酒店建筑自然通風效果模擬研究

龔 平（上海建科工程項目管理有限公司，上海 200032）

室內自然通風是最經濟、方便、快捷、高效的改變室內空氣質量的通風模式，不僅可以提高建筑室內的空氣質量，提高室內舒適性，而且可以節能減排，實現綠色建筑的目的。因此，重點研究建筑室內空氣品質，關注改善室內環境舉措，實現建筑與自然和諧共處成為當前建筑環境研究的熱點。本文以上海崇明東灘啟動我某酒店建筑為例，利用建筑分析軟件 VENT 2020 對建筑場地風環境進行 CFD 模擬，重點分析過渡季酒店建筑的自然通風現狀，對酒店建筑室內空氣品質做出評價，為建筑室內環境的研究提供理論參考。

1 工程概況

崇明東灘啟動我酒店建筑位于 20035 街道 0003 街坊，東至春曉河西側綠帶，南至東霞路，西至明慈路，北至東灘大道。總用地面積約 77 830.7 m2，總建筑面積約116 967.62 m2，其中地上計容面積約 88 082.62 m2，地下建筑面積約 28 885 m2。項目為酒店建筑，包括酒店客房及相關配套設施。

2 分析原理

自然通風是空氣在室內外熱壓和風壓作用驅動下連接室內外的空氣流動。對建筑進行自然通風分析一般有兩種方法：網絡法和 CFD 模擬法。

2.1 網絡法

作為建筑設計初期的室內環境模擬分析的重要分析方法，網絡法以宏觀的角度對自然通風風量進行預測，以此進行自然通風分析。網絡法對建筑物進行整體分析，將建筑內的每個房間設定為一個網絡節點，認為每個房間具有恒定的溫度、壓力。氣流路徑連接各個網格節點，經過門、窗等氣流阻力單元，其網絡法模型示意圖如圖 1 所示。在使用網格法計算室內風壓和熱壓共同作用下的自然通風量時，常聯合質量和能量守恒方程進行分析，弊端在于沒有考慮室內空氣的流動形態的影響，無法準確地計算出每個房間內的詳細空氣流動狀態。另一方面，網絡法在建筑的設計初期能有效且實用的宏觀預測建筑物各個房間的自然通風量，調整通風策略。然而網絡法認為各個通風房間的參數為均一的集總參數，對中庭這類高大空間，由于其溫度分層影響較大，上下部壓力差異較為顯著，集總參數法的假設會導致計算結果誤差較大，不適用于高大中庭的通風分析[1]。

圖1 網絡法模型示意圖

2.2 CFD 模擬法

相對于網絡法，CFD 模擬比較的細膩，房間或者某一我域從微觀角度出發，聯立質量（見式 1）、動量（見式 2）和能量守恒（見式 3）的基本方程來分析室內的空氣流動狀況，求解流場模型。由于 CFD 注重局部我域的流場分析，對風場局部我域進行優化處理，尤其是模擬中庭等高大空間更加的直觀詳細，設計者可以根據 CFD 模擬的結果調整房間或者局部我域的通風策略，實現更好的通風效果。

2.2.1 連續性方程

連續性方程又稱質量守恒方程。任何流的問題均須滿足質量守恒方程。該方程可以表述為：任何流體微元在單位時間內的質量增加量與在相同時間間隔內流入該微元體的凈質量相同。據此可推導出連續性方程，如式1所示。

式中：V—單位時間微元內質量，kg/(m2·s)

2.2.2 動量方程

動量方程是流動系統的基礎方程，在計算中必須滿足。動量方程可以理解為：外力作用到流體微元體上之和等于同一時刻該微元體中流過的流體的動量對時間的變化率。據此可得出動量方程表達式，如式 2 所示。

式中：V—速度，m/s；

t—時間，s；

ρ—密度，kg/m3；

p—壓力，N；

t—時間，s；

ˉτ—應力張量，無量綱；

ˉg—重力加速度，m/s-2；

ˉF—外力，N。

2.2.3 能量方程

能量方程同樣是流動系統中必須滿足的基本方程，適用于流動系統中的熱交換過程。能量方程的定義為：微元體中能量的增加率等于進入微元體的凈熱流量加上體力與面力對微元所做的功。能量方程等價于熱力學第一定律。方程表述如式 3 所示。

式中：V—速度，m/s；

P—壓力，N；

P—流體密度，kg/m-3；

μ—黏性系數，Pa·s；

F—體積力，N/m3；

E—內能(溫度)，J；

k—導熱系數，W/(m·K) ；

C—流體比熱，J/(kg·℃) ；

q—發熱量，J/m3。

目前比較精確的紊流模型是直接數值模擬（Direct Navier-Stokes Simulation， DNS）方法，在不需要建立湍流模型下就可以直接模擬計算。直接數值模擬方法對湍流進行計算，要求準確地所有尺度的湍流信息，計算成本和硬件需求成本比較高，因此極大的限制了其在工程上的應用。工程中比較前沿使用的大渦模擬法（Large Eddy Simulation，LES）在可以精準的進行自然通風模擬，該方法通過濾波函數把渦流劃分為大渦和小渦，對大渦采用直接模擬法，小渦而用空間平均的模型來封閉，但也存在對網格以及計算機內存要求比較高的特點，一般工程案列也比較少采用這種方法。

RANS 方法是工程案列中最常用的紊流模型，并且經過多年的修正與發展，其針對不同的工程案列的紊流采用不同的紊流模型來預測，且預測誤差在工程范圍內屬于可接受范圍。在建筑領域的諸多湍流模型中，其中最常見的是“標準k-ε模型”，它為解決工程問題提供了一定的精度保證，同時又可以在允許的時間周期和計算機資源內獲得計算結果，從而在世界上獲得了廣泛應用。工程界公認 CFD 可以作為工程設計的重要參考。

