黃山市某辦公建筑室內外風環境模擬研究

彭人杰，胡浩威,2,3

（1.安徽建筑大學，安徽 合肥 230601；2.安徽省綠色建筑先進技術研究院，安徽 合肥 230601；3安徽建筑大學建筑室內熱濕環境重點實驗室，安徽 合肥 230601）

0 前言

隨著我國社會發展水平的不斷提高，建筑業也得到了大規模的發展。目前據統計，我國既有建筑的面積約800億m。大規模工程建設已進入向鄉村開發，建筑存量時代。而據有關資料顯示，我國建筑的壽命約有30年，而由于現實使用及環境等多方面因素，往往達不到建筑壽命就難以使用，其中尤屬辦公建筑損耗最為嚴重，因此對既有建筑的節能改造研究也是熱門方向。

既有辦公建筑設計作為一個既有建筑的重要類型之一，隨著我國使用的年限的不斷發展增加其建筑市場需求能耗也不斷增長，逐漸不能滿足建筑內辦公管理人員的對于辦公環境健康、舒適、環保等要求。所以在正常的建筑壽命內，對既有辦公建筑進行適當的綠色節能改造，發揮其最大效益是非常必要的。

室內風環境作為既有辦公建筑節能改造的重要一環，對于室內工作人員的健康舒適度有重要影響。所謂風便是由高氣壓的空氣向低氣壓的空氣流動而產生的結果，通風也是使用者對建筑的最基本要求之一。空氣的流動必須要有動力，建筑物中的通風系統關鍵問題在于室內外的壓力差，即風壓與熱壓。辦公建筑的通風有兩個目的，一是利用室外新風與辦公建筑內的空氣形成置換，保持良好的室內熱環境和潔凈度，二是利用通風來改善室內熱壓提高熱舒適度。

1 模擬軟件

在本文中，使用CFD（計算流體動力學）方法來模擬和評估建筑物的風環境。建立建筑的數學物理模型，通過數字風洞模擬實際的氣流和通風條件，解出流體流動方程。本次模擬采用綠建斯維爾Vent 2018綠色建筑通風軟件，與《建筑通風效果測試與評價標準》（JGJ/T 309—2013）和《既有建筑綠色改造評價標準》（GB/T 51141—2015）既有辦公建筑模擬的評價要求相結合，以直觀顯示室內氣流組織分布。

2 風環境模型建立

2.1 項目概況

項目位于黃山市祁門縣政務新區5號地塊，南鄰梅城大道，西臨學府路，北與縣稅務局毗鄰，建設周期為2014年2月至2016年12月，總建筑面積4039m。根據項目改造要求，本文結合黃山市本地風速表一等及項目的開窗方式對通風開口進行折算建立模型結合室外風環境圖1，項目外窗可開啟部分的面積按實際情況設置，對本項目室外風環境及典型平面的室內自然通風進行模擬，選擇建筑2層作為自然通風效果的模擬樣本如圖2。

圖1 室外風模型

圖2 2層通風室內模型

黃山市風向數據 表1

2.2 數學模型

Vent2018軟件利用的是基于物理守恒原理的有限體積法，采用二階迎風方式對經過壓強校正的差分方程進行離散，代入連續性方程建立起的離散公式，求解出壓強量。

軟件采用不同標準模型對室外風環境及室內風速數據進行一個模擬。

空氣湍流可以使用能量方程、動量方程、連續性方程或組件方程來描述。這些方程式都有共同的形式，形如式（1）：

Γgradφ——擴散項；

S——源項；

φ——通用變量；

Γ——擴散系數。

詳細方程可見表2。

三維場模型控制方程組 表2

2.3 物理模型

室內自然通風的必要條件為空氣在足夠的風壓差推動下的流動，而足夠的風壓差基于室外良好的通風環境，而且必須有合理的利于通風的室內空間布局和構造設計。

例如，如圖3所示，代表不同建筑的不同的立體剖面，其中a為平屋頂建筑，b為角的屋頂設計建筑，c為角的屋頂設計建筑，d為建筑俯視圖。當風吹向建筑物時，碰到建筑物的迎風面會受到阻礙產生壓力。我們規定為正壓用+表示；而當氣流繞過正面阻擋，在建筑背面和側面也會產生壓力，我們規定為負壓用—表示。

圖3 建筑物在風力作用下的壓力分布

建筑的迎風面和背風面之間的空氣流通形成的壓力要正好符合滿足辦公建筑室內空氣流動的需要，建筑的地理空間位置、建筑的結構特征、建筑與風形成的夾角都能影響形成的壓力繼而影響空氣流動，故合理的室內外構造布局才是實現良好的室內通風保障。

當氣流穿過時，遇到不同的阻礙物產生摩擦力，從而使風的能量減少，進而降低風速。所以風速本身也是發生變化，當受到地面的影響，會呈梯度風，根據高度的變化速度也會發生改變其規律滿足式（2）：

