公共建筑通風性能數值分析

王黎明

（中國科學技術大學火災科學國家重點實驗室，安徽合肥230026）

21世紀，能源危機、生態危機、溫室效應等能源和環境問題正在影響著我們的地球和生活，走可持續發展道路已成為全球共同面臨的緊迫任務，建筑業占能源消耗總量的1/3，采用建筑室內外通風技術最大限度地利用建筑周圍的自然環境，實現建筑節能，達到低碳環保的目的。近幾十年來，各國學者對于不同氣候條件下、不同建筑物通風的研究方法主要有3種：理論分析、實測研究和計算機模擬。早期研究以理論分析和實驗測試為主，隨著近年來計算機仿真模擬技術的快速發展，軟件模擬在通風問題的研究中愈發重要[1-2]。張楠和孫明寶分析總結出在不同尺度下新時期公共建筑中通風生態化的設計措施和規律[3]。辛玉廣和祝健根據合肥地區典型氣象年夏季氣象參數，以該地區某辦公建筑為研究對象，分析了不同等級熱惰性圍護結構下最佳通風策略，獲得了較適合夜間通風的圍護結構的熱惰性類型[4]。王禹等以綿陽某公共建筑為研究對象，以綿陽地區夏季和過渡季為氣候限定條件，運用DeST能耗模擬軟件分析了不同自然通風策略對室內基礎室溫及空調冷負荷的影響[5]。王文超等針對福州某辦公樓，從建筑通風角度進行分析，說明了計算流行力學（CFD）軟件模擬建筑通風技術在公共建筑生態建筑節能設計中的重要性和復雜性[6]。李文杰采用CFD方法，以天津某公共建筑為例，對不同的中庭形式、內窗布置條件下的模擬計算，得出了自然通風較為優化的設計方案[7]。張君杰等運用流體力學計算軟件PHOENICS對西安市某商場進行數值模擬分析，以期在設計階段能為建筑在過渡季的自然通風換氣次數的提高提供改進措施[8]。朱柯等采用Dest軟件模擬及動態耦合能耗分析法計算某地區辦公建筑3種通風類型下的自然通風與能耗關系，發現自然通風在一定條件下，最高減少建筑能耗達63%[9]。

關于通風對舒適度的影響調查統計顯示，若建筑活動區域的平均風速達到5m/s的發生頻率小于或等于10%，認為該區域是舒適的、適宜人生活的；而當發生頻率為10%～20%時，人們的舒適度會降低；當發生頻率大于20%時，應該采取及時的補救措施以減小風速帶來的不適和傷害。另外，當人在風速分布不均勻的區域活動時，若在小于2m的距離內，平均風速突然變化頻率達到70%，那么就是突然從低風速區進入高風速區的情形，人們對風環境的適應性和抵御的能力都將大大降低。由此看出，我們應該對建筑的室外通風準確評價與預測，分析建筑室外通風對室內通風的影響，尤其是對與建筑防風措施與自然通風性能及建筑本身能耗的影響。關于夏熱冬冷地區的酒店室內外建筑物的通風性能預測還未見報道，因此，本文以合肥市某酒店建筑項目為例，運用斯維爾Vent軟件研究室內外通風性能、建筑周圍場地及室內的風速、流場分布，以獲得自然通風對建筑能耗的影響，最大限度利用建筑周圍的自然環境實現建筑節能的目的。

1 理論模型

通常建筑通風效果的測驗方法有3種：風洞實驗法、模型試驗法、數值模擬法。測評過程分別由對建筑室外測評和建筑室內測評兩部分組成。建筑室外通風涵蓋的風場范圍特別大，很難用試驗去測評建筑通風效果，且前兩種方法的成本高、周期長，很難在較短的時間內獲得相對有參考價值的數據。因此，本文采用斯維爾Vent軟件來數值模擬建筑物室內外風環境。斯維爾Vent軟件依據CFD基本求解原理和流程，構建于Auto CAD平臺，進一步建立能夠被CFD計算核心識別的模擬模型。同時，模擬軟件依據建筑物風環境模型的特征，實施智能化的計算，包涵了模型的處理、網格的劃分、質量判斷及數值模擬的工況數據庫、計算參數的設置、結果管理的整個流程。通過實驗測試，Vent模擬的值與實測值之間的誤差小于20%。

