的方式验证了模糊数学在热舒适判别分析中的可行性和科学性[14]；
曹双华等人应用模糊综合评价法建立了模拟自然风的热舒适模型，并通过实验的方式来验证其科学性[15]。由此可见，模糊数学为热舒适性的研究分析提供了一种新型的科学方法。
因热舒适性评价的关联因素很多，并且各评价因素之间通常没有明确的关联性，而模糊数学正是用来解决不确定性关系的一种学科，用来评价自然通风热舒适性则具有优势。陈佳，胥仁海等人用模糊综合评判理论与建筑风环境的评价相结合的方法，以厂区室外风场的舒适性作为评价对象，形成对象集A={a1，a2，......，an},其中a1，a2，......，an为各个采集点的风场；
评价过程中影响区域风环境的两个主要因素：风速以及气温称为要素集U={u1，u2}，其中u1表示风速，u2表示气温；
另外，风速和温度对于风环境影响的程度定义为不同权重值W={w1，w2}，其中w1表示与风速对应的权重，w2表示与温度对应的权重；
并设定对象集中的第i个采集对象ai对于要素集中的第j个对象uj的隶属度为rij，其结果可以通过模糊矩阵R来表示，
根据确定的“各要素对应的权重值”以及“各要素的指标隶属度”得出风环境的评价结果用矩阵B表示，即B=RWT[16]。B值越大，证明舒适性越好。
案例表明模糊数学在风环境热舒适性的评价中发挥了较好的作用，也为本文的中庭自然通风热舒适性的评估提供了理论支撑。
2.2 基于数值模拟的自然通风热舒适性模糊优化技术方法
自然通风的热舒适性是多种因素综合作用的结果，就热舒适性本身而言，它是一个精神上的、主观的心理反映。以往人们对热舒适性评价时，无论是采用温度指标、有效温度，还是热舒适方程、舒适图或预测平均投票值（PMV）—预测平均不满意率（PPD）体系，均是用传统数学方法，对热舒适性感觉各个级别间原本很模糊的边界给了精确的界定。这样就会出现用精确数学处理热舒适性反而不精确的现象。本文引入模糊数学的方法，建立了一种更加科学的热舒适评判体系。介于影响热舒适性的因素较多，基于设计阶段中庭空间内部湿度、太阳辐射等因素在室内变化较小，因此本文主要从风速和温度两个影响较大的因素和维度来进行热舒适性的模糊评估。
目前应用较广泛的计算流体动力学软件有Fluent, Phoenics, Vent等。本文借助Fluent 15.0软件进行研究分析。Fluent软件经过不断的完善和发展，具有计算高效、表达直观、建模快速等优点，且经过了大量研究和实际工程的应用，计算结果相对可靠[17]。
本文以实际案例为例，采用计算机数值模拟仿真技术与模糊数学方法结合的方式来对办公中庭的热舒适性进行评估。通过Fluent 15.0模拟软件，结合项目的实际情况，从中庭屋顶形态、中庭空间高度、进风口开启三方面的变量形成的多工况角度来分析对热舒适性评价指标的两个重要因素（风速和温度）的影响，最终通过模糊数学的方式来选择最优工况，从而为方案设计的优化提供一种技术方法。具体的技术路线如图1所示。
图1 技术方法路线图Fig.1 technology approach roadmap
3.1 项目概述
3.1.1 项目简介
江雅园办公楼项目位于湖南省长沙市洋湖湿地公园以北，东临雅河与湘江，西面与北面为城市街道，周边100 m范围内无其他大型建筑。本项目地上6层，地下2层，建筑设计高度21.25 m。本文研究对象为镶嵌于建筑南部的核心式中庭，即建筑南侧大堂联通的1~3层中庭空间，其中首层层高5.5 m，主要为大厅及其他公共空间，二、三层层高3.15 m，中庭顶部玻璃天窗，局部可开启（图2），其中蓝色部分为研究目标的剖面图。
图2 江雅园办公楼中庭空间示意图Fig.2 atrium space of Jiangyayuan office building
3.1.2 气象条件
根据所在地区的气象资料，制作了项目所在典型气候的风向标（图3），该地区季节盛行南风，室外平均风速2.6 m/s。
图3 典型气候风玫瑰图Fig.3 typical climate wind-rose chart
3.2 模型建立及工况设定
首先，为了确保边界条件的科学性，本文进行了相应优化。对于中庭空间内部自然通风模拟的边界条件采用室外自然通风模拟的方式提取，而没有直接根据气象参数来进行设定；
其次，为了使工况更加真实和准确，本文从实际项目的可变因素出发来设定多种工况。
3.2.1 室外模型的建立
3.2.1.1 室外模型建立
