吴紫珊，杜肇铭，马 悦，杨顺仪

(广东财经大学艺术与设计学院，广东 广州 510320)

近年来，随着生态安全问题和环境危机的进一步蔓延，尤其是2020年以来全球新冠病毒形势的日益严峻，人们逐渐意识到提高建筑环境质量的重要性，追求绿色、生态、健康、舒适的居住空间，减少对空调的依赖成为共识。自然通风作为可调节空间物理舒适度以及降低空间对空调的依赖，逐渐成为住宅设计的关注焦点。

为贯彻绿色发展节能减排的政策理念，推动绿色高质量的建筑发展，实现建筑全过程的绿色建造，《广东省绿色建筑条例》提出：绿色建筑建造要因地制宜，努力提高建筑的耐久性、舒适性、资源节约等性能。对既有建筑的优化改造是绿色建筑对资源、经济节约的重要手段之一，绿色改造是绿色建筑发展重要的组成部分。本文针对广州城区的既有别墅进行空间内外的通风分析，结合流体力学软件PHOENICS对建筑优化前后的风环境模拟分析，从而探索既有别墅建筑内外通风优化设计方法。

1 PHOENICS模拟技术的发展及其优势

1.1 PHOENICS的概念及其特点

PHOENICS软件是针对建筑室内外风环境、风环境舒适度、热岛效应等问题进行流动、传热、反应、燃烧过程模拟分析的CFD绿色建筑分析软件，其数据的精准化和通风模拟的科学化在建筑设计中尤为重要。PHOENICS对设计项目的周边环境及影响建筑的物理因素进行准确的模拟，最终将其模拟结果数据化及可视化，为项目建设和设计施工提供一定的科学依据，一定程度上减少了项目中资源的浪费，实现项目的可持续发展。

1.2 PHOENICS应用于广州城区既有建筑改造的优势

本文改造项目选自广州番禺区锦绣香江小区的既有别墅。根据《建筑气候区划标准》[1]的规定划分，岭南地区为夏热冬暖的湿热地区，具有夏季气温较高且时间长、冬季温暖且时间较短、降雨量充足、湿度大等气候特点，因此优化建筑的通风、降温、隔热等风环境因素在岭南建筑设计中尤为重要。

基于岭南潮湿闷热的夏季气候特点，既有建筑存在着由通风不良引发蚊虫滋生、墙体材料发霉脱落等问题。利用PHOENICS软件对广州夏季的主导风向、住宅区的空间布局、建筑朝向、建筑的空间形态等进行数据模拟分析，根据测试数据推断出造成建筑无法形成良好通风环境的原因；依照广州夏季的空气温度变化，结合场地周边的热场及风场情况，以此通过调整建筑的空间布局、通风口分布及大小、建筑周边景观分布等方案，加强室内的通风换气次数，将自然通风与机械通风措施结合，加强建筑的被动式自然通风技术，降低对暖通空调系统的依赖程度，从而形成合理的室内热舒适度优化设计方案，为别墅的室内风环境热舒适度提供数据支撑[2]。

2 广州城区既有别墅存在的问题

2.1 广州既有建筑的发展现状

根据住建部发布的《2020年城市建设统计年鉴》显示，广州市居住用地占城市建设用地的30.9%(数据来源：中华人民共和国住房和城乡建设部2021年10月发布的《2020年城市建设统计年鉴》中相应数据整理得出)，广州城区内现存的大量既有独栋建筑建于20世纪80年代～21世纪初。在城市化经济模式的快速增长下，房地产也因政策的改变而快速发展成庞大的行业链，推出大量仿西方建筑风格的住宅。过快的建造速度使得小区的空间布局和住宅建筑缺乏对广州气候的设计适应性，导致建筑耗能大，加剧了城市的热岛效应；住宅在湿热的夏季无法达到良好的自然通风，引发室内闷热、蚊虫滋生、墙体材料发霉脱落等普遍问题，广州地理位置以及建筑空间布局，严重降低了夏季的室内舒适感，导致城区居民的空调使用时间增长，既增加耗能成本，也在一定程度上对身体健康造成负面影响。

