數(shù)值模擬技術(shù)超高層綠色建筑自然通風(fēng)設(shè)計(jì)研究

秦硯瑤，戴輝自，吳思睿，劉軍

數(shù)值模擬技術(shù)超高層綠色建筑自然通風(fēng)設(shè)計(jì)研究

秦硯瑤，戴輝自，吳思睿，劉軍

（中煤科工集團(tuán)重慶設(shè)計(jì)研究院有限公司 綠色建筑技術(shù)中心，重慶 400016）

基于《重慶市建筑節(jié)能（綠色建筑）設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（DBJ50-052-2013）對綠色建筑自然通風(fēng)的要求，通過某超高層綠色建筑項(xiàng)目設(shè)計(jì)實(shí)踐，采用數(shù)值模擬分析技術(shù)輔助綠色建筑室內(nèi)自然通風(fēng)設(shè)計(jì)，避免常規(guī)自然通風(fēng)效果定性分析的不確定性，既可實(shí)現(xiàn)良好的自然通風(fēng)，又最大限度地降低了幕墻造價(jià)。通過本文的研究，為超高層綠色建筑室內(nèi)自然通風(fēng)設(shè)計(jì)提供了新思路，也為其他項(xiàng)目的自然通風(fēng)設(shè)計(jì)提供了良好的借鑒。

綠色建筑；數(shù)值模擬；自然通風(fēng)；超高層建筑；幕墻開窗面積；室外梯度風(fēng)；過渡季；空氣齡

基金論文：該論文為重慶市綠色建筑與建筑節(jié)能配套能力建設(shè)項(xiàng)目“外墻保溫工程應(yīng)用質(zhì)量現(xiàn)狀調(diào)查與評估”資助項(xiàng)目論文之一，中煤科工集團(tuán)重慶設(shè)計(jì)研究院有限公司青年基金項(xiàng)目“建筑外遮陽設(shè)計(jì)方法研究”（項(xiàng)目編號：2013QN 040）。

doi：10.3969/j.issn.1671-9107.2015.02.008

0　引言

自然通風(fēng)作為一種被動式技術(shù)，在改善室內(nèi)熱濕環(huán)境的同時(shí)可降低建筑能耗，因而得到大力的推廣。但由于設(shè)計(jì)條件的限制，目前，在工程設(shè)計(jì)實(shí)際中，自然通風(fēng)的效果多根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判定，該判定中更多的是考慮風(fēng)壓通風(fēng)，未考慮到室外梯度風(fēng)［1］。對于超高層建筑，室外風(fēng)速呈指數(shù)分布，在一定高度以上，室外風(fēng)速遠(yuǎn)大于低層，由此引起的室內(nèi)自然通風(fēng)效果亦完全不同于底層低風(fēng)速的狀況，傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)判定將無法反映實(shí)際狀況。本文基于重慶某一綠色超高層項(xiàng)目，采用數(shù)值模擬分析技術(shù)輔助室內(nèi)自然通風(fēng)設(shè)計(jì)，探求滿足過渡季室內(nèi)自然通風(fēng)的幕墻開窗面積要求，在滿足自然通風(fēng)要求的前提下，盡可能減小幕墻開窗面積，最大限度地降低該建筑幕墻造價(jià)。

1　標(biāo)準(zhǔn)中對自然通風(fēng)的要求

《重慶市建筑節(jié)能（綠色建筑）設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》DBJ50-052-2013（以下簡稱《標(biāo)準(zhǔn)》）提出：設(shè)計(jì)應(yīng)進(jìn)行下列建筑室內(nèi)外風(fēng)環(huán)境、室內(nèi)采光分析，優(yōu)化建筑空間平面和構(gòu)造設(shè)計(jì)：在過渡季典型工況下，90%的房間的平均自然通風(fēng)換氣次數(shù)不應(yīng)低于2次/h。在無法采用數(shù)值模擬分析技術(shù)的條件下，一般可按如下進(jìn)行判定：自然通風(fēng)房間可開啟外窗凈面積不得小于房間地板面積的4%，建筑內(nèi)區(qū)房間若通過鄰接房間進(jìn)行自然通風(fēng)，其通風(fēng)開口面積應(yīng)大于該房間凈面積的8%，且不應(yīng)小于2.3m2（數(shù)據(jù)源自美國ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)62.1）。同時(shí)，單側(cè)通風(fēng)房間的進(jìn)深不超過房間凈高的3倍；穿堂風(fēng)房間的進(jìn)深不超過房間凈高的5倍。這一做法主要針對于多層或高層建筑，在超高層建筑中，情況則不盡相同，換言之，考慮到風(fēng)速隨高度呈指數(shù)增長后，在一定高度上，要實(shí)現(xiàn)在過渡季典型工況下，90%的房間平均自然通風(fēng)換氣次數(shù)不應(yīng)低于2次/h，自然通風(fēng)房間可開啟外窗凈面積并非不得小于房間地板面積的4%［2］。

