基于PHOENICS技術(shù)的城市既有別墅通風優(yōu)化設(shè)計★

吳紫珊，杜肇銘，馬 悅，楊順儀

(廣東財經(jīng)大學藝術(shù)與設(shè)計學院，廣東 廣州 510320)

近年來，隨著生態(tài)安全問題和環(huán)境危機的進一步蔓延，尤其是2020年以來全球新冠病毒形勢的日益嚴峻，人們逐漸意識到提高建筑環(huán)境質(zhì)量的重要性，追求綠色、生態(tài)、健康、舒適的居住空間，減少對空調(diào)的依賴成為共識。自然通風作為可調(diào)節(jié)空間物理舒適度以及降低空間對空調(diào)的依賴，逐漸成為住宅設(shè)計的關(guān)注焦點。

為貫徹綠色發(fā)展節(jié)能減排的政策理念，推動綠色高質(zhì)量的建筑發(fā)展，實現(xiàn)建筑全過程的綠色建造，《廣東省綠色建筑條例》提出：綠色建筑建造要因地制宜，努力提高建筑的耐久性、舒適性、資源節(jié)約等性能。對既有建筑的優(yōu)化改造是綠色建筑對資源、經(jīng)濟節(jié)約的重要手段之一，綠色改造是綠色建筑發(fā)展重要的組成部分。本文針對廣州城區(qū)的既有別墅進行空間內(nèi)外的通風分析，結(jié)合流體力學軟件PHOENICS對建筑優(yōu)化前后的風環(huán)境模擬分析，從而探索既有別墅建筑內(nèi)外通風優(yōu)化設(shè)計方法。

1 PHOENICS模擬技術(shù)的發(fā)展及其優(yōu)勢

1.1 PHOENICS的概念及其特點

PHOENICS軟件是針對建筑室內(nèi)外風環(huán)境、風環(huán)境舒適度、熱島效應等問題進行流動、傳熱、反應、燃燒過程模擬分析的CFD綠色建筑分析軟件，其數(shù)據(jù)的精準化和通風模擬的科學化在建筑設(shè)計中尤為重要。PHOENICS對設(shè)計項目的周邊環(huán)境及影響建筑的物理因素進行準確的模擬，最終將其模擬結(jié)果數(shù)據(jù)化及可視化，為項目建設(shè)和設(shè)計施工提供一定的科學依據(jù)，一定程度上減少了項目中資源的浪費，實現(xiàn)項目的可持續(xù)發(fā)展。

1.2 PHOENICS應用于廣州城區(qū)既有建筑改造的優(yōu)勢

本文改造項目選自廣州番禺區(qū)錦繡香江小區(qū)的既有別墅。根據(jù)《建筑氣候區(qū)劃標準》[1]的規(guī)定劃分，嶺南地區(qū)為夏熱冬暖的濕熱地區(qū)，具有夏季氣溫較高且時間長、冬季溫暖且時間較短、降雨量充足、濕度大等氣候特點，因此優(yōu)化建筑的通風、降溫、隔熱等風環(huán)境因素在嶺南建筑設(shè)計中尤為重要。

基于嶺南潮濕悶熱的夏季氣候特點，既有建筑存在著由通風不良引發(fā)蚊蟲滋生、墻體材料發(fā)霉脫落等問題。利用PHOENICS軟件對廣州夏季的主導風向、住宅區(qū)的空間布局、建筑朝向、建筑的空間形態(tài)等進行數(shù)據(jù)模擬分析，根據(jù)測試數(shù)據(jù)推斷出造成建筑無法形成良好通風環(huán)境的原因；依照廣州夏季的空氣溫度變化，結(jié)合場地周邊的熱場及風場情況，以此通過調(diào)整建筑的空間布局、通風口分布及大小、建筑周邊景觀分布等方案，加強室內(nèi)的通風換氣次數(shù)，將自然通風與機械通風措施結(jié)合，加強建筑的被動式自然通風技術(shù)，降低對暖通空調(diào)系統(tǒng)的依賴程度，從而形成合理的室內(nèi)熱舒適度優(yōu)化設(shè)計方案，為別墅的室內(nèi)風環(huán)境熱舒適度提供數(shù)據(jù)支撐[2]。

