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关于研究香港特别行政区建筑物的通风要求的意见
摘要
对最近一项有关香港特别行政区政府屋宇署所发出的本地楼宇通风要求的咨询项目工作作出评论。建议对室内空气流量进行详细研究，以制定与建筑物通风要求相关的规范。局部空气速度，湍流和它们对热舒适性的影响是确定提供更好通风的标准的关键因素。应当导出关键宏观设计参数和热舒适指数之间的相关关系。此外，考虑了计算流体动力学（CFD）的应用，因为这种技术比其他方法更可行、更便宜，所以我们使用CFD研究小屋内的自然通风。并简要回顾了香港理工大学（理大）室内空气流动的研究活动。我们指出，大学等地方高等教育院校将会协助屋宇署制订建筑物通风要求的适当守则。这项研究的结果，不但对香港特别行政区有用，还对其他热带的国家有用。
- 绪论
香港特别行政区（香港特别行政区，以前称为香港）是一个建筑物密集的城市，但人们没有过多考虑在建筑物中提供的自然通风[1]。许多建筑物紧密地建立在一起，因此仅有有限的自然通风。在过去的30年中在老的高层建筑物中建造了许多违章建筑。这些违建不仅妨碍了建筑物的紧急通道，还会造成结构稳定性和防火安全性方面的问题，并且具有外部装饰材料掉落的风险。特区政府屋宇署将会实施楼宇安全检验计划，以解决这三个问题[2]。对于通风状况，这些违建将影响空气流动模式，从而限制新鲜空气供应到建筑物。建筑物的分隔距离会因违建而大大缩短。在这种情况下，由空调主机排出的热量很容易转移到邻居室内。更糟的是，如果违章建筑被用作餐厅的厨房，将会排出大量的油烟废气。因此，建筑物中的大多数窗户必须关闭。此外，特别是在没有风的天气或从北部吹来强风的时候，外部空气的质量将变得更差。因此，建筑物居民不能通过自然通风提供新鲜空气而感到舒适。有时候，打开窗户还可能是非常危险的，因为大的霓虹灯广告面板被建造在整个建筑表面，而施工者并不关心住在里面的人。 屋宇署多次采取行动拆卸这些楼宇，浪费了大量公帑。
由于上述和许多其他原因，当地居民很可能大部分时间留在没有什么自然通风的室内。 因此，安装了机械通风和空调（MVAC）系统[3,4]。 这不仅是为了获得足够的新鲜空气，也是为了热舒适。 考虑到香港特区有一个很长的炎热潮湿的夏天，大部分时间是一个“温暖”的冬天。 几乎所有住宅楼包括临时安置区都有窗户单元。中央空调系统位于商业建筑，商场，工业建筑，火车站，大厅，体育场和剧院。甚至旅客列车车厢[5]，大多数公共汽车和汽车都装有空调。
然而，香港特别行政区建筑物的MVAC系统的设计和操作并不令人满意，如图书馆，办公室，商场，教育机构和停车场等不同建筑物室内环境的调查[6-9]。1996年的事件[10]表明，通风设计不当会导致混乱，虽然这种情况发生在火车车厢，但是在建筑物内发生的可能性仍然很大。
有关研究香港特别行政区楼宇的照明及通风要求的咨询项目[11]是由屋宇署资助的。主要目标是审查现行条例，规则和建议[12-19]，并确定需要改进的领域。现在，特区政府非常开放，公众的意见是公开咨询文件。在施加规例之前，政府都会妥善处理学者的意见。屋宇署和消防处两个政府部门展示出了良好的做法。为响应可能对整个建筑行业产生长期影响的咨询项目，本文简要总结了目前情况下建筑物的通风要求。指出研究室内空气流的重要性。
- 通风要求
一般来说，人们需要很少量的氧气就能存活。然而，产生的二氧化碳将引起填充物和“坏空气”的感觉，因此必须考虑氧耗竭和二氧化碳累积。此外，特别是在拥挤的空间，医生也更建议有更多的新鲜空气更有利，因为这样可以最小化疾病的传播。热效应，包括温度和湿度，它也将影响通风空间中的人类感觉。根据Janssen[20]最近的研究，基于生理需要和舒适因素制定最小通气率。 数值范围从每人最低4 cfm（2 l / s），由Tredgold在1836年进行的第一次估计，最大为每人30 cfm（14 l / s），然后是15 cfm 7.5 l / s）在ASHRAE标准62-1989 [21]。
在发布ASHRAE标准62-1989后，特别是在吸烟区，在通气率方面，出现了大量的论据。这个标准撤回了一段时间，用于进一步审查。1996年提出了对标准62R的修订建议。提出了大多数空间通风率较低的附录，政府将很快公示这些数据[22]。