按照大氣邊界層理論，氣流穿過不同的地區(qū)和地形帶時(shí)，因產(chǎn)生摩擦力而使風(fēng)速降低，風(fēng)能減少，其本身的結(jié)構(gòu)也隨之發(fā)生變化，直到達(dá)到一定高度，地面粗糙度的影響才可以忽略。一般情況下，地面以上300m（不超過1000m）范圍內(nèi)均屬于大氣邊界層，在這個(gè)范圍以上風(fēng)速才不受地表的影響。近地面層的風(fēng)速服從指數(shù)分布［3］，如下式所示：

其中：UZ—高度Z處的水平方向風(fēng)速，m/s；

U0— 參考高度Z0處的風(fēng)速，m/s；

Z—研究點(diǎn)的高度，m；

Z0—參考高度，m；

α—為由地形粗糙度所決定的冪指數(shù)，可按建筑所處的地形條件選取，無量綱。

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB 50009，地面粗糙度可分為A、B、C、D四類，該研究中室外地形地貌可按照密集建筑群的城市市區(qū)選擇為C類，α值取0.22O［4］。

2　自然通風(fēng)設(shè)計(jì)

該研究采用Phoenics流體力學(xué)計(jì)算軟件。該項(xiàng)目為商業(yè)及辦公樓綜合體，整個(gè)用地為南北朝向，裙房為商業(yè)，塔樓為3個(gè)辦公區(qū)域，地上32層/地下7層，總建筑面積338308m2，建筑高度地上154.9m。項(xiàng)目地塊北面高差較大，建模時(shí)予以考慮。在研究室內(nèi)自然通風(fēng)狀況時(shí)，需先進(jìn)行室外自然通風(fēng)的模擬，而后將室外自然通風(fēng)的結(jié)果作為室內(nèi)自然通風(fēng)的邊界條件。該研究主要結(jié)合《標(biāo)準(zhǔn)》中7.2.3條第3款的要求，針對重慶典型氣候條件（過渡季節(jié)）下研究建筑表面的壓力分布，并將壓力分布作為過渡季室內(nèi)自然通風(fēng)的邊界條件。

2.1室內(nèi)風(fēng)環(huán)境模擬方案及邊界條件

該項(xiàng)目8層及以下為大型商業(yè)（見圖1-圖3），根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，大型商業(yè)可不考慮自然通風(fēng)。

圖1　項(xiàng)目平面圖

圖2　迎風(fēng)面風(fēng)壓圖

圖3　建筑背風(fēng)面風(fēng)壓圖

9層及以上為塔樓，性質(zhì)為辦公建筑，需考慮室內(nèi)自然通風(fēng)所需的開窗面積比；10層以上皆為標(biāo)準(zhǔn)層，建筑平面相同；9層稍有不同，中間為核心筒，圍繞核心筒一圈為走道，其余為開敞式辦公。根據(jù)室外風(fēng)環(huán)境模擬的情況，確定選擇T2塔樓為模擬對象，T2塔樓朝向?yàn)闁|北偏北，T2塔樓平面詳見圖4，建立的計(jì)算模型詳圖5所示，根據(jù)“中國建筑熱環(huán)境用氣象數(shù)據(jù)集”中的氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得到，項(xiàng)目所在地的過渡季節(jié)的風(fēng)向?yàn)镾（南風(fēng)），平均風(fēng)速2.5m/s。標(biāo)準(zhǔn)對于超高層建筑，由于高處風(fēng)力過大以及安全方面的原因，不再對因自然通風(fēng)規(guī)定而要求外窗和玻璃幕墻開啟面積作具體要求，僅要求第20層及其以下各層的外窗和玻璃幕墻因自然通風(fēng)要求而開啟，20層以上樓層不作要求。

圖4　塔樓模擬標(biāo)準(zhǔn)層室內(nèi)建筑布局圖

圖5　建筑室內(nèi)自然通風(fēng)模型

為滿足過渡季90%的房間建筑設(shè)計(jì)，標(biāo)準(zhǔn)中要求的最低比例為4%，在建筑高度較高時(shí)，考慮到梯度風(fēng)的影響，當(dāng)開窗面積比例不滿足4%時(shí)，有可能90%的房間面積滿足2次/h的換氣次數(shù)要求。模擬方案采用從1%～4%，按照1%的有效開窗面積逐級遞增。選取3個(gè)不同高度（低9層、15層、21層）的房間過渡季的室外自然通風(fēng)狀況。根據(jù)《幕墻工程技術(shù)規(guī)范》JGJ102-2003，幕墻懸窗開啟角度小于30°，且開啟距離小于300mm，其有效開啟面積比例按照消防規(guī)范要求，懸窗開啟時(shí)的2倍側(cè)投影面積與正投影面積之和。選擇的幕墻開窗洞口為寬600，高2000mm，考慮采用寬600，高2000mm上懸窗，有效凈面積面積為0.78m2。因此，制訂如下的模擬技術(shù)方案，詳細(xì)開窗狀況見表1。

