基于CFD的南教某實訓館通風及熱舒適性模擬

吳小勇 （福建水利電力職業技術學院，福建 永安 366000）

0 前言

綠色建筑是指在全壽命期內，最大限度地節約資源（節能、節地、節水、節材）、保護環境、減少污染，為人們提供健康、適用和高效的使用空間，與自然和諧共生的建筑[1]。在《綠色建筑評價標準》節能與能源利用的評分項的建筑與圍護結構、供暖、通風與空調中，良好的自然通風都可以貢獻較多的分值。

建筑通風被認為是消除室內空氣污染、降低建筑能耗的最有效手段。當采用通風可以滿足消除室內余熱、余濕要求時，應優先使用通風措施，可以大大降低空氣處理的能耗，而自然通風主要通過合理適度地改變建筑形式，利用熱壓和風壓作用形成有組織的氣流，滿足室內通風要求，減少能耗[2]，是最經濟節能的一種通風方式。建筑物的平面空間組織布局、剖面設計和門窗的設置，應有利于組織室內自然通風。宜對建筑室內風環境進行計算機模擬，優化自然通風系統[3]。

本文正是在當今為貫徹國家技術經濟政策、節約資源，保護環境，推進可持續發展的大背景下，結合當前BIM技術建立建筑信息模型，采用CFD軟件對某實訓館的室內自然通風（夏季工況、冬季工況）進行數值模擬，為改善該建筑物的熱舒適性、室內空氣品質，降低其建筑能耗具有重要的參考價值和意義。

1 建筑模型

本次模擬的建筑位于福建省永安市，朝向為坐北朝南，建筑高度為11.85m，占地面積為2740.14m2，為框架結構，建筑周邊為空曠區域，無其他建筑。基于其建筑施工圖采用品茗HiBIM軟件建立其建筑信息模型。如圖1所示。

圖1 某實訓館建筑信息模型

2 求解數學模型

本次模擬采用鴻業建筑性能分析軟件OpenFOAM模擬引擎的標準k-ε模型[4]進行數值模擬，該模型是兩方程湍流模型中廣泛應用于模擬低速湍流運動，計算精度高、可靠性較高。

3 模擬工況

3.1 氣象參數[5]

地理位置：福建省永安市建筑氣象分區為夏熱冬冷，光氣候分區為Ⅳ，經度：117.35，緯度：25.97，海拔 206m。

夏季工況：夏季大氣壓力98330Pa，通風室外干球溫度為33.3℃，通風室外相對濕度為54%，最多風向為SW為225°，最多風向平均風速2m/s。

冬季工況：冬季大氣壓力99897Pa，冬季通風計算溫度6.5℃，冬季室外平均風速1.1m/s，最多風向平均風速3.1m/s，最多風向NNW為337.5°。

3.2 參數設置

為保證數值模擬軟件計算的精度，并控制模擬的運算時間，將建筑模型布置在足夠大的計算區域中，設定計算區域：X軸方向165m，Y軸方向145m，計算域高度42m，計算的迭代次數為500次，模型的網格劃分：初始網格2m，初始網格數315456，最小細分級數2，最大細分級數3，遠場細分級數2，近場細分級數3，網格總數1158289個，網格數劃分不宜太粗糙，需較清晰地辨認出建筑相關構件；限于計算機計算能力有限，也無法劃分過大的網格數。冬季服裝熱阻為1.37clo，夏季服裝熱阻為0.57。

3.3 切面設置

本次模擬輸出結果為距離地面1.5m處的水平切面。

4 模擬結果

4.1 夏季工況模擬結果

見圖2～圖4

4.2 冬季工況模擬結果

見圖5～圖7

4.3 模擬結果分析

①分析冬夏季PMV（代表了對同一環境中絕大多數人的冷熱感覺，因此可用PMV指標預測熱環境下的熱反應。PMV與PPD存在一個關系曲線 [6]）云圖發現：該建筑室內的熱舒適性，冬季PMV（-3～-1.92）和夏季 PMV（2.97～2.68，集中在2.97附近）不滿意度較高，故需要安裝合適的空調系統改善其熱舒適性（冬季供暖、夏季供冷）。

②空氣齡是指空氣質點的空氣齡，是空氣質點自進入房間至達到室內某點所經歷的時間[7]，空氣齡反映了室內空氣的新鮮程度。從冬季和夏季的空氣齡云圖中發現，大部分的空間房間的空氣齡較小且分布較均勻，而衛生間和樓梯間等局部房間較大，需要通過機械通風方式改善。

圖2 風速矢量圖

圖3 空氣齡云圖

③可接受的室內空氣品質[8]：房間中的絕大多數人（≥80%）沒有因為氣味或刺激而表示不滿意，IAQ的影響因素包括通風與氣流組織、新風量、室內要求的熱舒適性條件等，本次模擬可以清楚的顯示PMV、空氣齡、溫度各參數的分布，在此基礎上優化通風、氣流組織方式對改善室內空氣品質具有重要作用。

圖6 空氣齡云圖

圖7 PMV云圖

④BIM技術與CFD技術有機結合有利于研究建筑通風。

5 結語

本文通過CFD軟件對某建筑實訓館的室內自然通風進行數值模擬，CFD技術具有非常好的可視化的效果，直觀、全面、清楚地展示了室內自然通風的風速、PMV、空氣齡等參數的分布，對建筑自然通風的研究具有很好的參考價值，對改善室內熱舒適性、室內空氣品質（IAQ）具有很好的實際指導意義。