人们在研究国外商业建筑物的通风要求方面付出了大量的努力（例如由Sherman [23]审查）。新鲜空气需求与相关的热能使用或冷却外部新鲜空气之间存在冲突。相对来说，住宅楼宇的通风并没有像商业楼宇那么多。主要原因是打开的窗户便可提供足够的通风。然而，随着新风格的生活更需要利用通风，需要更多的新鲜空气稀释室内污染物，如挥发性有机化合物。因此，必须审查住宅建筑的现有通风要求。
香港特别行政区很有必要学习建筑通风，因为它既适合生理需要，又适合人类舒适。目前，早在几年前，香港没有这么多的高层建筑物时，建筑通风的规范和设计指南就被提出来了。这些规范很长时间也没有修改。此外，包括内地，MVAC系统指南都不一定是可用的[ 21,24-26]。这些指南是否适用于亚热带地区是一个大问题。最近的地下停车场通风设计指南[27]基本上来自澳大利亚，但在那里很少有大型封闭式地下停车场。另一个例子是对热量上的空气流量进行量化，舒适度使用不满意（PD）方程的百分比[28,29]。这是来自斯堪的纳维亚国家的主观调查，应该只适用于寒冷气候下的欧洲人。正如Chow和Fung [30]报道的，当地中国人喜欢在夏天提高空调风速！在1996年大延迟事件中列车车厢内[10]许多人在住宿期间感到恶心;以及图书馆，办公室，商场和停车场的通风条件不尽如人意。[ 如6-9]这些是对通风设计不够重视的明显例子，因为他们只是复制国外的指南和规范，而不根据当地的实情。
鉴于这些情况，屋宇署决定检讨现在的情况，并采取适当行动改善楼宇的通风设备。屋宇署设立了一个咨询项目[11]，成立了一个由屋宇署署长主持的督导小组，负责监督这方面的工作的进展。研究的目的是全面检讨本地建筑物的通风要求。应确定现有规章，规则和建议[12-19]的所有缺陷和需要改进的领域。一套新的标准旨在保护居民的健康生活品质，并确保当地令人满意的室内环境质量，建筑物将具有现代建筑特征，如幕墙建筑物，中庭或多用途复合体。
正如Chow[31,32]在申请财政支助时所指出，香港特别行政区室内空间的新通风设计标准应予以科学发展。 应紧急审查目前这些室内空间的通风导管，以便通过先进的科学调查，向香港特区政府提出新的建议。关注局部空气速度，湍流及其对热舒适性的影响的研究应该是第一阶段的长期项目。向香港特区提交研究建议，目的是透过科学研究，来得出与本地气流速度有关的新室内通风设计准则。
- 审查当前状况
在大多数建筑通风标准和设计指南中规定了两个关键参数[12,21,22,24-27]：空气变化率和通风率。两个参数都来自通过空气入口的总通风流速(in m3s-1) 。
关于建筑物通风的地方法规见《建筑物（规划）规章》第123章附属立法[12]。在那里，明确规定了自然通风窗的最低要求，虽然没有注释具体尺寸，但提出了如窗口面积的总和应至少10％的楼面面积这样的要求。在机械通风处所还需要每小时5次换气（即N ACH = 5）的最低要求。另一套建筑（通风系统）规章，第123章[12]基本上是关于建筑物的通风系统。清楚地描述了关于确定所需最小通风流速的指导方针或如何提供所需的工作环境。但是，在那里提到了系统的施工要求和系统所有者、承包商和检查官的个人责任。
虽然环境保护署现正发出一份有关管理室内空气质量的咨询文件[19]，但根据较早前的咨询研究报告[14]，并没有任何有关评估空气净化器的空间的设计守则或标准，且没有讨论局部空气速度限制或湍流。但有劳工处职业安全及健康部所订明的自然通风处所最小窗面积（占地面积5％至10％）及空调处所最低新鲜空气供应量的数据。因此，在设计环境控制系统时，不仅应改遵循国际标准和其他地方制定的守则。还要详细考虑这些标准，因为它们可能不适用于当地情况。一个明显的例子[例如30]是在拥挤的空间中提高风速的要求。
使用参数N ACH和VR的一些不足：
- 当地建筑物，如购物中心，过去拥挤的居住密度远高于名义价值。 因此，通风系统在这种拥挤的条件下可能尺寸过小。
- 对于需要更多空气的停车场等建筑物，一氧化碳可能从在高峰时间在入口附近形成的车队排出，其浓度要高得多。通风系统在这些通风条件恶劣的环境下可能无法正常工作。
- 通常假设“混合”模型。 然而，可能不是所有建筑都是这样，比如发生热分层的中心房。
结果，有许多投诉在使用MVAC系统的地方感到不适[6-9]。另一个例子是在当地铁路的火车公司的事故，有些人认为是通风系统没有正常运行[ 10]。因此，对如何改进通风系统，我们需要进行深入的研究。
