基于COMSOL軟件下辦公建筑室內通風研究

楊 琳

廈門大學嘉庚學院（363105）

0 前言

辦公建筑室內通常使用了大量建筑裝飾材料，同時人員和辦公設施較多，需要保證室內通風良好，以便使各種污染物得到及時清除。因此，加強建筑自然通風設計，能夠優(yōu)化室內空氣環(huán)境，降低建筑能耗，從而營造良好的室內環(huán)境。但自然通風需要憑借風壓、熱壓作用，通風效果與氣候條件、室內布局、窗戶結構等因素密切相關，需要借助仿真軟件對室內空氣流動效果展開分析，為建筑通風設計提供科學依據。

1 COMSOL軟件概述

辦公建筑室內通常使用了大量建筑裝飾材料，COMSOL軟件是面向研發(fā)中心、實驗室、技術性企業(yè)等機構人員開發(fā)的產品，集驗證、仿真、優(yōu)化設計功能為一體，能夠通過模擬真實世界中各種物理場現象為產品設計和技術開發(fā)提供各類輔助工具[1]。COMSOL Multiphysics首個版本在1998年發(fā)布，之后不斷增加力學、電磁場、流體、傳熱等各領域模塊，能夠與CAD、MATLAB等常用軟件實現接口對接和工具無縫集成。

作為高級數值仿真軟件，COMSOL將有限元法當成是基礎，能夠實現單場或多場物理現象仿真分析，可以幫助用戶快速建立模型，輕松定義常數、函數等邊界條件，憑借數學方法求解問題。COMSOL在四面體網格劃分模型基礎上增設了六面體和棱柱體，可以在Linux Solar-is等系統(tǒng)平臺搭載，獲得強大運算求解能力，并且可以實現雙向直接耦合分析，能夠保證分析得到的數據擁有較高精度[2]。而內嵌CAD建模等工具能夠直接輸入CAD文件，在軟件中進行二維和三維模型的建立，從而為產品設計提供便利。

2 辦公建筑室內通風設計思路

2.1 建筑概況

某高層辦公建筑總面積3.8萬m2，共22層，3～18層屬于辦公區(qū)，上層為高層會議室及會客廳。建筑標準層平面尺寸為45 m×25 m，以核心筒為中心，筒體面積占總體22%～25%，環(huán)繞四周進行辦公區(qū)域布局。內部功能空間包含獨立辦公室、敞開辦公室、會議室和衛(wèi)生間等輔助用房。項目位于夏熱冬冷地區(qū)，屬于亞熱帶季風性濕潤氣候，年均氣溫15.7℃，平均相對濕度77%。為了減少建筑夏季空調能耗，需要加強自然通風設計。

2.2 通風設計

從自然通風形成過程來看，風在遭遇建筑阻礙后，將向上方和兩側移動，使迎風側氣壓稍高，在建筑表面形成風壓力差，通過在任意兩點開口可以形成氣流驅動力。風壓力差的形成，與室內布局和通風構件等多項因素有關。

在方案設計階段，需要結合場地條件進行朝向選擇，同時避免迎風面過大導致回流風產生，使室內進風量受到影響。針對不同功能區(qū)域，還要結合需求進行室內排布。根據室內通風原理，核心筒位于中心位置將造成背風面較大，對通風產生較大影響，因此需要進行結構布局優(yōu)化，通過調整核心筒位置并做好流線組織設計，減少通風遮擋。

建筑立面采用玻璃幕墻采光，容易造成夏季室內溫度過高，無法利用風壓帶走，需加強熱壓通風設計。設置立面窗戶，夏季開啟后將加熱后的室內空氣通過高側窗排出，將室內余熱帶走，并引入新鮮空氣。考慮到建筑處于夏熱冬冷地區(qū)，為保證冬季室內溫度，同時滿足建筑結構設計要求，應保證窗戶結構尺寸合適，不僅可以加強自然通風利用率，還能保證室內舒適性。

