1．問(wèn)題背景
自然通風(fēng)是生態(tài)建筑設(shè)計(jì)過(guò)程中，一直受到關(guān)注的問(wèn)題。良好的自然通風(fēng)設(shè)計(jì)，可以既達(dá)到節(jié)能的目的，又有助于改善室內(nèi)的空氣品質(zhì)。目前由上海市建筑科學(xué)研究院承擔(dān)的上海市科委重大項(xiàng)目“生態(tài)建筑關(guān)鍵技術(shù)體系集成”，其主體工程是在莘莊實(shí)驗(yàn)基地建造生態(tài)建筑樣板辦公樓。如何對(duì)建筑師提出的建筑設(shè)計(jì)方案中自然通風(fēng)和室內(nèi)污染狀況進(jìn)行預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)，不僅可以保證建成后，樣板樓室內(nèi)良好的空氣質(zhì)量，同時(shí)也為推廣該技術(shù)提供本地化的工程樣板案例。
CFD（Computational Fluid Dynamics 計(jì)算流體力學(xué)）是一種預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)建筑設(shè)計(jì)階段，室內(nèi)通風(fēng)與污染狀態(tài)的方法和手段。但是由于往往建筑內(nèi)房間數(shù)量眾多，且形式錯(cuò)綜復(fù)雜，CFD 需要計(jì)算量巨大，計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)，或者說(shuō)對(duì)于目前計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度的水平下，幾乎很難實(shí)現(xiàn)，況且CFD的細(xì)致描述室內(nèi)各參數(shù)的特點(diǎn)，對(duì)于設(shè)計(jì)階段的建筑室內(nèi)空氣質(zhì)量的預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)，顯然是沒(méi)有必要的。
近年來(lái)，多區(qū)域模型在預(yù)測(cè)分析和評(píng)價(jià)IAQ 和室內(nèi)通風(fēng)方面得到了應(yīng)用，它與CFD 技術(shù)相比具有計(jì)算時(shí)間短，描述信息簡(jiǎn)單明確的特點(diǎn)。目前較的基于多區(qū)域模型的應(yīng)用軟件有
CONTAMW（美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院NIST 研制開(kāi)發(fā)）和COMIS[4]（美國(guó)加州大學(xué)勞倫茲.伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)LBNL）兩種，這兩個(gè)軟件都可以幫助確定：
(a)氣流：由于機(jī)械通風(fēng)、作用于建筑外立面的風(fēng)壓以及室內(nèi)外溫差引起的熱壓效應(yīng)，建筑系統(tǒng)內(nèi)存在的滲入、滲出以及房間之間的氣流；
(b)污染物濃度：依靠氣流傳播的污染物散發(fā)問(wèn)題。
這些軟件可以有各種應(yīng)用。它計(jì)算房間氣流的能力可以評(píng)價(jià)建筑內(nèi)通風(fēng)的好壞，可以確定建筑內(nèi)通風(fēng)隨時(shí)間的變化和空間分布，還可以預(yù)測(cè)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)密封措施對(duì)新風(fēng)滲入量的影響。
CONTAMW 與COMIS 相比，有它自己的優(yōu)點(diǎn)：
1） 操作輸入界面友好，計(jì)算結(jié)果及后處理直觀，易于理解；
2） NIST 又開(kāi)發(fā)了與CONTAMW 相對(duì)應(yīng)的一系列軟件，這些軟件可以對(duì)CONTAMW 的功能作進(jìn)一步的完善和補(bǔ)充；