随着时代的发展，人们的生活方式对居住空间需求产生了巨大的改变。从20世纪80年代的国家计划生育政策到2021年8月提出实施三孩生育政策，城市家庭的人员构成也随着政策的改变而发生变化，空间居住面积已无法满足现有家庭人员的基本居住需求。生活质量的提高，让人们不再满足于房屋所提供的基本生存居住环境功能，进而过渡到居住空间的舒适性程度提升上，过去的住宅建筑质量和住宅空间功能已经无法满足现在人们对于居住空间的需求，因此可以利用对既有建筑的通风优化设计来满足城区居民对居住空间的需求，提高空间的风环境热舒适度，既延长既有建筑的使用时间，又大大减少对社会资源和环境资源的浪费。

2.2 锦绣香江别墅小区现存的问题

2.2.1 小区规划引发的通风问题

该小区首期规划的独栋别墅建于2003年，由于小区的开发规划问题，小区为集中、密集的混合式空间布局，住宅区的道路结构形式为混合式。

自然水系贯穿于整个小区的规划之中，绿化率达到40%，别墅统一临湖而建。基于广州夏季闷热潮湿的气候特征，小区物业缺少对湖边绿植进行定期的绿化养护，湖边绿植肆意生长，杂草丛生，容易滋生蚊虫，对居民的健康造成一定的影响；庭院外的树木阻挡了湖景与别墅空间的对流换热，降低了临水风向的流动程度。别墅区内建筑高度均为两层，但建筑分布过于集中，密度较高，相邻的建筑之间楼间距过近，导致夏季通风气流受到阻挡，建筑之间私密性不够。

2.2.2 别墅建筑的空间布局引发的通风问题

改造的建筑对象朝向为东偏北约15°，与广州的夏季风(东南偏南)侧对，夏季风被庭院南边的绿植、别墅以及3 m高的实体围墙所阻挡，无法顺畅进入庭院，导致建筑内的客厅、餐厅及庭院入口之间无法形成对流。别墅区的地势从东北方向西南方依湖面逐级下降，利用原有的地形高差而建，导致建筑东北方向的入口处有3 m多高的坡地，难以与西南面的湖面形成对流。

建筑二层房间通风口面积较小，封闭性较强，通风性低，造成室内部分空间出现无风区域，自然风只能利用进风口进入到建筑，不利于室内形成良好的通风换气；致使在夏季多雨时期，房间内空气中的水分难以排出，并且人在空间内活动使水蒸气含量增加，房间内的水分加剧无法通过自然通风带到室外。

3 基于PHOENICS技术的别墅通风优化设计

3.1 软件模拟

本文依据《民用建筑绿色性能计算标准》[3]中室外气象参数作为模拟分析参考，测试中以广州风向风速数据作为模拟依据：夏季盛行东南偏南风，平均风速为2.3 m/s；冬季盛行东北偏北风，平均风速为2.7 m/s；室外温度为31.8 ℃。

室内自然通风计算研究规定计算高度应是人在室内活动时1.5 m高处的横截面风速作为评价性指标，自然风是无规律流动的，人们的室内活动需要在一定的风速影响下才能感到舒适。

利用AutoCAD软件对局部场地及住宅体块的实际尺寸建立模型，分别导入PHOENICS中进行数值计算。计算范围根据研究的规范要求加以限定[4]，模型的高度为H，以模拟模型为计算范围中心，入流方向到模型距离至少为5H，出流方向距离至少为10H，模型顶部到计算边界高度至少为3H，模型范围小于计算范围的3%。

3.2 模拟结果分析

通过PHOENICS对场地及单体住宅的风环境模拟结果进行分析，对室内进行风速测点记录。场地一二层夏季风速：0.015 m/s～2.375 m/s，部分住宅的背风面形成静风区，通风较弱(见图1)；单体住宅间的隔墙过高，对庭院内过道的通风造成一定的阻挡，从而庭院的室外廊道出现静风区。

