本文是一篇建筑学论文，本研究选用典型底层架空围合型实验楼作为研究对象，借助数值模拟的方法系统探究不同来流风向条件下底层架空的开口位置变化对室内风环境的影响和通风状况变化特点，并获得12种不同风向条件下围合型建筑中来流风向与底层架空的开口位置之间的关系。
1绪论
1.1研究背景与意义
《中国建筑能耗与碳排放研究报告(2022年)》分析了全国建筑全过程能耗与碳排放数据得出2020年全国建筑全过程能耗总量为22.7亿tce，占全国能源消费总量比重为45.5%。全国建筑全过程碳排放总量为50.8亿吨CO2，占全国碳排放的比重为50.9%。证实了2010-2015年间的碳排放波动是由建材生产碳排放的巨幅变动引起的[1]。在人类对室内环境进行调控的过程中，自然通风是最古老的一种调控手段，它通过风压和压力来实现室内外空气的交换。该空调系统在不消耗能量的情况下，不仅可以保持室内的清新度和清洁度，还可以将室内过多的热/湿带走，从而达到降温防潮的目的，是一种具有舒适与节能性的空调系统。自然通风在不同的气候分区都有普适性[2]。
改革开放以来，高等教育蓬勃发展，中国的研究生教育也在不断地发展，近几年来，研究生的人数也在飞速增长。根据《中国统计年鉴》显示，截至2022年全国共有本科生365.4万人，其中有55.6万博士，309.8万硕士，单是2022年就有124.2万研究生。不同于其他公共建筑，实验楼普遍有较高的人员聚集性，整体的人员高密度特征不可忽视，实验楼往往存在室内通风不良，室内风速过低等一系列问题，既有研究表明，室内自然通风可以改善室内空气品质，人在自然通风环境下也比处于空调环境中的舒适度高[3]，能为研究人员营造出健康舒适的室内环境。日益增长的在校研究生数量代表更多的学生涌入高校研究生工作室、实验室，其规模已不可忽视。与此同时，原来粗陋、低标准的工作室和实验室环境与越来越高的健康舒适标准的冲突日益显著。
1.2相关概念
1.2.1夏热冬冷地区
夏热冬冷地区是指我国热工气候区之一，具有特定的气候特征。该区域的最冷月平均气温通常为0°C至10°C，最热月平均气温为25°C至30°C。年平均气温≤5℃的天数为0～90天，年平均气温≥25℃的天数为49～110天。该地区是中国五大气候区之一，夏季潮湿炎热，冬季潮湿寒冷。日温差较小，年降水量较多，晴天较少。值得注意的是，春末夏初正值东亚雨季，特别是长江平原地区降雨频繁，常出现暴雨天气。另外，沿岸和长江平原地区在夏季和秋季多受热带风暴和台风的影响。造成大雨大风。本文研究的重点地区杭州是位于该气候分区城市的典型例子。
1.2.2围合型实验楼
本研究的围合型实验楼，是指在大学校园内建设的以科学研究为主要目的的类型建筑，包括公共实验楼，国家重点实验室等或由国家相关部门单独建立的国家重点实验室。实验楼既是师生每日科研的场所，又是科研氛围与创新精神传承的物质载体，应从有利于科研工作的展开和满足舒适节能需求的角度入手，深入研究。围合型实验楼是典型的教学大楼布局，围绕庭院布局的中心环境，内部流线一般能形成闭环，已广泛应用于大学教学大楼。其中，在空间特征上，它可形成内向庭院，可为教师和学生提供公共活动场所，在造型表现上，可以形成比较稳定的室外小气候，保证庭院公共活动的舒适性。
2自然通风潜力分析与围合型实验楼调研
2.1杭州地区建筑气候特征
自然通风是一种有效的通风方式，通过利用建筑物内外空气密度差和外部大气运动所带来的风压效应，实现室内空气质量的改善和室内外空气的交换。主要特点是：降低能耗；提高空间利用率；提高舒适度；经济且无设备噪音；依靠自然力；受室外空气品质制约。本文借助Rhinoceros、Grasshopper、Ladybug Tools以及提取气象数据（.epw）对杭州地区进行气候条件进行数据可视化参数化分析，以此为依据判断杭州地区的自然通风潜力。
2.1.1杭州地区气候特征
2.2自然通风基本理论
自然通风，指的是利用自然风压、空气温差、空气密度差等对室内、矿井或井巷等区域进行通风输气的方式。自然通风是依靠室外风力造成的风压和室内外空气温度差造成的热压，促使空气流动，使得建筑室内外空气交换。这种方法不需要任何机械动力，而且在适当的情况下，可得到较大的通风风量，是一种较为经济的通风方法。
2.2.1自然风形成原因
（1）自然风形成原因：
太阳辐射在地球表面分布不均匀，造成全球各处的温度不同，这又促成了大气边界层的同高位气压存在不同。由此引起的空气自然流动是由高压区通向低压区，即风的形成。具体而言，风的生成可归于水平气压梯度力，而且它也会受到地球自转导致的地转效应和靠近地表的摩擦力的影响。总体上来讲，风通常表现为水平方向的运动，而垂直运动的现象较为少见。此外，风的运动状态可能因下垫面的地貌特征等原因而发生变化，其中具体因素主要包括但不仅限于以下三个：一是由于植被覆盖不均和土壤性质的变化导致的下垫面不规则，比如在荒漠中的绿洲和琥珀地带；二是地形起伏和山脉对地表粗糙度的影响；三是城市边界层所涉及的种种因素，如城市冠层、建筑物的遮挡效应、尾迹效应、地表粗糙度的计算、多重反射效应以及城市热岛效应等，这些影响都可能进一步增加风的运动复杂性。
