李晨雪，盧 可

（南京工業(yè)大學(xué)建筑學(xué)院，江蘇 南京 210000）

0 引言

地下空間的利用極大提高了中小學(xué)校園建設(shè)的土地利用率。尤其對(duì)于南京、淮安等城市，為保護(hù)古城風(fēng)貌，其建筑高度、密度受到種種限制，因此對(duì)于建筑地下空間的良好開(kāi)發(fā)必將掀起一股熱潮。但是地下空間環(huán)境與地上空間環(huán)境截然不同，主要表現(xiàn)在地下空間位于地下、自然光線差、環(huán)境封閉、空氣流通較差，這些特定的因素都將會(huì)對(duì)人的心理及生理造成一定的影響，尤其對(duì)于處在身心健康發(fā)展的關(guān)鍵階段的中小學(xué)生而言，這些地下空間因素至關(guān)重要。

大多數(shù)地下建筑都屬于封閉空間，而且基本上都采用機(jī)械通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)[1]和人工照明設(shè)施，這種空調(diào)系統(tǒng)和人工照明設(shè)施雖然能很好解決地下空間的空氣、照明等環(huán)境品質(zhì)問(wèn)題，但其耗能也是相當(dāng)大的。目前，我國(guó)約15%的電能用在空調(diào)能耗上，新風(fēng)能耗又占總空調(diào)能耗的25%～38%。相對(duì)地上建筑，地下建筑在通風(fēng)環(huán)節(jié)消耗的能源要高很多，過(guò)高的使用成本肯定會(huì)限制人們對(duì)地下空間的開(kāi)發(fā)利用[2]。因此許多設(shè)計(jì)者對(duì)地下空間采用自然通風(fēng)進(jìn)行了研究，探索自然通風(fēng)在地下空間中的應(yīng)用潛力。

查閱2015—2021年的國(guó)內(nèi)外研究文獻(xiàn)中發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)對(duì)于校園地下空間自然光和風(fēng)環(huán)境的關(guān)注較少，主要依賴人工照明和機(jī)械通風(fēng)彌補(bǔ)這方面的缺陷，設(shè)計(jì)師往往在校園地下空間設(shè)計(jì)上投入極大的精力，從空間規(guī)劃布局、交通流線設(shè)計(jì)以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方向闡述對(duì)地下空間的設(shè)計(jì)利用研究，對(duì)于地下空間的自然采光和通風(fēng)等物理指標(biāo)關(guān)注極少，很少進(jìn)行專題研究和設(shè)計(jì)。因此，本文重點(diǎn)關(guān)注中小學(xué)校園地下空間的自然采光通風(fēng)，并結(jié)合相關(guān)設(shè)計(jì)案例研究采光通風(fēng)方式和設(shè)計(jì)策略，希望可以為未來(lái)的中小學(xué)地下空間采光通風(fēng)方式優(yōu)化提供一定的參考。

1 研究對(duì)象

本文選取淮安市清江浦區(qū)南部新城配套教育項(xiàng)目。該對(duì)象為一所正在進(jìn)行建筑擴(kuò)初設(shè)計(jì)的九年一貫制中小學(xué)建筑（圖1）。整個(gè)項(xiàng)目由于建筑密度和高度的限制，使得整個(gè)地塊較為擁擠，因此將部分功能放置地下，對(duì)地下空間進(jìn)行了開(kāi)發(fā)利用，主要通過(guò)下沉廣場(chǎng)組織地下各個(gè)功能。由于面積較為局促，使得進(jìn)入地下空間的下沉廣場(chǎng)入口長(zhǎng)×寬只有33m×14m，形成狹長(zhǎng)的長(zhǎng)方形，一定程度上影響了地下空間的自然采光與通風(fēng)。

圖1 學(xué)校鳥瞰圖

由于建筑體量較大，本文選取初中教學(xué)樓處的地下空間進(jìn)行具體分析（圖2）。下沉廣場(chǎng)不僅可以起到對(duì)地下空間消防疏散的作用，還可以改善地下空間的自然采光通風(fēng)（圖3）。此處地下空間功能為圖書館、閱覽室。為滿足建筑窗地比和采光要求，因此建筑四周采用玻璃材質(zhì)。