式中：

V—h米處的風速，單位m/s；

V—h米處的風速，單位m/s；此處取10m處；

n—指數；

通常情況下，空曠地區或臨海地區n取0.14；市區取0.2～0.5，故本次取值為0.2。下面是遇到阻礙物時梯度風示意圖（圖4）。

圖4 梯度風示意圖

考慮到實際情況，以大數據的季節性風速平均值為準，故以表1內的參數作為入流邊界條件，計算域的邊界按照此設定。

3 數值模擬及結果分析

綠建斯維爾Vent2018利用時間最長的過渡季節室外風，采用門窗的風壓圍室內風的邊界條件，模擬得到以下結果，室內二層的風速云圖（圖5）、風速矢量圖（圖6）及空氣齡云圖（圖7）。

圖5 二層風速云圖

圖6 二層風速矢量圖

圖7 二層空氣齡云圖

通過模擬結果可以發現二層房間面積較大的房間風速0.3m/s～0.4m/s所占比例較多，房間面積偏小尤其是靠中間的房間風速普遍在0.1m/s～0.2m/s，過道的平均風速明顯高于房間內。可見即使是同一面墻大致相同的風壓對室內的空氣流動影響，由于室內面積以及布局影響，產生的差異還是不小的。僅僅通過風速來判斷風環境的好壞是不合適的，下面通過計算換氣次數來做分析。

自然通風換氣次數是指單位時間內通過房間空氣體積量與房間體積的比值，單位次/h。根據《既有建筑綠色改造評價標準》（GB/T 51141—2015） 其中4.2.9條對公共建筑的室內自然通風效果的評價規定：過渡季典型工況下公共建筑室內主要功能房間內不低于60%的面積；自然通風平均換氣次數不小于2次/h。通過模擬計算得到2層換氣次數大于2次/h的占總面積比例，如表3所示，各個不同房間的換氣次數情況如表4所示。關于建筑室內風環境的評價方法，目前較常用的就是通過數據的定量分析，根據評價標準給出定性的分數判斷好壞。本文也是如此通過改造后的風環境換氣次數進行客觀評價分析。

換氣次數統計 表4

各個房間的換氣次數 表5

經模擬分析，由彩圖和分析數據可以看出本項目主要功能房間的換氣次數大于2次/小時的面積比例大于75%，項目整體的通風效果較好，在設計保障開啟率的情況下，通過開窗換氣，可以使建筑物在室內獲得良好的空氣質量。

而室外風環境除了風速，對建筑最直接的影響就是風壓，下面進行對建筑物周圍風壓的模擬分析。

風壓的產生是因為建筑物阻擋后，建筑周圍靜壓升高降低動壓下降上升，側面和背面形成渦流。根據標準規定過渡季、夏季正常風速下辦公建筑周圍人活動的地方不出現無風區或渦旋滿足要求；冬季典型風速風向條件下辦公建筑周圍人活動的地方距地1.5m高的地方，要求風速小于5m/s且風速放大系數小于2滿足要求。故下面模擬結果都是為在人活動范圍區域1.5m高處所得效果云圖、矢量圖、風壓圖。見圖8～圖19。

圖8 冬季風速云圖

圖9 冬季風速矢量圖

圖10 冬季正向風壓圖

圖11 冬季反向風壓圖

圖12 夏季風速云圖

圖13 夏季風速矢量圖

圖14 夏季正向風壓圖

圖15 夏季反向風壓圖

圖16 過渡季風速云圖

圖17 過渡季風速矢量圖

圖18 過渡季正向風壓圖

圖19 過渡季反向風壓圖

綜上所述，從仿真結果的分析可以看出，大樓周邊步行區的最大風速為2.27m/s，滿足標準規定要求。室外風速放大系數最大處位于項目東南角，大約為1.47，滿足標準規定要求。場地內建筑迎風面風壓小于2.45Pa，背風面風壓大于－2.03Pa，兩者壓差小于5Pa，滿足標準規定要求。各項要求均滿足，則可說明該建筑冬季風環境符合使用需求。

從夏季場地風環境模擬結果來看，本項目室外平均風速大小適宜，整體風環境質量較為良好，結合評價標準，對于外窗的表面風壓差，從建筑物的局部地圖可以看出，外窗內外的風壓差可大于0.5Pa的50%以上。從風矢量圖可以看出，建筑物周圍沒有渦流區，提高了人在該處的舒適度。

從場地過渡季的風環境來看，整體通風效果良好，從矢量圖局部圖中未發現明顯的渦旋或無風區域，同時從建筑表面的迎風壓和背風壓來看，50%以上開啟面積風壓差大于0.5Pa，因此整體上良好。

4 結論

本文通過綠建斯維爾對既有改造后的辦公建筑風環境進行模擬分析，得出的主要結論有：

①項目整體的通風效果較好，在設計保障開啟率的情況下，通過開窗換氣，可使建筑室內獲得良好的空氣品質而且不增加經濟成本；

②從場地冬季、夏季以及過渡季的風環境質量標準上來看，整體環境較為良好，滿足人員活動相關要求，根據室外風環境分析，在開窗情況下可有效地改善室內空氣質量，達到通風換氣效果，室外活動場地布置在風速較為均衡且適宜區域，可以優化人群在戶外活動的體驗。