在通風構件設計上，可以選擇平開窗、懸開窗、推拉窗等不同窗扇，其中平開窗通風效果最佳，但風速過大。作為高層建筑，為保證安全通常采用懸開窗，通過調節(jié)開啟角度改變室內進風角度，閉合時可以產生較強密封性。但懸開窗分為上懸窗、中懸窗和下懸窗，因此要結合開窗結構進行合理選擇。

通過上述分析可知，影響建筑室內通風因素較多，按照傳統(tǒng)設計方法，單純憑借理論和經驗提出設計方案，難以取得最優(yōu)通風效果，因此需要通過數值模擬進行自然通風分析。采用COMSOL軟件對標準層室內流場和溫度場進行模擬預測，分析相同條件下不同布局結構、窗戶結構和通風構件設計給室內通風帶來的影響，能夠為室內通風的優(yōu)化設計提供可靠的數據。

3 辦公建筑室內通風模擬分析

3.1 模型設置

在對建筑室內通風進行模擬分析時，窗口朝向為東南，將窗和門分別當成進風口和出風口。結合建筑所在地區(qū)氣候條件可知，通常在夏季7-8月頻繁使用空調，采用COMSOL軟件的CFD模型進行不同設計方案比對時，可以對7月建筑室內通風效果進行預測。室內空氣流動為復雜過程，渉及溫度場和流場，需要采用k-ε(spf)方程作為模型，保持較小數值計算波動的同時，獲得結果精度較高[3]。結合建筑條件，需要假設入口擁有均勻風速和溫度，室內相對濕度保持為81%，并且人員靜止不動。在模型中引入湍流，并利用瞬態(tài)方程對模型進行計算，從室內結構布局、窗戶結構、通風構件角度實現通風優(yōu)化設計。

3.2 邊界條件

在邊界條件設置上，在對平面布局對通風效果帶來的影響展開分析時，為排除窗口結構等條件干擾，在四個朝向立面按照1.8 m的間隔開設2.4 m×2 m窗口。按照15°步長設置工況，需要在進風與建筑南向夾角分別為30°、45°、60°和75°時進行室內通風模擬。將網格精度設定為0.1 m，進行1 000次迭代。選擇2級內的風速進行分析，可以利用距離地面10 m位置2.4 m/s梯度模型完成風速邊界條件設置。采用k-ε標準模型引入湍流，并利用DO模型進行輻射和結構熱工參數設定，能夠完成模擬分析。

分析窗戶結構和通風構件給室內通風帶來的影響，需要將夏季主導風設定為22.5°南偏西，室外初始風速為2.9 m/s。網格精度同樣為0.1 m，完成1 000次迭代計算。將出風口當成自由流出邊界條件，可以根據不同高度對進風口平均風速進行設定，能夠得到:

式中:v——z對應平均風速，v0——基準高的平均風速，z——任意距離的地面高度，z0——距離地面10 m的標準高度，α——地面粗糙度，取值0.2。在對功能區(qū)通風效果進行評價時，需要將人員坐姿頭部位置當成是截面，舒適風速在0.25~1.0 m/s。

3.3 模擬結果

3.3.1 室內布局分析

結合模擬分析結果可知，按照原本方案在平面中心位置布置核心筒，將造成50%以上自然通風受阻。將核心筒向西移動，能夠減小風影響區(qū)面積。在來風方向下風兩側位置布置核心筒，能夠取得最好通風效果。西北方向為不利朝向，優(yōu)先考慮辦公區(qū)域太陽輻射問題，需要在西北角布置核心筒。在各功能區(qū)布局調整上，由于封閉辦公室同樣會產生阻擋室內通風的問題，結合模擬分析結果來看，為減小風影響區(qū)面積，在迎風面兩側進行辦公室布局。在西向不利朝向，布置邊庭作為休閑區(qū)域。通過將辦公區(qū)和休閑區(qū)隔開設置，能夠避免人員辦公受到干擾，并實現空間延伸，通過垂直交通直接從一側進入辦公區(qū)，從而加強自然通風和采光，同時作為緩沖空間減少能耗。增設邊庭后，通高按照兩層一個單元設計。

