改进建筑设计以提升高层住宅建筑的自然通风：新西兰案例研究

《BUILDING AND ENVIRONMENT》：Improving architectural design to enhance natural ventilation in a high-rise residential building: a case study in New Zealand

　　

城市扩张和住宅能源需求的增长，特别是在新西兰，引发了对在不增加过多能源消耗的情况下改善室内空气质量的需求。本研究通过三种设计方案评估了一栋高层学生宿舍的自然通风性能：原始建筑（案例1）和两种改造设计：将部分立面替换为阳台（案例2）以及进一步移除两个围护结构段以创建对向通道（案例3）。研究人员进行了风洞试验，以研究不同平面位置上五个选定房间的通风性能。选择了三个楼层：底层、中层和顶层。在不同风向下采集建筑开口与室内之间的压差，并考虑了邻近建筑和大气边界层（ABL）。流动可视化分析展示了风与建筑及其开口的相互作用，从而理解宏观气候条件如何影响通过建筑的通风气流。结果表明，设计改造将通风从单侧通风（SSV）（案例1）增强为交叉通风（CV）（案例2和案例3），当窗户朝向迎风来流时性能最佳。然而，案例2和案例3之间差异可忽略不计，表明最小设计改造（案例2）可能提供最具成本效益的解决方案。

随着气候变化和快速城市化，现代建筑日益依赖机械通风系统，导致建筑能耗持续上升。全球建筑运行能耗约占33%，二氧化碳排放约占27%，其中暖通空调（HVAC）系统占比最大。新西兰住宅电力消耗近年持续增长，预计至2026年将占全国总需求的35%。因此，在维持室内环境质量与热舒适的前提下，采用自然通风（NV）等被动式设计策略至关重要。NV依靠风压差和浮力驱动原理，具有可持续、提升人体舒适度和改善室内空气质量的优点，但在高层住宅中常因空间效率和单元布局限制而难以实现，多采用单侧通风（SSV），造成通风率低和停滞区。以往研究存在四项主要不足：一是采用解耦方法，将建筑表面压差直接应用于开口，忽略开口附近的气流动能；二是过度依赖计算流体力学（CFD），缺乏实验验证；三是风向来向考虑不足；四是忽略邻近建筑对来流的干扰。为弥补这些缺口，研究人员以新西兰奥克兰中心一栋16层C形平面学生宿舍为对象，提出两种立面改造方案：案例2将部分立面改为阳台走廊，案例3进一步移除两段围护结构形成对向贯通通道，并与原始案例1对比，旨在以最小代价改善室内空气质量。

研究人员在奥克兰大学边界层风洞中开展1:50缩尺模型实验，模型包含目标建筑及周边高度4.4至35.4米的邻近建筑，模拟大气边界层（ABL），并依据ESDU标准生成等效全尺寸来流剖面。选取底层（F1）、中层（F2）和顶层（F3）三个楼层，每层五个不同位置的房间，在窗口、门、走廊及通道布置压力测点，采集12个风向下（0°至315°）的表面压力系数（C_p），并计算开口与室内平均差压系数（ΔC_p）。同时采用水雾进行流动可视化，以观察风与建筑外壳及中央空腔的相互作用。试验重复五次以估算不确定度，最大均方根误差为±0.03。

4.1 来流风特性：风洞中实测的时均速度和湍流强度剖面与ESDU经验公式总体吻合，湍流剖面略有偏差，属于风洞模拟的固有局限。4.2 流动可视化：在0°和270°风向下，中央空腔几乎无气流；45°和90°时风在迎风角分离并形成涡旋进入空腔；180°时邻近建筑诱导空腔内的涡脱落。案例3在270°时两个通道出现气团穿越，而其他风向下通道内以循环涡为主。4.3 表面压力：走廊C_p趋势在多数风向下稳定，270°时底层和中层波动明显，与邻近建筑间通道的气流干扰有关。案例3的走廊C_p整体高于案例2，唯独走廊1例外，原因是通道1内涡的干扰。通道压力表明南、北来流时涡流较弱，西、东来流时形成强循环涡，与可视化一致。4.4 压力驱动通风：与案例1相比，案例2和案例3在所有选定房间和楼层的ΔC_p均显著提高，表明通风模式由单侧转为交叉。房间的ΔC_p随风向变化呈现镜像关系：当某房间窗口面向迎风时ΔC_p为正，其对向房间则为负，证实空气从一侧进入并从对侧排出。门和窗的ΔC_p趋势同样互为镜像，进一步验证了交叉通风路径。门附近的ΔC_p普遍高于窗，因为门处流场更稳定。案例2在房间1、3、5表现更优，案例3在房间2、4更优，差异源于案例3通道内涡流对邻近窗口的干扰。中层和顶层通常比底层高，因为北侧和南侧的低矮建筑对底层来流阻挡更强；南风（0°-75°）时由于C形空腔被遮挡，各房间ΔC_p均较弱。

讨论与结论：上述结果表明，最小化的立面改造（案例2）即可实现从单侧通风到交叉通风的显著改善，而增设对向通道（案例3）并未带来额外的显著收益。因此，推荐采用仅改造一个立面、而非整个建筑围护结构的方案，以在成本效益与室内通风改善之间取得平衡。楼层差异难以推广，因为不同风向与邻近建筑高度分布的动态相互作用导致压差模式复杂化。本研究发表于《BUILDING AND ENVIRONMENT》。