【摘要】随着城市化的发展，较多的下沉式庭院建筑出现在西安城市中心、高校，与传统建筑相比，此类建筑是否会满足人的舒适性，是否具有较好的自然通风效果。本文以西安地区某下沉式庭院建筑为研究对象，通过对庭院内自然通风效果的研究，确立不同下沉高度下，各自然通风房间换气次数，以此为数据，确定适合于西安地区下沉式庭院下沉高度。
【关键词】自然通风；下沉式庭院；下沉高度；
随着我国城市化加剧，城市人口密集，城市地上用地增大，城市空间呈现出结构复杂化、多样化的趋势，扩大了城市空间的容量。地下空间的发展已成为新兴的稳步发展的国际化潮流。大多数地下建筑都属于封闭空间，而且基本上都采用机械通风空调系统[1]，这种空调系统虽然能很好的解决地下空间空气环境品质问题，但其耗能也是相当大的，目前，我国约有15%的电能用在空调能耗上，新风能耗又占总空调能耗的25%-38%。相对地上建筑，地下建筑在通风环节消耗的能源要更高，过高的使用成本肯定会限制人们对地下空间的开发利用[2]。因此许多设计者对地下空间采用自然通风进行了研究，探索自然通风在地下空间中的应用潜力。
受西安地区地貌、气候等特点影响，很多下沉式庭院建筑较多的出现在城市中心、高校，此类建筑是否会满足人的舒适性，是否具有较好的自然通风及采光效果。因此对西安地区下沉式庭院建筑的自然通风进行研究就显得比较重要。
一、研究方法
本文以西安某高校教学建筑的几个下沉式教室为研究对象，采用计算流体力学（CFD）方法对其室内风环境进行数值模拟。首先，比较不同下沉高度对下沉庭院房间内自然通风引入的影响，分析三种截面（分别为建筑物迎风面、背风面、侧风面）下几个教室在不同下沉高度下室内气流组织分布情况；最后，综合下沉庭院室外风环境、室内风环境给出合理的下沉高度。
二、数值模拟的方法与边界条件确定
2.1下沉式庭院室内研究对象的确定
国内外很多学者对室外风场的研究表明，当带有下沉式庭院的建筑与来流风成一定角度时，建筑各面前后压差都不同，本文选取了研究教学建筑迎风面最大风压区、侧面正压区、迎风面部分负压区（对应105、108、101教室）为研究对象。
2.2网格形式的划分
在对室内风场进行模拟时，网格的形状、数量、尺寸、排列形式都对流场的模拟结果影响很大。室内模拟时由于模型的几何形式不变，本文模拟的建筑物在建模时均采用非结构化网格。建筑物各个研究房间网格划分为图2.1；
2.3边界条件
对建筑室外风环境模拟时为了简化几何模型，将所研究的建筑物认为实体建筑，这导致在建筑开口位置（门、窗）产生绕流与回流现象，使得风不能流入这些开口，但在建筑物前后会形成压差，这些表面压力可以通过对模型表面截取点获得。本文在研究室内风场的基础上，对室外风环境进行了模拟，实体建筑表面产生的压力为边界条件（这些压力的选取分别是在建筑表面对应室内表面上截取的压力点对应到研究室内各门窗上），对室内建筑各门窗进行压力边界条件设置，根据来流风向及压力正负判定压力入口（Pressure inlet）与压力出口（Pressure outlet），具体压力数值如表2.1、2.2、2.3。
结合表2.1、2.2、2.3与图2.2（a）、（b）可以得出，对于南向101教室窗口1、2设为压力入口（Pressure inlet），窗口3及门1、2设为压力出口（Pressure outlet）；对于南向105教室窗口1、2及门1设为压力入口（Pressure inlet），窗口3、4及门2设为压力出口（Pressure outlet）；南向108教室与101教室对称，门1、2及窗口3设为压力入口（Pressure inlet），窗口1、2设为压力出口（Pressure outlet）；
三、下沉式庭院室内风场模拟结果分析