从单体住宅的风环境模拟结果得出(见图2)，一层有良好的自然通风，但由于客厅大面积开门，进入室内的风速过大，若推拉门全打开将会影响人的室内活动，需要对进风口进行优化；二层整体风速范围在0.018 m/s～0.478 m/s之间，风速低于0.5 m/s，风环境良好，但套房内的卫生间处于背风区，室内的空气难以排出，容易对房间形成空气污染。

3.3 优化设计分析

经过PHOENICS对锦绣香江的风环境模拟分析得知，实地考察的主观判断受天气、个人感受等问题的限制，受到主观因素的影响，一定程度上影响了准确性。通过对庭院、单体的风环境优化分析，提出合理的解决问题的措施。

3.3.1 设置开敞空间引导自然风的流动

原建筑一层虽然有大面积开窗，但由于在别墅区的规划布置上，别墅间的间距过小，对自然风从通风口进入建筑内形成了一定的隔挡，从而在一层利用推拉门将建筑南侧打开，与室外休闲平台形成半室外的开敞空间，大面积敞开与北面的建筑主入口形成对流，利用廊道空间将室外的自然风引导进入室内；东南侧的玻璃幕墙同时与北侧的进风口开窗形成对流，同时增加建筑采光面积。

原建筑二层西南角虽然设置了阳台，屋顶设置挑檐，但太阳对建筑西南面直晒的影响并没有减缓。主卧空间大面积开窗，造成太阳光直接进入到空间内，虽然采光问题得到一定的解决，但太阳直射光产生的热量也直接进入到房间内。为解决主卧直晒问题，通过采用扩大屋顶的挑檐面积和延伸高度的方式，减少室内的太阳直晒面积。

在建筑表面风压与其他参数设置相同的情况下，对优化后的平面进行模拟分析(见图3)。

从图3中可以看出，经过优化后的室内平面气流分布更加均匀，气流从南侧庭院的通风口进入，从北侧的通风口排出，形成独立的气流小循环。从风速云图中可以看出，一层的西南侧打开后，室内平均风速为0.68 m/s，客厅区域平均风速为1.21 m/s，中庭平均风速为1.23 m/s；而中式厨房区域涉及到明火和油烟问题，从而合理地减少开窗面积，降低通风对该区域的影响。

别墅的南侧打开后，建筑的整体通风情况得到了明显的改善，一层的气流分布比原方案均匀，二层的主卧与书房通过合理地增加通风口，使室内的气流分布较为均匀；调整二层北侧的公共卫生间开窗位置，利用回风作用[5]，解决室内空气污染问题(见图4)。

3.3.2 利用交通核改善室内通风

为解决别墅中心区域风速低的情况，中间区采取交通核与采光井相结合，利用中心区将别墅改为东西两部分，建筑北侧利用楼梯与负一层的下沉式天井、屋面的老虎窗形成采光井。屋顶设置老虎窗增加楼梯的采光面积，提高室内温度，交通核与一二层房间形成温度差，交通核的空气密度比房间小，形成热压通风，解决中心区通风问题。交通核作为建筑的热压通道，屋顶开启大小合适的通风口，利用负一层的下沉式天井及屋顶窗户形成拔风效应，促进空间内部的自然通风[6]。

通过测试模拟数据证明，交通核的热压通风作用——室外空气通过底层的孔洞进入交通核中并从上层和屋顶孔洞排出，形成室内顺畅的通风模式。

3.3.3 设置通风采光井加强室内通风

为满足业主对别墅的居住需求，优化方案中增加负一层面积，将休闲娱乐空间放置于该层。因此，为解决负一层的通风采光问题，在负一层的西侧和东北侧各放置下沉式天井，同时利用天井解决别墅的泛潮问题和加强室内的自然通风[7]。