为了得到稳定的建筑周边风速与温度，需要充分考虑建筑外部环境的空气流动。根据《建筑环境数值模拟技术规程》中的要求：对于研究目标建筑物周边100 m范围内无大型建筑的情况，仅需考虑本身建筑的影响，计算域不应小于建筑本身的3倍。因此，本文采用800 m×460 m×100 m的计算区域。考虑到计算机的内存和计算速度的限制，网格采用非结构性网格局部加密处理，网格数约400万。
3.2.1.2 流体参数设定
根据建筑室内气流流动一般属于不可压缩、低速湍流[18-19]，本文中研究目标采用Fluent中不可压缩气体的标准 k-ε湍流模型，其中C1ε、C2ε是常数，C1ε=1.44，C1ε=1.92；
σk和σε是湍流数，σk=1.0，σε=1.3。
3.2.1.3 中庭自然通风模型及边界条件设定
根据设计图纸进行转换建模，并根据项目实际情况设定四个方向进风口，分布定义为v0、v1、v2和v3（图4）。
图4 中庭空间模型示意图Fig.4 atrium space of model diagram
入口边界设定为速度入口：在数值模拟自然通风的计算过程中，入口边界条件选用velocity-inlet边界条件。通过室外自然通风的模拟计算来提取其他速度边界条件（图5），v0=1.5 m/s，v1、v2、v3=1.2 m/s。根据中国标准气象数据（CSWD）长沙地区过渡季节（5月份）室外平均温度为24 ℃，室外最高温度30 ℃。考虑到最不利情况，因此进风温度设定为24 ℃，室内温度设定为30 ℃。
图5 室外风环境模拟结果Fig.5 outdoor wind environment simulation results
出口边界条件：假设流动充分发展，边界条件为自由出口边界；
另外墙面和屋顶均设置为绝热体，表面温度设定与室内温度一致，拟定为30 ℃。
3.2.2 工况设定
众所周知，中庭的天窗对于自然通风具有很好的拔风效果，对热舒适性有提升效果，为了使中庭空间形成更好的对流效果，因此下文工况均设定天窗为开启状态，并根据项目的实际情况，本文仅考虑中庭屋顶形态、中庭高度及进风口开启三种不同变量对中庭自然通风热舒适性的影响进行研究分析。根据屋顶形态的不同，主要设定为坡屋顶（工况A1）和平屋顶（工况A2）两种工况；
根据中庭的高度不同，结合设计图纸设定四种不同高度工况：H1=11.8m（工况B1）、H2=14.95 m（工况B2）、H3=18.1 m（工况B3）、H4=21.25 m（工况B4）。另外，根据项目实际进风口开启的情况设定八种不同的通风方式工况，具体工况设定如表1。
表1 工况设定Tab.1 working condition setting
3.3 试验结果与数据分析
由于人体主要活动区域为距离地面1.5 m左右的高度区域，因此将本文的研究对象拟定为地面1.5 m高度的风速场和温度场。
3.3.1 风速模拟分析
速度云图是基于流线上的反应速度大小的可视图，因此用速度云图来反应中庭空间内自然通风的气流组织状态更加的直观，根据研究得出风速在1~4 m/s之间的舒适性较好[20]。通过各工况的模拟，制作了14种工况下的1.5 m高度处的速度云图对比（图6）。
图6 各个工况下速度场云图对比Fig.6 comparison of velocity field clouds under various operating conditions
首先，两种不同的中庭屋顶形态变化下速度云图：一方面随着中庭进深的增加，风速逐渐递减，且中庭存在不少静风区；
另一方面，看出斜屋顶工况下的风速的递减比平屋顶较慢，风速区域较大。其次，四种不同中庭高度下速度云图：从整体流动性来看工况B2、B3比B1、B4较好，但是效果并不明显；
从静风区比例来看B2工况更优。因此可以看出中庭高度对于风速有一定的影响，但不明显。最后，八种不同进风口开启方式下的速度云图：从图中可以看出，工况C2，C5，C6，C8在增加一楼侧面通风的情况下，能明显看出自然通风面积的增加，其中工况C8的流通死角最小，且风速均衡性最高。因此，进风口开启越多，室内风速的均匀性越好。
另外，针对三种因素下的风速图可以看出C工况下的风速云图比A和B工况下风速更加均匀，证明进风口开启方式对于风速的影响比起中庭屋顶形态和中庭屋顶高度的影响更大。
3.3.2 温度模拟分析
相关的研究表明，人体舒适度比较适宜的温度范围为23 ℃ ~25 ℃[15]。由模拟结果制定了14种工况下人体活动区1.5 m处的温度云图对比（图7）。