力學中的守恒定律是未經任何假設而獲得的，適用于任何情況。同樣流體流動和傳熱也不例外，其流動過程遵守質量守恒定律、動量守恒定律、能量守恒定律。這些基本的物理定律一般可以用積分方程或者微分方程的形式來描述。CFD方法是基于流體流動學三大定律（質量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律）建立的數學方程，其一般形式為

式中的φ可以是溫度、速度、湍流耗散率以及湍流動能等。針對不同的方程，其具體表現形式如表1。

表1 計算流體力學的控制方程

續表1

在進行數值模擬計算時，粘性流是包含有摩擦、換熱和擴散等輸運現象的流動，是耗散性的，由各種不平衡勢造成。質量擴散是因為流動中不同化學組分之間存在濃度梯度時產生的，熱傳導則是由于流場溫度分布不均所形成的溫度梯度導致。表1中給出了具體的連續性方程、各方向的速度方程、湍流動能方程、湍流耗散方程和能量方程，在斯維爾Vent軟件中對上述各方程進行離散求解，計算出各節點上的值以獲得整個計算模型的流場分布。

2 數值分析方法

基于CFD原理對建筑通風性能進行數值計算的步驟：

（1）建立控制方程。根據上節給出的流體控制方程直接給出，當處于湍流時要在軟件中添加湍流方程。

（2）確定邊界條件與初始條件。控制方程與相應的初始條件、邊界條件的組合構成對一個物理過程完整的數學描述。本文研究的是穩態問題，不需要初始條件。

（3）劃分計算網格。網格的參數對網格劃分的精度和效果起著很大的作用。本文劃分網格的原則：1）建筑物附近要求網格密集，遠離建筑的區域網格密度可以適當減小；2）貼近地面的區域，網格要求加密以捕捉近地面的摩擦力對近地面層風場環境的影響；3）貼近建筑的區域，網格要加密以捕捉建筑物表面的摩擦力對附近建筑物表面風場環境的影響；4）有明顯局部特征的建筑物輪廓，如尺寸較大的塔尖、凹凸形狀，這時對網格加密以捕捉具有一定的特征局部對風場環境的影響。

（4）建立離散方程。對于在求解域內所建立的偏微分方程，通過有限體積法（DVM）建立起一組關于未知量的代數方程組，通過求解代數方程組來得到這些節點值，域內其他位置上的值則根據節點位置上的值來確定。該過程在計算軟件中自動完成。

（5）給定求解控制參數。

（6）求解離散方程。

（7）判斷解的收散性。在迭代過程中，要對解的收斂性隨時監視，并在系統達到指定精度（10-5）后結束迭代過程。

（8）顯示和輸出計算結果。

3 案例分析

下面以合肥市某酒店建筑項目為例進行詳細分析。如圖1所示，該項目總用地面積為110 038.26m2，總建筑面積為72 658m2，其中，建筑總地上面積為72 658m2，項目的主要建設內容為一棟酒店式綜合樓28 363m2，項目建筑密度為13%，綠地率為72%，容積率為0.66。

3.1 室內外通風模擬的幾何模型

依照建筑的總平面圖以及相關的資料建立本項目的建筑室內外風環境模擬模型，分別如圖2和圖3所示。通過Vent模型觀察功能分析模型中包括本項目中建筑物的高度以及分布情況，并通過建筑總平面圖分析建筑群整體尺寸。建立模型時，計算區域取300m×300m×100m，網格計算個數設置為80×80×25，最后對建筑物中心區域進行加密處理，參照《建筑通風效果測試與評價標準》規范JGJ/T 309-2013對于室外風場尺寸的要求，模擬將自動創建適合的風場范圍。