3） CONTAMW 的軟件版本不斷升級(jí)，并正在與目前測(cè)試和研究建筑材料最為的NRC
（加拿大國(guó)家研究院）合作，計(jì)劃將材料污染物釋放作為數(shù)據(jù)庫(kù)嵌入CONTAMW 中。
基于上述優(yōu)點(diǎn)，本文決定采用CONTAMW 對(duì)生態(tài)建筑室內(nèi)自然通風(fēng)和污染物濃度的預(yù)測(cè)分析與評(píng)價(jià)，指導(dǎo)優(yōu)化生態(tài)建筑的自然通風(fēng)設(shè)計(jì)：
1) 分析評(píng)價(jià)門(mén)窗開(kāi)關(guān)對(duì)自然通風(fēng)的影響；
2) 分析評(píng)價(jià)局部污染在自然通風(fēng)狀態(tài)下對(duì)整個(gè)建筑的影響；
3) 分析評(píng)價(jià)室內(nèi)外溫差對(duì)自然通風(fēng)的影響
2．模型的建立
根據(jù)建筑初步設(shè)計(jì)的幾何尺寸和朝向，在CONTAMW 中建立三層建筑框架，定義各區(qū)域的名稱，面積體積，指定圍護(hù)結(jié)構(gòu)的漏風(fēng)特性。在定義建筑及房間參數(shù)時(shí)，作如下假定：
1) 將建筑內(nèi)空間分為多個(gè)計(jì)算區(qū)域，各區(qū)域內(nèi)部計(jì)算參數(shù)相同
2) 室內(nèi)溫度恒定且為28℃*
3) 室外溫度恒定為20℃，室外風(fēng)速為零（只考慮熱壓引起的自然通風(fēng)）
4) 計(jì)算條件為穩(wěn)定工況
*注：由于影響自然通風(fēng)效果只與室內(nèi)外溫差有關(guān)系，因此設(shè)置的室內(nèi)溫度和室外溫度的絕對(duì)值與計(jì)算結(jié)果無(wú)關(guān)。本文將室內(nèi)溫度設(shè)為28℃，室外溫度設(shè)為20℃是在模擬室內(nèi)存在熱負(fù)荷的情況下設(shè)置的，這些熱負(fù)荷包括人員、設(shè)備儀器、以及日照等，其中28℃是自然通風(fēng)下人體的熱舒適溫度，為了形成室內(nèi)外的溫差，室外設(shè)為20℃。
3．模擬結(jié)果分析
3.1 自然通風(fēng)的模擬結(jié)果
3.1 門(mén)窗開(kāi)關(guān)對(duì)自然通風(fēng)的影響
分別對(duì)生態(tài)建筑模型門(mén)窗作開(kāi)關(guān)兩種狀態(tài)的設(shè)置，分別對(duì)這兩種狀態(tài)進(jìn)行模擬。為了說(shuō)明問(wèn)題取建筑物內(nèi)4 處典型區(qū)域進(jìn)行分析，分別列出了這四處典型區(qū)域在不同門(mén)窗狀態(tài)下，室內(nèi)通風(fēng)量和換氣次數(shù)的大小。從數(shù)據(jù)上明顯可以看出，門(mén)窗開(kāi)關(guān)對(duì)通風(fēng)的這兩個(gè)指標(biāo)參數(shù)影響很大，因此打開(kāi)門(mén)窗可以顯著提高室內(nèi)的自然通風(fēng)條件，從而有利于改善室內(nèi)空氣質(zhì)量。
3.2 局部污染在自然通風(fēng)狀態(tài)下對(duì)整個(gè)建筑的影響
為了了解和評(píng)價(jià)局部由于工作原因產(chǎn)生的污染物對(duì)其他區(qū)域的影響程度，同時(shí)考慮到將來(lái)辦公樓各功能房間的實(shí)際情況，將1 樓儀器自校室、2 樓第三測(cè)量室和儀器分析室共3 個(gè)區(qū)域的VOC濃度設(shè)定為1000ppb（2.33mg/m3），分別模擬門(mén)窗開(kāi)關(guān)兩種狀態(tài)下，各房間污染物濃度的水平。表3 分別列出了除濃度設(shè)定區(qū)域以外，其他區(qū)域的濃度水平，并由高到低排列。由表中數(shù)據(jù)可以得到，當(dāng)某些功能房間由于工作的需要可能產(chǎn)生污染物的時(shí)候，它對(duì)其它房間的影響是相當(dāng)小的，當(dāng)VOC 濃度在設(shè)定房間內(nèi)為1000ppm（2.33mg/m3）時(shí)，無(wú)論是門(mén)窗開(kāi)關(guān)，受影響的區(qū)域濃度只有0.35 mg/m3，而標(biāo)準(zhǔn)為0.6 mg/m3，可見(jiàn)該生態(tài)建筑樣板樓的設(shè)計(jì)及房間功能布置較為合理。