东北侧下沉式天井加强交通核的采光与通风程度，引导自然风进入室内；利用天井内的水体及植物进行降温，以达到调节热环境的效果，为负一层营造冷源；不受太阳直晒的室内地面空气与天井直晒地面空气形成冷热压差，促进空间流动(见图5)。

3.3.4 加大建筑采光面积

原建筑的中空对空间并没有起到显著的通风或采光功能，中空位于建筑的东南侧，与东南侧的别墅距离较近，由于考虑到隐私问题，东南侧墙体不宜使用通透的材料。

庭院南面围墙使用固定金属穿孔板，一方面确保隐私安全，另一方面优化通风情况；别墅中间东侧的中空采用双层玻璃幕墙以及中空顶部设置老虎窗使别墅中间区域形成采光、通风一体化功能区，同时与户外景观形成良好的室内外联系。由于东面的别墅与改造建筑间距过小，导致西侧庭院受晒面积小，受晒时间短，通过加大别墅的采光面积，增加室内受晒面积，从而室内比庭院的空气温度高，空气密度比庭院的小，利用室内与庭院的空气密度差形成热压差，让空气从庭院流进室内，给室内营造“清凉感”。

通过设定边界范围相同的情况下对中空进行模拟分析，对比增大采光面积对室内通风的变化情况。

从别墅一层中空的室内1.5 m高度风速云图(如图6所示)中可以看到，未设置玻璃幕墙时，原建筑中空北面的窗户无法与南面客厅的窗户形成对流，室内的平均风速为0.66 m/s，中空一层的平均风速为0.27 m/s；中空东侧设置玻璃幕墙后，中空的窗户与主入口形成对流通风，一层的室内平均风速为0.68 m/s，中空一层的平均风速为0.75 m/s，室内通风效果明显好于东侧为墙体的原建筑。

通过对比设置玻璃幕墙前后的别墅室内通风模拟结果可以看出，对于别墅建筑而言，根据建筑的朝向、布局等问题，合理地在建筑空间内加大采光面积，也可以起到调节室内的气流分布及改善通风效果。

3.3.5 屋顶降温促进室内通风

原建筑的坡屋顶形式对二层房间隔热起到一定的作用，但由于原建筑二层的装饰天花与屋顶隔层之间没有留出排气口，夏季的日晒时间长，导致太阳直晒对屋顶产生的热量无法排出，室内环境降温效果不显著。结合项目建筑条件，延续坡屋顶形式，利用自然风将太阳直晒对双层屋顶形成的热量带走；同时屋顶设置闷顶层，减少二层房间的热量吸收，同时利用交通核形成的热压与屋顶的老虎窗的风压形成风的循环。

屋顶面设置喷水装置，利用屋顶喷水对屋面进行降温，水体根据风的流动，结合别墅的孔洞开启位置，将水分带入室内，为室内提供循环风并起到降温作用，形成别墅内空气的更新流动，从而起到冷却建筑物的效果。

4 结论

本文通过针对广州城区既有别墅建筑进行考察和风环境模拟分析，提出原建筑存在的问题及对应的优化方案，利用PHOENICS对优化前后方案的环境物理因素进行数值分析、评价，减少受现场考察的主观判断形成的错误认识，并通过软件客观科学的数值分析形成合理的优化设计方法，从而对城市既有别墅建筑内外空间的舒适性设计提供参考和借鉴。

岭南地区夏季炎热潮湿，东南风为全年主导风向，在别墅的优化设计中，利用绿植及喷水装置调节建筑的微气候；结合岭南地区的气候特点，建筑的中心区可考虑拔风井与交通核的结合，可以起到热压通风和引导气流的作用，还能丰富别墅的空间布局；在别墅立面或空间布局优化设计上，通过风向及建筑周边环境确定通风口的设计，从而加强对气流的引导；从岭南地区的气候特点出发，延续原有的坡屋顶形式，利用双层屋顶可以有效地减少室内对太阳直晒的热量吸收，丰富建筑立面效果。