表1　各開窗面積比下各層的開窗狀況

2.2室內(nèi)風(fēng)環(huán)境研究模擬結(jié)果

通過對項(xiàng)目的9層在過渡季不通過開窗面積下的室內(nèi)自然通風(fēng)模擬研究發(fā)現(xiàn)：開窗面積比依次為1%、2%、3%時(shí)，9層過渡季節(jié)室內(nèi)自然通風(fēng)滿足2次/h的面積比例分別為74.6%、83.0%、91.1%、100%。因此，考慮選擇開窗面積比為3%。衡量通風(fēng)換氣效果可采用換氣次數(shù)，PHOENICS軟件內(nèi)置的計(jì)算功能為計(jì)算某點(diǎn)的平均空氣齡，由于空氣齡是指空氣質(zhì)點(diǎn)自進(jìn)入房間至到達(dá)室內(nèi)某點(diǎn)所經(jīng)歷的時(shí)間，換氣次數(shù)與平均空氣齡存在相互轉(zhuǎn)換關(guān)系。當(dāng)某點(diǎn)的平均空氣齡小于1800s時(shí)，該點(diǎn)的換氣次數(shù)大于2次/h（見圖6-圖8）。

圖6　L9層不同開窗下的室內(nèi)空氣齡云圖，開窗面積比依次為1%、2%、3%、4%

圖7　L15層不同開窗下的室內(nèi)空氣齡云圖，開窗面積比依次為1%、2%、3%、4%

圖8　L21層不同開窗下的室內(nèi)空氣齡云圖，開窗面積比依次為1%、2%、3%、4%

15層過渡季節(jié)室內(nèi)自然通風(fēng)滿足2次/h的面積比例分別為86.5%%、100%、100%、100%。因此，考慮選擇開窗面積比為2%。

21層過渡季節(jié)室內(nèi)自然通風(fēng)滿足2次/h的面積比例分別為89.5%、100%、100%、100%。因此，考慮選擇開窗面積比為2%。

從梯度風(fēng)的角度而言，在同一地點(diǎn)的豎向高度上，高度越高，風(fēng)速越大，風(fēng)壓一般也越大，在相同建筑室內(nèi)平面布局下，風(fēng)壓越大，室內(nèi)自然通風(fēng)效果愈強(qiáng)，室內(nèi)各點(diǎn)的空氣齡降低，這與圖3.6～3.8的趨勢一致。在同一層，由于室內(nèi)外風(fēng)壓已經(jīng)確定，當(dāng)開窗面積增大后，室內(nèi)通風(fēng)面增大，自然通風(fēng)效果增強(qiáng)，室內(nèi)各點(diǎn)的空氣齡亦降低，這與圖3.6～3.8的變化趨勢亦一致。

2.3室內(nèi)自然通風(fēng)設(shè)計(jì)

根據(jù)室外梯度風(fēng)的關(guān)系，隨著建筑高度的遞增，室內(nèi)自然通風(fēng)效果越強(qiáng)，因此，9～15層采用3%的開窗面積比，15～20層采用2%的開窗面積比，21層以上采用2%的開窗面積比，兼顧了超高層建筑辦公室自然排煙的要求。較原來每層4%的開窗面積比要求，整個(gè)項(xiàng)目幕墻可開啟面積減少近1/3，大幅度降低了幕墻五金件的造價(jià)，推進(jìn)了整個(gè)項(xiàng)目的工期。

3　結(jié)論

通過對某綠色超高層項(xiàng)目的研究，在過渡季典型氣象條件下，因梯度風(fēng)的影響，要實(shí)現(xiàn)90%以上功能房間換氣次數(shù)2次/h以上，并非均需滿足4%的開窗面積要求，通過采用數(shù)值模擬分析技術(shù)輔助室內(nèi)自然通風(fēng)設(shè)計(jì)，可以有效提高室內(nèi)自然通風(fēng)效果，降低綠色建筑造價(jià)。

［1］張艷輝.超高層建筑結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)風(fēng)荷載效應(yīng)研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2013.

［2］重慶市工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn).DBJ50-052-2013重慶市建筑節(jié)能（綠色建筑）設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)［S］.重慶市城鄉(xiāng)建設(shè)委員會，2013.

［3］朱穎心.建筑環(huán)境學(xué)：第三版［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2004.

［4］中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn).GB 50009建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.

責(zé)任編輯：孫蘇，李紅

Study on Numerical Simulation Technology in Natural Ventilation Design for Ultra High-rise Green Building

Based on the natural ventilation requirements in Design Standards on Public Building Energy Saving（Green Buildings）（DBJ50-052-2013），and a practical case，numerical simulation technology is applied to assist indoor natural ventilation design for green buildings to avert the uncertainty of common natural ventilation，which can achieve good natural ventilation result，and offer some favorable references for other natural ventilation designs.

green building；numerical simulation；natural ventilation；ultra high-rise building；windows acreage of curtain wall；outdoor gradient flow；transition season；air age

TU972+.9

A

1671-9107（2015）02-0008-03

2014-12-13

秦硯瑤（1982-），女，重慶人，碩士，工程師，主要從事綠色建筑技術(shù)研究。

戴輝自（1988-），男，江西吉安人，碩士，工程師，主要從事綠色建筑技術(shù)研究。