本文你应用Fluent软件对室内风场进行模拟，利用改变下沉庭院下沉高度后通风口处边界条件的变化，分别对下沉式建筑物的三个房间室内进行模拟，并将结果进行分析、评价，最终为工程设计初期提供相关数据。
3.1下沉式庭院高度变化对建筑室内自然通风模拟分析
3.1.1模拟工况和目的
模拟分析的目的：
1. 通过对不同下沉高度时建筑物三个房间室内风环境的模拟，分析其各工况下流场的规律，计算各个房间室内通风量以及换气次数，最后综合评价房间内自然通风状况。
3.1.2模拟分析
1.通风量及通风换气次数
当建筑物开口两侧存在压差时，空气就能通过开口并形成自然通风。通过开口的空气流量由伯努利方程导出[3]。其表达式为3-1式。
2.建筑物通风孔尺寸及有效面积
结合实际测量，建筑物各房间门窗尺寸都相同，其中101与108教室都为3扇窗及2扇门，105教室为4扇窗及2扇门，其中窗半开的尺寸为1500mm×975mm，门半开尺寸为2100mm×665mm，模拟时认为门窗全部开启。表3.1是通过计算得出的各房间通风开口情况。从表中可以看出，各个通风房间有效通风开口面积与地板面积比基本在5%以上。
从图中可以看出，不同下沉高度下南向101教室流场分布规律基本相同，窗口1、2处风速较大，室内气流分布相对较弱，室内整体流场分布较为均匀，通风效果良好。风向沿窗口1、2轴心处向教室两边流动，并在局部形成较明显的涡旋区。
从图中可以看出，速度等值线间距为0.07m/s，速度较大区域均出现在窗口1、2 及其延伸区域，最小区域都出现在窗口3后面的角落，教室整体风速都在0.3m/s左右，局部靠近窗口及门处会出现较大风速。z=4m时最大风速为1.31m/s，最低风速为0.0656m/s，教室中心处速度为0.347m/s；z=5m时最大风速为1.28m/s，最低风速为0.0638m/s，教室中心处风速为0.413m/s；z=6m时最大风速为1.14m/s，最低风速为0.0569m/s，教室中心处风速为0.373m/s。对比图a、b、c发现随着庭院下沉高度的增加，教室后半部分平均风速增加，流场更加均匀。 表3-2给出了南向101教室在庭院下沉高度不同时室内通风量及换气次数，经统计，在三种不同高度下101教室通风换气次数均在6次/h以上，通风换气次数效果较好。从通风量上对比z=5m时通风量最大，换气次数也较大。参考《中小学校教室换气卫生标准》GB/T17226-1998的规定，教室人员所需最小新风量不得小于17 m3/（h・人）；及《中小学校设计规范》的规定，教室人员所需最小新风量以换气次数确定时不得小于4.5 h-1。南向101教室三种下沉高度下均满足其最小新风量。
不同下沉高度下南向105教室流场分布规律基本相同，窗口1、2及门1处风速较大，室内气流分布相对较强，风向沿窗口1、2及门1轴心处向窗口3、4及门2处流动，在教室中间位置风向两边流动，教室整体通风效果良好。
速度等值线间距为0.08m/s，速度较大区域均出现在窗口1、2 及门1的延伸区域，最小区域都出现在教室两边靠墙处，教室整体风速都在0.5m/s左右，局部靠近窗口及门处会出现较大风速，这主要是由于此教室位于建筑物迎风面。z=4m时最大风速为1.65m/s，最低风速为0.0826m/s，教室中心处速度为0.516m/s，且在教室左侧靠墙处其风速要比其他两种高度下要大；z=5m时最大风速为1.66m/s，最低风速为0.0829m/s，教室中心处风速为0.522m/s；z=6m时最大风速为1.80m/s，最低风速为0.0859m/s，教室中心处风速为0.632m/s。可以看出，对于建筑迎风面的教室，下沉高度增大，有利于自然通风。