3.3 室內(nèi)外溫差對(duì)自然通風(fēng)的影響
為了評(píng)價(jià)室內(nèi)外溫差對(duì)自然通風(fēng)效果的影響，筆者分別設(shè)置室外溫度為20℃和25℃（室內(nèi)為28℃）及室內(nèi)外溫差分別為8℃和3℃的情況下進(jìn)行模擬，考察在不同情況下，典型區(qū)域室風(fēng)量和換氣次數(shù)的影響。表4 給出了不同工況下典型房間通風(fēng)參數(shù)的模擬結(jié)果值。數(shù)據(jù)可以判斷，隨著室內(nèi)外溫差的降低，通風(fēng)量和換氣次數(shù)都減少。觀察自然通風(fēng)最小的2 樓區(qū)域可以判斷，如果將3 次換氣次數(shù)作為通風(fēng)基本要求的話，室外25℃及室內(nèi)外溫差為3℃將是一個(gè)極限，也就是說(shuō)當(dāng)室內(nèi)外溫差大于等于3℃時(shí)，可以滿足自然通風(fēng)的要求。
4．結(jié)論
關(guān)閉門(mén)窗會(huì)極大的影響自然通風(fēng)的效果（換氣次數(shù)接近于0）
無(wú)論門(mén)窗全部關(guān)閉還是全部打開(kāi)，在熱壓驅(qū)動(dòng)的自然通風(fēng)狀態(tài)下生態(tài)建筑樣板樓中可能產(chǎn)生污染的地點(diǎn)，即使?jié)舛认喈?dāng)高，對(duì)周邊區(qū)域的影響都相當(dāng)小
內(nèi)外溫差對(duì)自然通風(fēng)有相當(dāng)影響，溫差越大，換氣次數(shù)越高。當(dāng)門(mén)窗全開(kāi)情況下，生態(tài)建筑的中性面在2 樓附近，取2 樓房間為考察對(duì)象，如果自然通風(fēng)的最小允許換氣次數(shù)為3，那么熱壓驅(qū)動(dòng)的自然通風(fēng)的最小溫差不能小于3℃，這一結(jié)論可以用于自然通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)的自動(dòng)切換控制。
5．展望
CONTAMW 的計(jì)算結(jié)果可以用來(lái)評(píng)價(jià)建筑設(shè)計(jì)方案中自然通風(fēng)的優(yōu)劣。因此，利用該軟件可以為建筑師在建筑設(shè)計(jì)階段對(duì)自然通風(fēng)設(shè)計(jì)方案的選取提供技術(shù)參考。
CONTAMW 是基于多區(qū)域模型預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)建筑室內(nèi)空氣質(zhì)量和通風(fēng)的應(yīng)用軟件，它的計(jì)算結(jié)果的有效性得到了一些實(shí)例的驗(yàn)證，但是由于它在計(jì)算中所采用的氣候、建筑性能等參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)都是建立在符合西方國(guó)家特點(diǎn)的、或是在西方國(guó)家適用的條件下的，而在我國(guó)，特別是上海地區(qū)，這些數(shù)據(jù)庫(kù)因此并不可靠，至少是不全面的。因此有必要針對(duì)中國(guó)特點(diǎn)建立一系列符合我國(guó)國(guó)情和氣候特點(diǎn)的本地化數(shù)據(jù)庫(kù)。此外，該軟件計(jì)算結(jié)果也需要本地化有效性的驗(yàn)證，這也是在生態(tài)建筑樣板樓建成之后，需要進(jìn)一步開(kāi)展的研究工作。
