庭院宽高比与来流风向对教育建筑室内自然通风的交互作用研究

《Sustainability》：Combined Effect of Courtyard Aspect Ratio and Wind Direction on Natural Ventilation in Educational Buildings Using a Porous-Media CFD Model

　　摘要自然通风是改善教育建筑室内环境质量的重要被动式策略。然而，庭院式建筑的通风性能受建筑形态、风向与密集教室人员占用等因素相互作用的影响十分显著。本研究采用考虑人员占用的计算流体力学（CFD）方法，探讨了庭院宽高比与来流风向对室内自然通风的定性交互作用。研究将教室内人员以附加动量源项的多孔区域表示，以降低计算成本同时保留其空气动力学效应。研究评估了六种庭院宽高比和五种来流风角（0°、22.5°、45°、67.5°、90°），并以室内风速、空气龄（AOA）及空气龄面积比（ARAA）作为性能指标。在主导风向下，对代表性教室的 1.5 m 评估平面进行了交叉验证。多孔介质模型复现了精细化人员模拟结果，风速误差仅为 5.8%，AOA 误差仅为 3.4%；而忽略人员时，相应误差分别为 22.1% 和 30.1%。结果表明，在所研究情形中，庭院几何形状与风向之间存在明显的定性交互作用。宽高比小于 1.5 的庭院在 45°～67.5° 的来流角度下通风效果更佳；而当宽高比超过 2.5 时，最佳来流角度向约 22.5° 偏移。在 45° 来流角下，通风性能对庭院宽高比变化的敏感性最低。此外，教室相对于庭院、走廊及开敞空间的位置显著影响局部气流特征。研究所识别的趋势（例如最佳来流角随宽高比增大从 67.5° 向 22.5° 偏移）在六种受考察宽高比下均得到一致复现。这些发现表明，在早期设计阶段，庭院几何形状与建筑朝向应协同考虑，而非独立对待。所提出的多孔介质 CFD 方法为评估自然通风提供了一种高效且贴近实际的途径，并为所研究条件下的被动式及可持续导向的教育建筑设计提供了实用指导。