CFD技術在溫和地區公共建筑復合通風設計中的應用分析

楊 曄 劉智明 馮儒杰

（云南省設計院集團有限公司 昆明 650228）

0 引言

溫和地區，特別是溫和A 區，具有得天獨厚的氣候條件，在進行通風、空調系統設計時，通常可利用良好的氣候條件，優先采用通風系統解決室內余熱余濕。復合通風系統作為一種通風效率較高、節能效果顯著的通風系統形式，在溫和地區（溫和A 區）應用較為廣泛。但目前較多設計僅僅是簡單地采用換氣次數法計算出機械通風風量，再根據機械通風量推算出自然通風量及自然通風窗面積，未對其實際運行效果做進一步深入分析，導致室內溫度、空氣質量無法達到設計要求，舒適度差，且不節能。針對上述問題，本項目通過CFD 技術建立模型，在不同設置條件下對室外風環境、室內氣流組織分布進行模擬分析，得出最佳的復合通風系統設計方案及運行策略。

1 項目所在地氣候條件及建筑造型特點

1.1 項目所在地氣候條件

本項目位于云南省玉溪市易門縣，氣候分區隸屬于溫和地區5A2 區，夏無酷暑（CDD26＜10），冬無嚴寒（700＜HDD18＜1200）。當地夏、冬季室外通風計算參數如表1 所示。

表1 室外通風計算參數Table 1 Calculation parameters of outdoor ventilation

由表1 可見，當地氣候條件良好。根據《云南省民用建筑節能設計標準》DBJ53/T-39-2020 規定，處于溫和地區的公共建筑，應優先采用自然通風排除室內的余熱和余濕；當自然通風不能滿足要求時，應設置機械通風系統或自然與機械的復合通風系統。結合本項目的投資情況，初步考慮采用通風的方式解決房間室內熱濕環境。

1.2 建筑立面特點

本項目建筑面積：3614.8m2；建筑高度：21.9m；一層層高：5.1m。建筑整體造型如圖1 所示。

圖1 建筑整體外立面造型Fig.1 Overall exterior facade of the building

建筑南面臨街，通過在外立面設置較多外窗，二～五層各房間均可利用大面積外窗進行自然通風；但建筑一層西、北、東三側均緊貼其他建筑，一層三個目標房間（商鋪）僅能通過“L”形過道兩個敞開端頭實現通風，采用自然通風顯然效果不佳，無法滿足室內熱濕環境及空氣質量要求。

圖2 建筑一層平面圖Fig.2 Floor plan of the building

圖3 建筑一層“L”形過道剖面Fig.3 "L"shaped corridor section on the first floor of the building

根據建筑的造型及周圍情況特點，同時秉承節能設計、節能運行的原則，本次設計決定采用以機械通風為主，自然通風為輔的復合通風系統，解決一層三個目標房間室內余熱及空氣質量問題。

2 室外通風環境分析

2.1 室外通風環境分析

常規設計僅參考了建筑所在區域的年主導風向及冬、夏季室外平均風速，并不考慮建筑的位置、朝向及周邊建筑物帶來的影響。為保證通風系統設計的有效性，本次設計運用CFD 模擬技術，首先對建筑室外通風環境進行模擬。

由于該復合通風系統在夏季運行頻率較高，故以夏季運行工況作為研究分析對象。模擬得出室外通風環境模擬及“L”形通風走道的氣流方向及通風量，結果如圖4、圖5 所示。

圖4 夏季室外通風環境氣流分布圖Fig.4 Air distribution diagram of outdoor ventilation environment in summer

圖5 夏季L 型走道氣流分布圖Fig.5 Air flow distribution of L-shaped corridor in summer

根據模擬結果得出，“L”形走道夏季氣流方向均為從南向流至東向，南向開口作為進風口，整個“L”形走道平均氣流流速在2m/s～4m/s 范圍內；通過“L”形走道的新風量約為145000m3/h～280000m3/h，氣流穩定且風量遠遠大于三個目標房間所需自然進風量。

2.2 復合通風方式及進、排風口的確定

根據“L”型走道氣流分布圖，本次設計擬采用機械排風為主、自然進風為輔的復合通風方式，三個目標房間共設置一套機械排風系統，每個房間與“L”形走道的隔墻處設置一定面積的可開啟外窗作為自然進風窗，將機械排風系統的出風口設置于“L”形走道的下風向側。系統設置初步方案如圖6 所示。