自然通風(fēng)是生態(tài)建筑設(shè)計(jì)過(guò)程中，一直受到關(guān)注的問(wèn)題。良好的自然通風(fēng)設(shè)計(jì)，可以既達(dá)到節(jié)能的目的，又有助于改善室內(nèi)的空氣品質(zhì)。目前由上海市建筑科學(xué)研究院承擔(dān)的上海市科委重大項(xiàng)目“生態(tài)建筑關(guān)鍵技術(shù)體系集成”，其主體工程是在莘莊實(shí)驗(yàn)基地建造生態(tài)建筑樣板辦公樓。如何對(duì)建筑師提出的建筑設(shè)計(jì)方案中自然通風(fēng)和室內(nèi)污染狀況進(jìn)行預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)，不僅可以保證建成后，樣板樓室內(nèi)良好的空氣質(zhì)量，同時(shí)也為推廣該技術(shù)提供本地化的工程樣板案例。
CFD（Computational Fluid Dynamics 計(jì)算流體力學(xué)）是一種預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)建筑設(shè)計(jì)階段，室內(nèi)通風(fēng)與污染狀態(tài)的方法和手段。但是由于往往建筑內(nèi)房間數(shù)量眾多，且形式錯(cuò)綜復(fù)雜，CFD 需要計(jì)算量巨大，計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)，或者說(shuō)對(duì)于目前計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度的水平下，幾乎很難實(shí)現(xiàn)，況且CFD的細(xì)致描述室內(nèi)各參數(shù)的特點(diǎn)，對(duì)于設(shè)計(jì)階段的建筑室內(nèi)空氣質(zhì)量的預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)，顯然是沒(méi)有必要的。
近年來(lái)，多區(qū)域模型在預(yù)測(cè)分析和評(píng)價(jià)IAQ 和室內(nèi)通風(fēng)方面得到了應(yīng)用，它與CFD 技術(shù)相比具有計(jì)算時(shí)間短，描述信息簡(jiǎn)單明確的特點(diǎn)。目前較的基于多區(qū)域模型的應(yīng)用軟件有
CONTAMW（美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院NIST 研制開(kāi)發(fā)）和COMIS[4]（美國(guó)加州大學(xué)勞倫茲.伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)LBNL）兩種，這兩個(gè)軟件都可以幫助確定：
(a)氣流：由于機(jī)械通風(fēng)、作用于建筑外立面的風(fēng)壓以及室內(nèi)外溫差引起的熱壓效應(yīng)，建筑系統(tǒng)內(nèi)存在的滲入、滲出以及房間之間的氣流；
(b)污染物濃度：依靠氣流傳播的污染物散發(fā)問(wèn)題。
這些軟件可以有各種應(yīng)用。它計(jì)算房間氣流的能力可以評(píng)價(jià)建筑內(nèi)通風(fēng)的好壞，可以確定建筑內(nèi)通風(fēng)隨時(shí)間的變化和空間分布，還可以預(yù)測(cè)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)密封措施對(duì)新風(fēng)滲入量的影響。
CONTAMW 與COMIS 相比，有它自己的優(yōu)點(diǎn)：
1） 操作輸入界面友好，計(jì)算結(jié)果及后處理直觀，易于理解；
2） NIST 又開(kāi)發(fā)了與CONTAMW 相對(duì)應(yīng)的一系列軟件，這些軟件可以對(duì)CONTAMW 的功能作進(jìn)一步的完善和補(bǔ)充；