图7 各个工况下温度场云图对比Fig.7 comparison of velocity field clouds under various operating conditions
首先，从表中可以看出，每个工况下均有温度集中区，且颜色较深，本区域定义为温度死角。温度死角是舒适性较差的区域，也是在设计时需要避免出现的。因此合理的设计屋顶的形态对于温度场有重要的作用。
其次，工况A1和工况A2为屋顶形态变化下的两种不同的温度云图情况，从表中可以看出，在来流方向上，工况1的温度流场更广，同时温度死角较少。因此工况A1的温度场分布优于工况A2。工况B1—B4为中庭高度化下的四种不同的温度云图情况，从表中可以看出，随着高度的增加，温度云图有一定的影响，但是变化不明显。工况C1—C8为不同的通风方式下的速度云图情况，从表中可以看出，随着进风口开启越多，室内温度云图的舒适区域逐渐增加。由此可以看出三种不同的条件影响下，进风口开启方式对于温度场的影响更大。
3.3.3 舒适性的模糊最优解
为了更好的评判室内自然通风带来热舒适性的效果，特提出在人体主要活动区域1.5 m处平面速度为1.0 m/s以上的面积占整个房间面积的百分比S1[21]以及1.2 m处温度为23 ℃~25 ℃之间的面积占整个房间面积的百分比S2作为衡量自然通风热舒适性的判断依据。根据以上模拟的结果得出14种工况下面积占比S1和S2的值（表2）。
表2 各个工况下评价要素占比Tab.2 percentage of evaluation elements under various operating conditions
本文采用指派方法确定隶属函数[22]。根据“风速面积占比”和“温度面积占比”问题的实际情况采用梯形分布的偏大型的指派方法分别如下：
通过“风速面积占比”“温度面积占比”的隶属函数即可求出相关的隶属度，得出14个工况的模糊矩阵
在本文设定的风速及温度范围内，拟定对温度和风速的影响赋予均衡权重值，即W=(0.5，0.5)，得出14种工况下热舒适性的模糊评价结果为：
通过模糊数学计算方法得知，在计算结果矩阵B中数值越大对应的设计方案则越优[16]，因此本文工况设定条件下C8为最优的设计方案。另外，在能开启两个进风口的情况下，C4优于C2和C3；
在能开启三个进风口的情况下，C5和C7优于C6。
随着办公中庭空间设计的不断创新，热舒适性将成为设计前期工作的一项重要指标工作。本文以实际项目为例，利用fluent数字仿真技术对中庭空间不同因素影响下的风速和温度场进行模拟分析，对办公建筑中庭自然通风的热舒适性进行研究，并通过模糊数学的方法来选择最优工况，为建筑方案设计前期阶段提供一种择优方法。主要得出以下结论。
第一，从中庭屋顶形态的变化可以看出，坡屋顶形态下的中庭空间自然通风热舒适性更好，在前期的设计阶段，应尽量采用坡屋顶的中庭形态；
第二，中庭的空间高度的变化对于自然通风热舒适性的影响较小，因此在前期的设计阶段综合考虑其他实际情况时可以适当地进行取舍；
第三，中庭的进风口开启方式对于室内热舒适性的影响较大，不同进风口开启方式热舒适性的影响不同，该方法能提供不同条件方案下的择优选择。
限于篇幅问题对于热舒适性的评估，本文仅考虑到了风速场和温度场的模糊优化，存在一定的局限性。但是，本文旨在提供一种科学有效的技术评估方法，此方法不仅能够解决建筑师针对不同因素影响下进行设计时可能遇到的技术壁垒问题，提高设计效率；
而且通过本文的技术分析有助于指导后期建筑开窗方式来引导自然通风，为建筑的运营实效提供建议。
图表来源：
图1-7：作者绘制
表1-2：作者绘制
猜你喜欢进风口中庭舒适性十五夜①望月红蜻蜓·中年级(2022年9期)2022-09-26中庭形式及天窗面积对空调能耗的影响分析中华建设(2022年7期)2022-07-15舱外航天服主动热控与人体舒适性实验研究载人航天(2021年5期)2021-11-20医用一次性防护服热湿舒适性主动式改善方法研究现代仪器与医疗(2021年2期)2021-07-21一种汽车烤漆房送风装置时代汽车(2018年8期)2018-06-18酱油制曲关键工艺设备优化科技与创新(2016年24期)2017-03-30回廊式中庭建筑烟气控制方法研究中国人民警察大学学报(2016年2期)2016-10-24黛安芬、曼妮芬聚拢系列舒适性较差消费者报道(2016年3期)2016-02-28警惕鸡舍侧墙湿帘进风口的隐患中国动物保健(2015年8期)2015-12-30轴流风机进风口对噪音的影响中国科技纵横(2015年16期)2015-11-20