圖6 復合通風系統初步方案Fig.6 Preliminary scheme of compound ventilation system

3 房間通風量計算及室內氣流組織分布情況分析

3.1 房間邊界條件及通風量計算

（1）邊界條件設置

房間外墻、外窗均按穩態邊界考慮，其余內墻及樓板不考慮臨室溫差傳熱，其他熱邊界條件如表2 所示。

表2 熱邊界條件表Table 2 Thermal boundary conditions

（2）根據各房間通風負荷熱平衡公式計算得出三個目標房間的計算排風量，排風系統風機風量按計算排風量的1.1 倍取值，具體結果如表3 所示。

表3 通風系統計算表Table 3 Ventilation system calculation table

根據排風量及適當的風口風速（≤3m/s），選擇大小合適的排風口，單個排風口尺寸600mm×600mm，設置在房間內側上部，風口底部距地3.8m；自然進風窗面積按自然進風風速≤1m/s 計算得出，房間內氣流組織為側進上排。

3.2 房間氣流組織分析及自然進風口位置的確定

常規通風系統設計中，當確定風量及風口初步位置后，僅通過簡單理論計算或經驗判斷確定氣流組織，并未考慮室內空氣齡參數及系統運行時的效果，難以保證系統的合理、高效。

再次運用PHOENICS 軟件，并結合《民用建筑綠色設計規范》JGJ/T229-2010 第6.4.1 條的規定，分別在不同的自然進風窗設置條件下，對三個目標房間室內風環境進行模擬分析，通過觀察室內空氣齡變化情況，得出最佳方案。模擬結果如下：

設置條件一：自然進風窗設置在靠近房間頂部的位置，模擬結果如圖7 所示。

圖7 設置條件一情況下空氣齡變化分析圖Fig.7 Analysis diagram of air age change under condition 1

以目標房間一剖面進行分析，模擬結果如圖8所示。

圖8 設置條件一情況下目標房間1 剖面空氣齡變化分析圖Fig.8 Analysis diagram of air age change in section 1 of target room under condition 1

由模擬結果得出，當自然進風窗設置在房間上部時，房間新風僅在房間上部區域流動，房間人員活動區域內空氣齡均在588s 左右，最大達到了594s；人員活動區內空氣停留時間過長，新風無法及時送至人員活動區域，而室內余熱及污濁空氣又不能及時排除，通風效果不佳，系統效率低下，室內空氣質量難以保障。

設置條件二：自然進風口設為多個外窗，設置在房間中下部的位置（下沿距地1.7m），模擬結果如圖9 所示。

圖9 設置條件二情況下空氣齡變化分析圖Fig.9 Analysis diagram of air age change under condition 2

同樣以目標房間一剖面進行分析，模擬結果如圖10 所示。

圖10 設置條件二情況下目標房間1 剖面空氣齡變化分析圖Fig.10 Analysis diagram of air age change in section 1 of target room under condition 2

由模擬結果得出，當自然進風窗設置于房間中下部（下沿距地1.7 米）時，房間內空氣在熱壓及風壓的作用下自下而上流動，室內空氣齡分布約為88s～134s，室內空氣齡分布較設置條件一的模擬結果縮短近5 倍。在此設置條件下，氣流分布均勻，流向穩定，機械排風系統及時排除室內余熱；同時新風能快速送至人員活動區域，室內氣流組織良好，室內空氣質量及室內溫度得以保障，舒適度明顯提高。

3.3 三個目標房間復合通風系統最終方案確定

基于CFD 技術建立模型對三個目標房間的復合通風系統初步方案的分析論證，最終確定其復合通風系統設計方案按設置條件二實施，如圖11 所示。

圖11 復合通風系統最終方案Fig.11 Final scheme of compound ventilation system

本次復合通風系統設計方案，充分利用當地良好的氣候條件，應用CFD 技術在不同條件下對方案進行模擬；同時結合建筑平面設計、空間組織及門窗位置與開啟方式，在不影響建筑美觀的前提下，實現房間內舒適的空氣環境。

3.4 復合通風系統運行策略

為配合復合通風系統有效運行，同時結合《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》GB 50736-2012 中對復合通風系統的相應規定，本項目考慮設置CO2檢測傳感器、機械排風系統排風機設變頻裝置、自然進風窗戶設聯動系統等一系列監測、調節機制，根據不同使用季節、時段等因素設定相應的運行策略，及時調節機械排風量及自然進風窗開啟面積，在保證室內熱濕環境及空氣質量的同時，實現節能減排。

4 結語

運用CFD 模擬技術，對設計過程中的初步方案進行模擬、分析，在一定程度上保證了最終系統設計方案的有效性及可實施性。特別對于復合通風系統應用廣泛的溫和地區，避免了盲目增加系統，或是使用效果不理想造成的投資及使用功能、成本的浪費。以CFD 模擬技術輔助工程設計的方式可作為未來的發展方向，值得大力推廣。