Chow和Fung [3]，Chow和Yu [4]得出了MVAC系统设计的本地实践的初步总结。据发现，大多数通风系统的安装符合当地建筑规定，并获得了安装许可证。但通常不研究向被安装空间提供新鲜空气的主要目的。例如，计算流体动力学（CFD）[1,33-35]仅用于几个项目。调查结果还表明，安装空调系统是为了满足热舒适要求，这对于租金高昂的写字楼而言是显而易见的，但这只是提供空调系统的目的之一。空调系统的主要目的是为居住者提供一个健康舒适的室内环境，以便开展活动[36];或为制造（例如纺织厂，电子工厂），产品存储或其它开发过程提供所需的室内环境控制。
良好的空气扩散系统设计可以为建筑物居民提供更好的满意度。为在MVAC系统的设计和偏好之间发现“间隙”，我们在设计这些系统时指定了宏观数字，例如N ACH。
建筑物应设计有足够的通风以使建筑物居民舒适、健康和满意。如果自然通风不足，应该提供在上述三个项目都有改善的最终产品的MVAC系统[37]。或者，另一种方法是通过使用“混合模式”即内部环境同时使用自然通风和MVAC系统来提供舒适，但在一年的不同时间或一年的不同季节使用系统有着不同特征[38,39]。这与建筑物居住者的舒适度的偏好与被安装区的当地条件密切相关。影响热舒适性的物理参数是风速，空气温度，湿度和辐射温度。如果自然通风建筑不能提供满意的条件，安装的MVAC系统应具有良好控制的前三个参数（风速，空气温度和湿度）的能力。例如，通过将传感器放置在被安装区域中的代表性位置中，可以动态地控制被安装区域中的温度和湿度。通常，没有用于MVAC系统测量局部风速的传感器，因此局部空气速度不由系统自动控制。
风速是评估热舒适度的重要因素，但在目前的自然通风建筑法规中没有被考虑。例如，没有考虑相对于局部风环境的窗口区域，形状和位置。没有找到建筑物与外界相通处的描述。 在运行MVAC系统时，很少将风速作为控制参数（指定风扇转速）！在设计阶段很难指定建筑物被安装区域的当地舒适条件，虽然它是弥合“差距”的解决方案之一。 将宏观数据与当地人类舒适度条件相联系是另一种选择。
- 初步工作研究
室内空间包括住宅建筑，商业建筑，大厅，剧院，停车场，隧道和火车站。 然而，车辆如火车，公共汽车和汽车车厢也被认为是室内空间，虽然它们不包括在当前的咨询项目[11]。以下与室内空气动力学相关的工作应该被列为建筑物通风要求的第一阶段工作。
- CFD的应用
对建筑物中的空气分配的良好理解对设立通风标准很重要。 CFD [1,33-35]是应用于预测混合机理的微观图像的常用技术。所得到的气流模式，温度轮廓，灰尘颗粒和污染物分布可用于评估机械通风和空调系统的性能。它可以让我们得到更好空气扩散装置的选择，间隔和操作条件[例如， 45]的设计。
然而，在CFD模拟中也存在问题[例如。 46-48]，并且至少三个点必须列出：
- 湍流模型;
- 使用有限差分方法求解一组偏微分方程的离散化方案;
- 用于求解压力 - 速度关联方程的算法。
这三点我将深入研究，并以实验验证 [49]。
为了设计目的从CFD结果中提取相关宏观参数的研究很少。 更实际的方法是基于从衍生自CFD的数据库确定的宏观流参数来导出简单模型。宏观流动参数包括N ACH，VR，J *等。为此目的特别定义。例如，对于机械通风空间，将具有PD的平均空气速度中值u 50和中值PD 50（以％为单位）的相关方程导出[50]：
u 50 = 0.018 N ACH (15)
u 50 = 0.017 VR (16)
u 50 = 252 J* (17)
PD 50 = 0.46 N ACH (18)
PD 50 = 0.44 VR (19)
PD 50 = 6191 J* (20)
其他例子是关于空气扩散器的“抛出”与空气的平均新鲜度时间有关，正如在对列车通风设计的初步分析中所批评的[5]。
对于自然通风，尺寸为10mtimes;10m，高度为3m的小平面，具有两个窗口A和B（两个宽度为1m），如图1所示。以图1为例，自然通风的驱动力包括室内和室外之间的温度差、温暖或冷空气的浮力以及风作用引起的堆叠效
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