2 廣州城區(qū)既有別墅存在的問題

2.1 廣州既有建筑的發(fā)展現(xiàn)狀

根據(jù)住建部發(fā)布的《2020年城市建設(shè)統(tǒng)計年鑒》顯示，廣州市居住用地占城市建設(shè)用地的30.9%(數(shù)據(jù)來源：中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部2021年10月發(fā)布的《2020年城市建設(shè)統(tǒng)計年鑒》中相應數(shù)據(jù)整理得出)，廣州城區(qū)內(nèi)現(xiàn)存的大量既有獨棟建筑建于20世紀80年代～21世紀初。在城市化經(jīng)濟模式的快速增長下，房地產(chǎn)也因政策的改變而快速發(fā)展成龐大的行業(yè)鏈，推出大量仿西方建筑風格的住宅。過快的建造速度使得小區(qū)的空間布局和住宅建筑缺乏對廣州氣候的設(shè)計適應性，導致建筑耗能大，加劇了城市的熱島效應；住宅在濕熱的夏季無法達到良好的自然通風，引發(fā)室內(nèi)悶熱、蚊蟲滋生、墻體材料發(fā)霉脫落等普遍問題，廣州地理位置以及建筑空間布局，嚴重降低了夏季的室內(nèi)舒適感，導致城區(qū)居民的空調(diào)使用時間增長，既增加耗能成本，也在一定程度上對身體健康造成負面影響。

隨著時代的發(fā)展，人們的生活方式對居住空間需求產(chǎn)生了巨大的改變。從20世紀80年代的國家計劃生育政策到2021年8月提出實施三孩生育政策，城市家庭的人員構(gòu)成也隨著政策的改變而發(fā)生變化，空間居住面積已無法滿足現(xiàn)有家庭人員的基本居住需求。生活質(zhì)量的提高，讓人們不再滿足于房屋所提供的基本生存居住環(huán)境功能，進而過渡到居住空間的舒適性程度提升上，過去的住宅建筑質(zhì)量和住宅空間功能已經(jīng)無法滿足現(xiàn)在人們對于居住空間的需求，因此可以利用對既有建筑的通風優(yōu)化設(shè)計來滿足城區(qū)居民對居住空間的需求，提高空間的風環(huán)境熱舒適度，既延長既有建筑的使用時間，又大大減少對社會資源和環(huán)境資源的浪費。

2.2 錦繡香江別墅小區(qū)現(xiàn)存的問題

2.2.1 小區(qū)規(guī)劃引發(fā)的通風問題

該小區(qū)首期規(guī)劃的獨棟別墅建于2003年，由于小區(qū)的開發(fā)規(guī)劃問題，小區(qū)為集中、密集的混合式空間布局，住宅區(qū)的道路結(jié)構(gòu)形式為混合式。

自然水系貫穿于整個小區(qū)的規(guī)劃之中，綠化率達到40%，別墅統(tǒng)一臨湖而建?；趶V州夏季悶熱潮濕的氣候特征，小區(qū)物業(yè)缺少對湖邊綠植進行定期的綠化養(yǎng)護，湖邊綠植肆意生長，雜草叢生，容易滋生蚊蟲，對居民的健康造成一定的影響；庭院外的樹木阻擋了湖景與別墅空間的對流換熱，降低了臨水風向的流動程度。別墅區(qū)內(nèi)建筑高度均為兩層，但建筑分布過于集中，密度較高，相鄰的建筑之間樓間距過近，導致夏季通風氣流受到阻擋，建筑之間私密性不夠。

2.2.2 別墅建筑的空間布局引發(fā)的通風問題

改造的建筑對象朝向為東偏北約15°，與廣州的夏季風(東南偏南)側(cè)對，夏季風被庭院南邊的綠植、別墅以及3 m高的實體圍墻所阻擋，無法順暢進入庭院，導致建筑內(nèi)的客廳、餐廳及庭院入口之間無法形成對流。別墅區(qū)的地勢從東北方向西南方依湖面逐級下降，利用原有的地形高差而建，導致建筑東北方向的入口處有3 m多高的坡地，難以與西南面的湖面形成對流。