给出了南向105教室在庭院下沉高度不同时室内通风量及换气次数，经统计，在三种不同高度下105教室通风换气次数均在6次/h以上，通风换气次数效果较好。从通风量上对比z=6m时通风量最大，换气次数也较大，即为迎风面对应的教室随着下沉庭院高度的增加室内通风量也在增加。且南向105教室满足最小新风量标准。
不同下沉高度下南向108教室流场分布规律基本相同，且能形成很好的对流，窗口3及门1处风速较大，室内气流分布相对较弱，风向沿窗口3及门1轴心处向窗口1、2及门2处流动，在教室中间位置风向两边流动，教室整体通风效果良好。
速度等值线间距为0.09m/s，速度较大区域均出现在窗口3及门1的延伸区域，最小区域都出现在窗口2靠墙处，教室整体风速都在0.2m/s左右，局部靠近窗口及门处会出现较大风速。z=4m时最大风速为1.69m/s，最低风速为0.0851m/s，教室中心处速度为0.348m/s；z=5m时最大风速为1.70m/s，最低风速为0.0844m/s，教室中心处风速为0.35m/s；z=6m时最大风速为1.74m/s，最低风速为0.0872m/s，教室中心处风速为0.359m/s。可以看出，随着下沉高度的增加，迎风面侧面教室室内风速呈增大趋势。
给出了南向108教室在庭院下沉高度不同时室内通风量及换气次数，经统计，在三种不同高度下108教室通风换气次数均在6次/h以上，通风换气次数效果较好。从通风量上对比z=6m时通风量最大，换气次数也较大，即为迎风面侧面对应的教室随着下沉庭院高度的增加室内通风量也在增加。且南向108教室满足最小新风量标准。
4.总结
通过对南向下沉庭院中三种典型教室室内风场模拟，结合图3.7 三种教室在不同下沉高度下室内通风换气次数柱形图。可以看出，带有围合式庭院且与来流风成一定角度的这种建筑形式，地下空间具有良好的自然通风潜能。南向101教室属于迎风面部分负压区域，从模拟结果中看出，此区域通风量在z=5m时最大，即通风换气次数最多，随着高度的增加，室内平均速度及通风量都会呈减小趋势。105教室属于迎风面且压力较大区域，此区域通风量及换气次数都比其他两个区域大，通风效果最好，随着下沉高度的增加，室内平均风速及通风量都在增加，有利于自然通风。108教室属于侧面迎风面，此区域由于有较大的正压，在通风量及换气次数上都比101教室通风效果好，且随着下沉高度的增加，室内通风效果增强。综合室外风场模拟、经济、施工难易程度及人对地下建筑封闭感的心理因素，对于这种围合式，且与来流风向成一定角度的下沉庭院建筑，下沉高度为5m时最佳。
四、本文总结
本章主要对下沉庭院室内风场进行模拟，采用庭院室外风场模拟中壁面压力数值为边界条件。通过对某典型下沉式建筑不同下沉高度下各室内速度矢量图、云图分析，得出此类庭院室内气流组织情况，并通过计算室内通风量及换气次数评价室内自然通风潜能，最后根据通风量及换气次数得出合理的下沉高度通过上述研究的内容得出了以下结论：
与来流风成一定角度的围合式庭院，改变其下沉庭院高度，室内通风效果得到一定改善。对于建筑迎风面、侧面通风量及换气次数都是随着庭院高度的加大而增大（南向105、108）；迎风面部分负压区对应的室内风环境，其中间高度下，通风效果最佳（南向101教室为例）；综合较多因素，当庭院下沉高度为z=5m时为最佳下沉高度。
参考文献
[1] 朱星平.设计“健康”的地下空间[J].地下空间.2004，24（4）：530-535.
[2] 赵阜东，陈保健，焦冠然.地下建筑可持续性设计方法---地下建筑自然通风设计研究[J].地下空与工程学报，2006，2（4）：532-538.
[3] 文福.大开口自然通风模拟及实验研究. 西安建筑科技大学硕士论文.2008.6.