3） CONTAMW 的軟件版本不斷升級(jí)，并正在與目前測(cè)試和研究建筑材料最為的NRC
（加拿大國(guó)家研究院）合作，計(jì)劃將材料污染物釋放作為數(shù)據(jù)庫(kù)嵌入CONTAMW 中。
基于上述優(yōu)點(diǎn)，本文決定采用CONTAMW 對(duì)生態(tài)建筑室內(nèi)自然通風(fēng)和污染物濃度的預(yù)測(cè)分析與評(píng)價(jià)，指導(dǎo)優(yōu)化生態(tài)建筑的自然通風(fēng)設(shè)計(jì)：
1) 分析評(píng)價(jià)門(mén)窗開(kāi)關(guān)對(duì)自然通風(fēng)的影響；
2) 分析評(píng)價(jià)局部污染在自然通風(fēng)狀態(tài)下對(duì)整個(gè)建筑的影響；
3) 分析評(píng)價(jià)室內(nèi)外溫差對(duì)自然通風(fēng)的影響
2．模型的建立
根據(jù)建筑初步設(shè)計(jì)的幾何尺寸和朝向，在CONTAMW 中建立三層建筑框架，定義各區(qū)域的名稱，面積體積，指定圍護(hù)結(jié)構(gòu)的漏風(fēng)特性。在定義建筑及房間參數(shù)時(shí)，作如下假定：
1) 將建筑內(nèi)空間分為多個(gè)計(jì)算區(qū)域，各區(qū)域內(nèi)部計(jì)算參數(shù)相同
2) 室內(nèi)溫度恒定且為28℃*
3) 室外溫度恒定為20℃，室外風(fēng)速為零（只考慮熱壓引起的自然通風(fēng)）
4) 計(jì)算條件為穩(wěn)定工況
*注：由于影響自然通風(fēng)效果只與室內(nèi)外溫差有關(guān)系，因此設(shè)置的室內(nèi)溫度和室外溫度的絕對(duì)值與計(jì)算結(jié)果無(wú)關(guān)。本文將室內(nèi)溫度設(shè)為28℃，室外溫度設(shè)為20℃是在模擬室內(nèi)存在熱負(fù)荷的情況下設(shè)置的，這些熱負(fù)荷包括人員、設(shè)備儀器、以及日照等，其中28℃是自然通風(fēng)下人體的熱舒適溫度，為了形成室內(nèi)外的溫差，室外設(shè)為20℃。
3．模擬結(jié)果分析
3.1 自然通風(fēng)的模擬結(jié)果
3.1 門(mén)窗開(kāi)關(guān)對(duì)自然通風(fēng)的影響
分別對(duì)生態(tài)建筑模型門(mén)窗作開(kāi)關(guān)兩種狀態(tài)的設(shè)置，分別對(duì)這兩種狀態(tài)進(jìn)行模擬。為了說(shuō)明問(wèn)題取建筑物內(nèi)4 處典型區(qū)域進(jìn)行分析，分別列出了這四處典型區(qū)域在不同門(mén)窗狀態(tài)下，室內(nèi)通風(fēng)量和換氣次數(shù)的大小。從數(shù)據(jù)上明顯可以看出，門(mén)窗開(kāi)關(guān)對(duì)通風(fēng)的這兩個(gè)指標(biāo)參數(shù)影響很大，因此打開(kāi)門(mén)窗可以顯著提高室內(nèi)的自然通風(fēng)條件，從而有利于改善室內(nèi)空氣質(zhì)量。
3.2 局部污染在自然通風(fēng)狀態(tài)下對(duì)整個(gè)建筑的影響
為了了解和評(píng)價(jià)局部由于工作原因產(chǎn)生的污染物對(duì)其他區(qū)域的影響程度，同時(shí)考慮到將來(lái)辦公樓各功能房間的實(shí)際情況，將1 樓儀器自校室、2 樓第三測(cè)量室和儀器分析室共3 個(gè)區(qū)域的VOC濃度設(shè)定為1000ppb（2.33mg/m3），分別模擬門(mén)窗開(kāi)關(guān)兩種狀態(tài)下，各房間污染物濃度的水平。表3 分別列出了除濃度設(shè)定區(qū)域以外，其他區(qū)域的濃度水平，并由高到低排列。由表中數(shù)據(jù)可以得到，當(dāng)某些功能房間由于工作的需要可能產(chǎn)生污染物的時(shí)候，它對(duì)其它房間的影響是相當(dāng)小的，當(dāng)VOC 濃度在設(shè)定房間內(nèi)為1000ppm（2.33mg/m3）時(shí)，無(wú)論是門(mén)窗開(kāi)關(guān)，受影響的區(qū)域濃度只有0.35 mg/m3，而標(biāo)準(zhǔn)為0.6 mg/m3，可見(jiàn)該生態(tài)建筑樣板樓的設(shè)計(jì)及房間功能布置較為合理。