建筑二層房間通風口面積較小，封閉性較強，通風性低，造成室內(nèi)部分空間出現(xiàn)無風區(qū)域，自然風只能利用進風口進入到建筑，不利于室內(nèi)形成良好的通風換氣；致使在夏季多雨時期，房間內(nèi)空氣中的水分難以排出，并且人在空間內(nèi)活動使水蒸氣含量增加，房間內(nèi)的水分加劇無法通過自然通風帶到室外。

3 基于PHOENICS技術(shù)的別墅通風優(yōu)化設(shè)計

3.1 軟件模擬

本文依據(jù)《民用建筑綠色性能計算標準》[3]中室外氣象參數(shù)作為模擬分析參考，測試中以廣州風向風速數(shù)據(jù)作為模擬依據(jù)：夏季盛行東南偏南風，平均風速為2.3 m/s；冬季盛行東北偏北風，平均風速為2.7 m/s；室外溫度為31.8 ℃。

室內(nèi)自然通風計算研究規(guī)定計算高度應是人在室內(nèi)活動時1.5 m高處的橫截面風速作為評價性指標，自然風是無規(guī)律流動的，人們的室內(nèi)活動需要在一定的風速影響下才能感到舒適。

利用AutoCAD軟件對局部場地及住宅體塊的實際尺寸建立模型，分別導入PHOENICS中進行數(shù)值計算。計算范圍根據(jù)研究的規(guī)范要求加以限定[4]，模型的高度為H，以模擬模型為計算范圍中心，入流方向到模型距離至少為5H，出流方向距離至少為10H，模型頂部到計算邊界高度至少為3H，模型范圍小于計算范圍的3%。

3.2 模擬結(jié)果分析

通過PHOENICS對場地及單體住宅的風環(huán)境模擬結(jié)果進行分析，對室內(nèi)進行風速測點記錄。場地一二層夏季風速：0.015 m/s～2.375 m/s，部分住宅的背風面形成靜風區(qū)，通風較弱(見圖1)；單體住宅間的隔墻過高，對庭院內(nèi)過道的通風造成一定的阻擋，從而庭院的室外廊道出現(xiàn)靜風區(qū)。

從單體住宅的風環(huán)境模擬結(jié)果得出(見圖2)，一層有良好的自然通風，但由于客廳大面積開門，進入室內(nèi)的風速過大，若推拉門全打開將會影響人的室內(nèi)活動，需要對進風口進行優(yōu)化；二層整體風速范圍在0.018 m/s～0.478 m/s之間，風速低于0.5 m/s，風環(huán)境良好，但套房內(nèi)的衛(wèi)生間處于背風區(qū)，室內(nèi)的空氣難以排出，容易對房間形成空氣污染。

3.3 優(yōu)化設(shè)計分析

經(jīng)過PHOENICS對錦繡香江的風環(huán)境模擬分析得知，實地考察的主觀判斷受天氣、個人感受等問題的限制，受到主觀因素的影響，一定程度上影響了準確性。通過對庭院、單體的風環(huán)境優(yōu)化分析，提出合理的解決問題的措施。

3.3.1 設(shè)置開敞空間引導自然風的流動

原建筑一層雖然有大面積開窗，但由于在別墅區(qū)的規(guī)劃布置上，別墅間的間距過小，對自然風從通風口進入建筑內(nèi)形成了一定的隔擋，從而在一層利用推拉門將建筑南側(cè)打開，與室外休閑平臺形成半室外的開敞空間，大面積敞開與北面的建筑主入口形成對流，利用廊道空間將室外的自然風引導進入室內(nèi)；東南側(cè)的玻璃幕墻同時與北側(cè)的進風口開窗形成對流，同時增加建筑采光面積。