圖2 初中下沉廣場(chǎng)位置

圖3 初中下沉廣場(chǎng)位置

地下空間的采光系數(shù)最優(yōu)值出現(xiàn)在下沉高度為5m[3]。但考慮到地下設(shè)備管線布置、地上植被覆土需求以及過(guò)大下沉深度給中小學(xué)學(xué)生心理帶來(lái)不良感受，因此本文選取下沉廣場(chǎng)深度為5.5m和6m。分別對(duì)方案一（下沉深5.5m）和方案二（下沉深度6m）兩種情況，建立簡(jiǎn)化模型（圖4）。使用ECOTECT和PHOENICS軟件對(duì)下沉廣場(chǎng)的采光、通風(fēng)數(shù)值模擬。研究不同廣場(chǎng)下沉深度對(duì)地下空間的自然采光通風(fēng)影響，針對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出優(yōu)化策略。

圖4 下沉廣場(chǎng)模型

2 自然采光的模擬與分析

2.1 模擬方案

2.1.1 氣象參數(shù)

利用ECOTECT軟件對(duì)下沉廣場(chǎng)的光環(huán)境進(jìn)行模擬。根據(jù)《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50033—2013）[4]淮安市氣象條件，天空照度模型設(shè)定為CIE全陰天模式。光氣候分區(qū)中屬于第Ⅳ區(qū)，計(jì)算天空照度設(shè)定為4500lx。時(shí)間為8月1日正午12:00。

2.1.2 模擬對(duì)象

針對(duì)方案一（下沉深度5.5m）和方案二（下沉深度6m）兩種情況，通過(guò)下沉廣場(chǎng)進(jìn)入地下空間，對(duì)不同下沉深度的地下空間的自然采光進(jìn)行模擬，分析對(duì)比結(jié)果。

2.1.3 實(shí)驗(yàn)方法

采用網(wǎng)格法均勻布點(diǎn)，取下沉廣場(chǎng)距地1.2m[5]（中小學(xué)學(xué)生視覺(jué)高度）高度水平面上的采光系數(shù)，分析下沉廣場(chǎng)采光潛力大小。

2.2 分析結(jié)果

由ECOTECT模擬得出兩個(gè)方案平均采光系數(shù)，其對(duì)比如表1所示。

表1 不同下沉深度的地下空間采光系數(shù)分布對(duì)比

由于下沉廣場(chǎng)四周采用玻璃材質(zhì)，靠近地下空間建筑外側(cè)一周的采光系數(shù)較大，靠里處采光系數(shù)較小。方案一的平均采光系數(shù)為17.68%，方案二為18.56%。且對(duì)比兩者下沉廣場(chǎng)的采光系數(shù)發(fā)現(xiàn)，下沉深度較大的方案二的采光系數(shù)反而比下沉深度較小的方案一稍大一些，方案一采光系數(shù)大于17.6%的為1.28%，方案二為1.45%。由此可見(jiàn)，當(dāng)下沉廣場(chǎng)四周采用玻璃材質(zhì)時(shí)，下沉深度較大一點(diǎn)，有利于增加室內(nèi)采光。

3 自然通風(fēng)的模擬與分析

3.1 模擬方案

3.1.1 氣象參數(shù)

考慮通風(fēng)降溫情況，本文主要分析夏季的下沉廣場(chǎng)室外自然通風(fēng)。根據(jù)《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50736—2012）[6]，得到淮安市夏季氣象數(shù)據(jù)分析，取夏季風(fēng)速為2.6m/s，風(fēng)向?yàn)镋SE。

3.1.2 模擬對(duì)象

利用PHOENICS軟件對(duì)下沉廣場(chǎng)的風(fēng)環(huán)境進(jìn)行模擬。對(duì)方案一（下沉深度5.5m）和方案二（下沉深度6m），進(jìn)行下沉廣場(chǎng)自然通風(fēng)的數(shù)值模擬，判斷下沉廣場(chǎng)通風(fēng)潛能大小。下沉廣場(chǎng)不同點(diǎn)的壓力差代表著該處的自然通風(fēng)潛能。分別選取南北兩側(cè)以及中部共12個(gè)點(diǎn)風(fēng)壓數(shù)值，通過(guò)風(fēng)壓差值，分析距離下沉廣場(chǎng)距地面1.2m處自然通風(fēng)潛力。