對邊庭設置前后工況進行分析，增加邊庭能夠使室內擁有流暢的流線組織。通過發(fā)揮空間熱壓通風效果，能夠使室內風環(huán)境的死流區(qū)面積縮小。實際高層辦公建筑難以單純通過風壓帶走夏季室內全部熱量，因此需要設計中庭空間，配置導風構件增加出風口壓力差，加強室內通風換熱，形成內、外氣流循環(huán)。

3.3.2 窗戶結構分析

在窗戶結構設計上，需要分別對建筑立面開窗和邊庭開窗結構通風效果進行模擬分析。按照原本設計方案，立面開窗為方形洞口，尺寸為0.9 m×1.8 m。在該條件下，分析不同窗臺高給通風效果帶來的影響，可以發(fā)現窗臺高800 mm時辦公區(qū)域風速在3～5 m/s，流線分布較少，并且分布紊亂，不利于人員辦公。在窗臺高達到1 000 mm時，室內流線分布均勻，風速在2～4 m/s，可以達到辦公標準。對開窗尺寸進行優(yōu)化，需要增加2.6 m×1.8 m工況，從模擬結果來看增加窗扇寬度能夠起到減少死流區(qū)的效果，在寬度達到2.6 m時死流區(qū)面積減少8.2%，室內風環(huán)境得到有效優(yōu)化。

在邊庭空間窗戶結構設計上，結合開窗位置和形式，提出兩種設計方案。方案一是設計長條大開窗，尺寸為11 m×0.2 m。在方案二中，需要設計四個小窗扇，尺寸均為1.1 m×0.5 m。從仿真模擬效果來看，設計大開窗能夠取得較好通風效果。在保持進風口面積一致的情況下，對出風口尺寸進行調節(jié)，分別對11 m×0.4 m、11 m×0.3 m、11 m×0.2 m的工況展開分析，發(fā)現在11 m×0.3 m工況條件下室內通風量最大，能夠取得較好的通風排熱效果。

3.3.3 通風構件分析

在通風構件選擇上，對上懸窗、中懸窗和下懸窗開窗通風效果進行比較，需要將開啟角度設定為30°，然后對室內通風效果進行模擬分析。從分析結果來看，中懸窗在辦公室內截面風速平均能夠達到0.17 m/s，上、下懸窗分別達到0.19 m/s和0.16 m/s。分析原因可知，采用中、下懸窗對氣流產生了一定阻擋作用，造成進風面積有所縮小。相比較而言，上懸窗對外開啟，能夠對下部氣流產生導向作用，風速較大，有助于室內通風。在0.25～1.0 m/s風速區(qū)間，上懸窗風速占比達到19.7%，中懸窗為16.9%，下懸窗為9.3%。中懸窗通風效果比下懸窗好，這與其能夠形成穿堂風有關，可以增加走廊等位置的空氣流動。從室內死流區(qū)面積情況來看，采用上懸窗較中懸窗能夠減少4%，因此最終設計采用上懸窗增強室內通風。

結合室內通風模擬分析結果可知，由于舒適風速面積依然無法達到維持室內舒適的條件，除了采用自然通風方法，還要增加機械通風方式改善室內空氣品質。從主被動結合角度進行通風構件優(yōu)化，需要在中庭安裝窗式通風器等主動通風設備，帶動各層氣流完成熱交換，從而達到除濕排熱效果。

4 結語

結合辦公建筑的特點，從理論層面提出建筑平面布局和窗戶結構設計方案后，利用COMSOL軟件對室內自然通風效果進行數值模擬分析:不同結構布局和窗戶結構將帶來不同通風效果。同時從減少自然通風受阻的角度進行布局優(yōu)化，并采用上懸窗外開方式減少死流區(qū)面積，最終能夠取得理想通風效果。