原建筑二層西南角雖然設(shè)置了陽臺，屋頂設(shè)置挑檐，但太陽對建筑西南面直曬的影響并沒有減緩。主臥空間大面積開窗，造成太陽光直接進入到空間內(nèi)，雖然采光問題得到一定的解決，但太陽直射光產(chǎn)生的熱量也直接進入到房間內(nèi)。為解決主臥直曬問題，通過采用擴大屋頂?shù)奶糸苊娣e和延伸高度的方式，減少室內(nèi)的太陽直曬面積。

在建筑表面風壓與其他參數(shù)設(shè)置相同的情況下，對優(yōu)化后的平面進行模擬分析(見圖3)。

從圖3中可以看出，經(jīng)過優(yōu)化后的室內(nèi)平面氣流分布更加均勻，氣流從南側(cè)庭院的通風口進入，從北側(cè)的通風口排出，形成獨立的氣流小循環(huán)。從風速云圖中可以看出，一層的西南側(cè)打開后，室內(nèi)平均風速為0.68 m/s，客廳區(qū)域平均風速為1.21 m/s，中庭平均風速為1.23 m/s；而中式廚房區(qū)域涉及到明火和油煙問題，從而合理地減少開窗面積，降低通風對該區(qū)域的影響。

別墅的南側(cè)打開后，建筑的整體通風情況得到了明顯的改善，一層的氣流分布比原方案均勻，二層的主臥與書房通過合理地增加通風口，使室內(nèi)的氣流分布較為均勻；調(diào)整二層北側(cè)的公共衛(wèi)生間開窗位置，利用回風作用[5]，解決室內(nèi)空氣污染問題(見圖4)。

3.3.2 利用交通核改善室內(nèi)通風

為解決別墅中心區(qū)域風速低的情況，中間區(qū)采取交通核與采光井相結(jié)合，利用中心區(qū)將別墅改為東西兩部分，建筑北側(cè)利用樓梯與負一層的下沉式天井、屋面的老虎窗形成采光井。屋頂設(shè)置老虎窗增加樓梯的采光面積，提高室內(nèi)溫度，交通核與一二層房間形成溫度差，交通核的空氣密度比房間小，形成熱壓通風，解決中心區(qū)通風問題。交通核作為建筑的熱壓通道，屋頂開啟大小合適的通風口，利用負一層的下沉式天井及屋頂窗戶形成拔風效應，促進空間內(nèi)部的自然通風[6]。

通過測試模擬數(shù)據(jù)證明，交通核的熱壓通風作用——室外空氣通過底層的孔洞進入交通核中并從上層和屋頂孔洞排出，形成室內(nèi)順暢的通風模式。

3.3.3 設(shè)置通風采光井加強室內(nèi)通風

為滿足業(yè)主對別墅的居住需求，優(yōu)化方案中增加負一層面積，將休閑娛樂空間放置于該層。因此，為解決負一層的通風采光問題，在負一層的西側(cè)和東北側(cè)各放置下沉式天井，同時利用天井解決別墅的泛潮問題和加強室內(nèi)的自然通風[7]。

東北側(cè)下沉式天井加強交通核的采光與通風程度，引導自然風進入室內(nèi)；利用天井內(nèi)的水體及植物進行降溫，以達到調(diào)節(jié)熱環(huán)境的效果，為負一層營造冷源；不受太陽直曬的室內(nèi)地面空氣與天井直曬地面空氣形成冷熱壓差，促進空間流動(見圖5)。

3.3.4 加大建筑采光面積

原建筑的中空對空間并沒有起到顯著的通風或采光功能，中空位于建筑的東南側(cè)，與東南側(cè)的別墅距離較近，由于考慮到隱私問題，東南側(cè)墻體不宜使用通透的材料。