圖1 項目效果圖

圖2 室外模型圖

圖3 綜合樓立面模型圖

3.2 模擬工況

按照合肥地區全年的氣象參數確定典型的夏季和冬季工況和過渡季節工況，各工況的具體風向及風速設置如表2所示。其中工況1、2、3主要分析在主導風向條件下項目周圍流場分布及建筑物前后壓差是否有利于自然通風；工況2主要分析在冬季主導風速的情況下項目周圍流場分布及防風狀況。

表2 模擬的工況

3.3 室外通風模擬分析

工況1（夏季工況）的模擬結果如圖4～5所示。由圖此看出，人行高度處的風速大體上都位于較為合理的范圍，風速主要分布在1.26m/s～5.89m/s之間，風速放大系數為1.26，小于2。人行高度主要活動區域通風流暢，周圍沒有形成較大的渦流區域。弱風的區域較少，此區域非常適合人們在外面區域進行活動。

迎風面的建筑外表面風壓一般在5.79～37.4Pa，背風面建筑表面風壓一般在-0.53～5.79Pa，如圖6～7所示。而在距地1.5m高度處，項目的迎風面風壓基本在5.79～12.1Pa，項目的背面風壓為-0.53～5.79 Pa，易于在人行區域處形成自然風場，有利于建筑周邊區域的空氣流通，滿足50%以上可開啟外窗，室內外表面的風壓差大于0.5Pa。

工況2和3（冬季、過渡季工況）的模擬結果如圖8～9所示。人行高度處的風速基本都處于1.58～2.89m/s，在人體舒適度要求范圍之內，可不采取過多的防風措施，平均風速放大系數為0.63。

建筑表面迎風側壓力和背風側的壓力分布如圖10～11所示。在冬季室外最多風向的工況下，項目的迎風面風壓為-15.3～-9.47 Pa，背風面風壓為-21.18～-15.3 Pa，前后壓差較大。而在距地1.5m高度處，項目的迎風面風壓基本為10.5～-9.47 Pa，項目的背風壓為-15.23～-12.66Pa。

圖4 人行高度處風速云圖

圖5 人行高度處風速放大系數云圖

圖6 迎風面風壓云圖

圖7 背風面風壓云圖

圖8 人行高度處風速云圖

圖9 人行高度處風速云圖（放大系數）

圖10 建筑表面迎風側壓力分布圖

圖11 建筑表面背風側壓力分布圖

3.4 室內通風模擬分析

該項目的室內通風情況如圖12～13所示。由圖12可知，當過渡季風從西北偏側吹入綜合樓時，由于周邊建筑布局的影響，建筑在南北方向形成開口，所以綜合樓一樓總體通風效果良好。在綜合樓東北側極少個數房間出現風影區，且在風影區內形成靜風區，風速小于1m/s。因此，整體通風效果較好。

圖12 綜合樓一層1.5m高度風速云圖

圖13 綜合樓五層1.5m高度風速云圖

由圖13可知，受樓層及周邊建筑布局的影響，當過渡季風從西北偏側吹入綜合樓時，綜合樓5樓南向少數房間處于風影區，東北向及西南向走道區域相互貫通，在個別地方由于建筑的造型影響形成絮流，風速大于5m/s。整體通風效果良好。

整個項目換氣次數如表3所示。換氣次數大于2/h的面積占總面積的47.45%，有利于人體活動。

表3 換氣次數大于2次/h的面積比

4 結論與分析

綜上所述，以合肥市某酒店建筑項目為例，運用斯維爾Vent軟件對不同季節的工況以及過渡季節建筑室內外通風情況進行模擬。結果表明：在建筑室外人行高度區域，受夏季主導風的影響，建筑綜合樓與南附樓之間產生了狹管效應，通行處產生了較大絮流，對出行產生較大影響，因此建議在該處外側種植高大闊葉喬木進行適當遮擋，以減少風環境絮流的影響；冬季通風效果良好，由于周邊建筑物產生的狹管風影響面積不大，場地內無較大絮流，在建筑背風面形成一定區域的風影區，對周圍風環境基本無影響；室內通風換氣次數大于2/h的面積占總面積的47.45%，自然通風效果較好，并且室內大部分區域的風速以及通風次數能夠較好地滿足室內舒適度。