3.3 室內(nèi)外溫差對(duì)自然通風(fēng)的影響
為了評(píng)價(jià)室內(nèi)外溫差對(duì)自然通風(fēng)效果的影響，筆者分別設(shè)置室外溫度為20℃和25℃（室內(nèi)為28℃）及室內(nèi)外溫差分別為8℃和3℃的情況下進(jìn)行模擬，考察在不同情況下，典型區(qū)域室風(fēng)量和換氣次數(shù)的影響。表4 給出了不同工況下典型房間通風(fēng)參數(shù)的模擬結(jié)果值。數(shù)據(jù)可以判斷，隨著室內(nèi)外溫差的降低，通風(fēng)量和換氣次數(shù)都減少。觀察自然通風(fēng)最小的2 樓區(qū)域可以判斷，如果將3 次換氣次數(shù)作為通風(fēng)基本要求的話，室外25℃及室內(nèi)外溫差為3℃將是一個(gè)極限，也就是說(shuō)當(dāng)室內(nèi)外溫差大于等于3℃時(shí)，可以滿足自然通風(fēng)的要求。
4．結(jié)論
關(guān)閉門(mén)窗會(huì)極大的影響自然通風(fēng)的效果（換氣次數(shù)接近于0）
無(wú)論門(mén)窗全部關(guān)閉還是全部打開(kāi)，在熱壓驅(qū)動(dòng)的自然通風(fēng)狀態(tài)下生態(tài)建筑樣板樓中可能產(chǎn)生污染的地點(diǎn)，即使?jié)舛认喈?dāng)高，對(duì)周邊區(qū)域的影響都相當(dāng)小
內(nèi)外溫差對(duì)自然通風(fēng)有相當(dāng)影響，溫差越大，換氣次數(shù)越高。當(dāng)門(mén)窗全開(kāi)情況下，生態(tài)建筑的中性面在2 樓附近，取2 樓房間為考察對(duì)象，如果自然通風(fēng)的最小允許換氣次數(shù)為3，那么熱壓驅(qū)動(dòng)的自然通風(fēng)的最小溫差不能小于3℃，這一結(jié)論可以用于自然通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)的自動(dòng)切換控制。
5．展望
CONTAMW 的計(jì)算結(jié)果可以用來(lái)評(píng)價(jià)建筑設(shè)計(jì)方案中自然通風(fēng)的優(yōu)劣。因此，利用該軟件可以為建筑師在建筑設(shè)計(jì)階段對(duì)自然通風(fēng)設(shè)計(jì)方案的選取提供技術(shù)參考。
CONTAMW 是基于多區(qū)域模型預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)建筑室內(nèi)空氣質(zhì)量和通風(fēng)的應(yīng)用軟件，它的計(jì)算結(jié)果的有效性得到了一些實(shí)例的驗(yàn)證，但是由于它在計(jì)算中所采用的氣候、建筑性能等參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)都是建立在符合西方國(guó)家特點(diǎn)的、或是在西方國(guó)家適用的條件下的，而在我國(guó)，特別是上海地區(qū)，這些數(shù)據(jù)庫(kù)因此并不可靠，至少是不全面的。因此有必要針對(duì)中國(guó)特點(diǎn)建立一系列符合我國(guó)國(guó)情和氣候特點(diǎn)的本地化數(shù)據(jù)庫(kù)。此外，該軟件計(jì)算結(jié)果也需要本地化有效性的驗(yàn)證，這也是在生態(tài)建筑樣板樓建成之后，需要進(jìn)一步開(kāi)展的研究工作。