庭院南面圍墻使用固定金屬穿孔板，一方面確保隱私安全，另一方面優(yōu)化通風情況；別墅中間東側(cè)的中空采用雙層玻璃幕墻以及中空頂部設(shè)置老虎窗使別墅中間區(qū)域形成采光、通風一體化功能區(qū)，同時與戶外景觀形成良好的室內(nèi)外聯(lián)系。由于東面的別墅與改造建筑間距過小，導致西側(cè)庭院受曬面積小，受曬時間短，通過加大別墅的采光面積，增加室內(nèi)受曬面積，從而室內(nèi)比庭院的空氣溫度高，空氣密度比庭院的小，利用室內(nèi)與庭院的空氣密度差形成熱壓差，讓空氣從庭院流進室內(nèi)，給室內(nèi)營造“清涼感”。

通過設(shè)定邊界范圍相同的情況下對中空進行模擬分析，對比增大采光面積對室內(nèi)通風的變化情況。

從別墅一層中空的室內(nèi)1.5 m高度風速云圖(如圖6所示)中可以看到，未設(shè)置玻璃幕墻時，原建筑中空北面的窗戶無法與南面客廳的窗戶形成對流，室內(nèi)的平均風速為0.66 m/s，中空一層的平均風速為0.27 m/s；中空東側(cè)設(shè)置玻璃幕墻后，中空的窗戶與主入口形成對流通風，一層的室內(nèi)平均風速為0.68 m/s，中空一層的平均風速為0.75 m/s，室內(nèi)通風效果明顯好于東側(cè)為墻體的原建筑。

通過對比設(shè)置玻璃幕墻前后的別墅室內(nèi)通風模擬結(jié)果可以看出，對于別墅建筑而言，根據(jù)建筑的朝向、布局等問題，合理地在建筑空間內(nèi)加大采光面積，也可以起到調(diào)節(jié)室內(nèi)的氣流分布及改善通風效果。

3.3.5 屋頂降溫促進室內(nèi)通風

原建筑的坡屋頂形式對二層房間隔熱起到一定的作用，但由于原建筑二層的裝飾天花與屋頂隔層之間沒有留出排氣口，夏季的日曬時間長，導致太陽直曬對屋頂產(chǎn)生的熱量無法排出，室內(nèi)環(huán)境降溫效果不顯著。結(jié)合項目建筑條件，延續(xù)坡屋頂形式，利用自然風將太陽直曬對雙層屋頂形成的熱量帶走；同時屋頂設(shè)置悶頂層，減少二層房間的熱量吸收，同時利用交通核形成的熱壓與屋頂?shù)睦匣⒋暗娘L壓形成風的循環(huán)。

屋頂面設(shè)置噴水裝置，利用屋頂噴水對屋面進行降溫，水體根據(jù)風的流動，結(jié)合別墅的孔洞開啟位置，將水分帶入室內(nèi)，為室內(nèi)提供循環(huán)風并起到降溫作用，形成別墅內(nèi)空氣的更新流動，從而起到冷卻建筑物的效果。

4 結(jié)論

本文通過針對廣州城區(qū)既有別墅建筑進行考察和風環(huán)境模擬分析，提出原建筑存在的問題及對應的優(yōu)化方案，利用PHOENICS對優(yōu)化前后方案的環(huán)境物理因素進行數(shù)值分析、評價，減少受現(xiàn)場考察的主觀判斷形成的錯誤認識，并通過軟件客觀科學的數(shù)值分析形成合理的優(yōu)化設(shè)計方法，從而對城市既有別墅建筑內(nèi)外空間的舒適性設(shè)計提供參考和借鑒。

嶺南地區(qū)夏季炎熱潮濕，東南風為全年主導風向，在別墅的優(yōu)化設(shè)計中，利用綠植及噴水裝置調(diào)節(jié)建筑的微氣候；結(jié)合嶺南地區(qū)的氣候特點，建筑的中心區(qū)可考慮拔風井與交通核的結(jié)合，可以起到熱壓通風和引導氣流的作用，還能豐富別墅的空間布局；在別墅立面或空間布局優(yōu)化設(shè)計上，通過風向及建筑周邊環(huán)境確定通風口的設(shè)計，從而加強對氣流的引導；從嶺南地區(qū)的氣候特點出發(fā)，延續(xù)原有的坡屋頂形式，利用雙層屋頂可以有效地減少室內(nèi)對太陽直曬的熱量吸收，豐富建筑立面效果。