（2）平均风剖面：
粗糙地表的地形元素（包括山地、建筑物以及沙漠植被等）与穿过大气边界层的气流发生摩擦作用，形成大气边界层的变化，由此近地面风流速因阻力受到减缓，导致风速减小。随着离地高度的增加，这种阻力实现逐渐减弱并最终消失。不同风力大小、地形粗糙度以及纬度下，地表到达大气层的高度被定义为大气层厚度ZG。
3 围合型实验楼数值模拟研究及实验验证 ...................... 32
3.1 实测方案设计说明 ................................. 32
3.2 实验楼室内风环境实测研究 ............................ 32
4 基于空气龄的围合型实验楼模拟研究 .............. 49
4.1 空气龄公式修正 ............................... 49
4.1.1 现有空气龄理论公式 ..................... 49
4.1.2 大型建筑空气龄计算方法修正................. 51
5 围合型实验楼室内风环境模拟研究 .................... 63
5.1 风速情况对比分析 ...................... 63
5.1.1 三层风速模拟分析 ........................ 63
5.1.2 一层风速模拟分析 ........................ 65
5围合型实验楼室内风环境模拟研究
5.1风速情况对比分析
5.1.1三层风速模拟分析
在数值模拟中，风速云图可以展示出各个高度上不同角度下的风速。利用不同的颜色区分不同的风速高低，并通过顶部坐标轴上的颜色示意条，用蓝色和红色分别代表风速慢和风速快。图5.1及图5.2为三层室内1.5m截面处风速的模拟结果。
通过对三层风速云图的深入分析，我们得以详尽地了解不同工况下建筑物三层1.5m平面上的风速分布情况。实验结果显示，在风向为0°、120°、240°和270°时，建筑内部的风速分布展现出相对均匀的特征，并未出现明显的高速流动区域。这一观察结果意味着，在这些特定的风向角度下，风可能更倾向于沿着建筑的轴线方向流动，或是以某种方式更加顺畅地通过建筑的通风口。这种流动模式有助于优化建筑内部的通风效果，减少空气滞留区，从而提升整体室内环境的舒适度与健康性。此外，我们还注意到，这种均匀的风速分布可能对于减少建筑物能耗、提高能源利用效率也具有一定的积极意义。
然而，在风向为60°、90°和330°的工况下，我们观察到风速云图中存在明显的局部高速区域，这些区域主要集中在靠近窗口和门洞的位置。具体而言，在60°的风向条件下，窗口处的进风量显著增强，并伴随着较高的风速。这表明，特定风向下建筑物的局部开口处可能形成风速集中区域，对室内环境产生较大影响。通过对风速云图进一步的整体分析，我们发现当风向与建筑的主要开口（如门洞、窗口等）对齐时（如150°和180°），风速高的区域更为集中。这种现象可能是由于不同楼层所处的位置受到地面摩擦影响较小，使得风能够更加顺畅地通过建筑的开口部位，进而形成较为明显的风速集中区。
6总结与展望
6.1总结
本研究选用典型底层架空围合型实验楼作为研究对象，借助数值模拟的方法系统探究不同来流风向条件下底层架空的开口位置变化对室内风环境的影响和通风状况变化特点，并获得12种不同风向条件下围合型建筑中来流风向与底层架空的开口位置之间的关系。进一步对比研究发现，在室内空气龄、换气次数以及风速风场分布等方面，模拟结果清晰地揭示了来流风向与底层架空的开口位置之间的关系。同时，根据研究结果，得出在夏热冬冷地区，该类型建筑最为推荐的来流风向。在设计围合型实验楼时，设计师可以参考本研究成果，根据各个房间特定的通风需求来灵活布局功能分布，并且针对通风需求进行朝向设计。具体得到如下结论：
（1）本文详细调研了杭州围合型实验楼的空间特征，具体包括区位、总体布局、单体布局、建筑朝向、开口位置、院落形态和空间形态等方面。此外，文章也从集约化、多元化、简约化和生态化四个角度进行了综合总结和归纳，明确指出了平面布局和空间形态这两类因素对其产生影响。同时对杭州地区的风环境特征进行可视化分析。
（2）在空气龄公式修正的过程中只考虑了通风量和通风效率的影响对C1系数进行了修正，未来还需要在考虑温度带来的热压条件下对D1系数进行了修正。
（3）在实验楼建筑设计中，需要将通风要求最高的