3.1.3 邊界條件設(shè)置

本文采用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε方程，進(jìn)行模擬計(jì)算，室外風(fēng)場(chǎng)來(lái)流邊界條件的確定主要由來(lái)流的速度分布、風(fēng)向、湍流強(qiáng)度和湍流耗散決定。由于受到近地面粗糙度的影響，來(lái)流風(fēng)會(huì)在與地面垂直的高度方向上產(chǎn)生速度梯度與速度邊界層，其速度分布的特點(diǎn)與距離地面高度、地面粗糙度有關(guān)。本文參考了ASHRAE手冊(cè)中給出的指數(shù)邊界層函數(shù)法對(duì)入口來(lái)流速度來(lái)進(jìn)行定義，其表達(dá)式如式（1）所示。

式中：Vh——任意高度處的風(fēng)速，m/s；Vref——參考高度處的風(fēng)速，一般指氣象資料中給出的風(fēng)速值，m/s；Href——對(duì)應(yīng)參考風(fēng)速的高度，一般指氣象臺(tái)的測(cè)量高度，通常這個(gè)高度為10m；H——對(duì)應(yīng)Vh的任意高度，m；α——地貌粗糙指數(shù)，根據(jù)我國(guó)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB5009—2001），將地面粗糙程度可分為4類，淮安地貌粗糙度指數(shù)取0.22。

3.2 分析結(jié)果

利用PHOENICS軟件對(duì)兩方案下沉廣場(chǎng)室外自然通風(fēng)進(jìn)行模擬分析得到變化情況，如圖5所示。

圖5 不同下沉深度的地下空間風(fēng)壓變化

由軟件模擬得出，方案一和方案二的風(fēng)速差別并不大，方案一（下沉深度5.5m）平均風(fēng)速為2.16m/s，比方案二（下沉深度6m）的平均風(fēng)速2.13m/s稍大一些。兩者主要差別體現(xiàn)在風(fēng)壓上。

方案一（下沉深度5.5m）下沉廣場(chǎng)風(fēng)壓值為-1.77～-0.087Pa之間，風(fēng)壓差為1.683Pa。方案二（下沉深度6m）則是處于-1.85～-0.089Pa，風(fēng)壓差為1.761Pa。方案二的風(fēng)壓差更大，更有利于自然風(fēng)的引入。由此可見(jiàn)，方案二的自然通風(fēng)效果比方案一好。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于中小學(xué)校園地下空間設(shè)計(jì)而言，良好的自然采光通風(fēng)，不僅能夠節(jié)約能源，更重要的是，改善正處于身心成長(zhǎng)關(guān)鍵期的學(xué)生們，對(duì)于地下空間悶、熱、潮濕、通風(fēng)、采光不足等主觀感覺(jué)，使其擁有良好的人居環(huán)境舒適度。本文結(jié)合淮安市清江浦區(qū)南部新城配套教育項(xiàng)目，同時(shí)綜合以上實(shí)驗(yàn)?zāi)M分析，得出以下結(jié)論。

當(dāng)方案以下沉廣場(chǎng)來(lái)組織地下空間功能布局，且下沉廣場(chǎng)四周的材質(zhì)為玻璃時(shí)，適當(dāng)增加下沉廣場(chǎng)的下沉深度，對(duì)建筑的地下空間自然采光有一定的改善作用。

當(dāng)方案以下沉廣場(chǎng)來(lái)組織地下空間功能布局，且廣場(chǎng)進(jìn)深較小時(shí)，適當(dāng)增加下沉廣場(chǎng)的下沉深度，則可以在一定程度上增加風(fēng)壓來(lái)達(dá)到更佳的通風(fēng)效果。

結(jié)合安市清江浦區(qū)南部新城配套教育項(xiàng)目得出，下沉廣場(chǎng)下沉深度在6m，為最優(yōu)自然采光與通風(fēng)方案。同時(shí)本方法可以對(duì)具體工程實(shí)踐具有指導(dǎo)意義。