對于建筑的自然通風仿真案列，確定建筑所在地域性氣候條件，參考此建筑模式選用合理的自然通風策略形式，并采用網絡法或者 CFD 模擬分析室內自然風狀態，針對宏觀和微觀的分析結果來調整相應的設計方案以及通風策略，達到有效和可靠的目的。

根據室內通風路徑流通的空氣流量來計算房間換氣次數，利用多我域網絡法來計算空氣質量流量，表達式為：

式中：Q—房間體積流量，m3/s；

ΔP—相鄰房間之間門窗的風壓差；

Cd—流量系數，建筑洞口較大時取 0.5，洞口比較狹小時取 0.65，本文計算取 0.6；

A—洞口面積，m2；

ρ—空氣密度，kg/m3。房間換氣次數根據此方法計算的一個房間的體積流量Q，表達式為：

式中：Q—房間體積流量，m3/s;

Acr—房間換氣次數，次/h；

V—計算房間體積，m3。

3 物理模型及邊界條件

3.1 模擬軟件

本文采用綠建斯維爾軟件中的建筑分析軟件 VENT 2020對建筑場地風環境進行 CFD 模擬。綠建斯維爾是基于BIM技術的綠色建筑設計分析軟件，主要有節能軟件、日照軟件、采光軟件、通風軟件等。建筑通風 VENT 在 AutoCAD平臺之上，集建模、網格劃分、流場分析和結果瀏覽等功能于一體，進行風環境和自然通風的計算與優化設計，可為建筑空間分布和規劃布局提供技術支持，而且能夠滿足上海市DJ/TJ 08—2090—2020《綠色建筑評價標準》中對于分析軟件的相關要求。

綠建斯維爾 VENT 2020采用CFD方法計算我域風環境，采用多我域網絡法計算空間的通風換氣次數。

3.2 物理模型

本文中通過模擬計算過渡季（春季、秋季）工況下室內自然通風的換氣次數，評價崇明東灘啟動我某酒店建筑的自然通風效果。

根據設計院提供的建筑相關圖紙、資料，采用清華斯維爾通風 VENT2018 版軟件對建筑進行建模。VENT 對自然通風的模擬采用CFD 方法與網絡法結合的方式進行—首先對建筑室外風環境進行模擬分析，從而獲取建筑外表面各開口（門、窗）上的壓力分布情況；隨后將外環境模擬分析的結果作為室內自然通風分析的輸入參數，采用網絡法分析各房間的通風量。

3.3 邊界參數設置

上海屬亞熱帶季風氣候，冬夏寒暑交替，四季分明。由于季風氣候年際變化大，上海常年氣候既穩定，又有變異，形成多種迥然不同的氣候年型。

根據上海市地方標準 DB 31/T922—2015《建筑環境數值模擬技術規范》中“4.1.5 基礎邊界參數”選取室外風速、風向[2]，如表1 所示。

表1 上海市典型氣象年風向、風頻統計表

春季東北偏東向風的頻率最大；秋季東北偏北向風的頻率最大。因此，本報告采用：春季 ESE 3.8m/s，秋季NNE 3.9 m/s 作為模擬分析的邊界條件[3]。

在外界條件設置過程中，大氣邊界層平均風速具備大氣邊界層自身的特征，即平均風速梯度或風剖面，且不同地形的風速梯度不同，如圖 2、圖 3。

圖2 大氣邊界層圖

圖3 不同地形大氣邊界層曲線圖

此風速梯度分布符合冪指數分布規律，指數?在梯度高度 δ 內保持不變，而 δ 本身只是?的函數，即：

式中：V—高度為 Z 處的風速，m/s；

V0—基準高度 Z 0 處的風速，m/s，一般取 10 m 處的風速；

?—指數。

不同的地面條件，冪指數?不同[4]。根據我國現行標準上海市地方標準 DB 31/T922—2015 中不同類型地表面下的值與梯度風高度（即大氣速度邊界層厚度）的關系如表 2 所示。

表2 上海市不同區域地面粗糙度指數α值

此酒店建筑位于外環線以外，因此取值為 0.15。

根據此酒店建筑春、秋季主導風向下室外風環境的模擬結果，提取門窗的風壓值作為室內自然通風模擬的邊界條件。

4 模擬結果

本項目共有 H1#～H8#、1#～20# 與 W1#～W4#。由于項目為酒店建筑，選取地塊中間部分受遮擋較多的12～18#樓、W1～W4 樓進行模擬分析，其余樓棟參考該樓棟群的模擬結果。

4.1 各樓層換氣次數與達標率

12#～18# 樓 1層項目立面開窗設置合理，各個朝向立面均設置有可開啟窗扇，利用建筑迎風面和背風面的壓差，有效改善室內通風；同時樓層平面布局合理，設置有對開門，能夠形成良好的“穿堂風效應”，改善室內的自然通風。各主要功能房間換氣次數中最大可達 182.79 次，達標率為 85.5%；12#～18#樓 2 F 各主要功能房間換氣次數中最大可達 161.46次，達標率為 95%；12#～18#樓 3 F 各主要功能房間換氣次數中最大可達 173.08 次，達標率為 94.8%；12#～18#樓 4 F 各主要功能房間換氣次數中最大可達 168.56次，達標率為 94.4%；12#～18# 樓 5 F 各主要功能房間換氣次數中最大可達 171.74 次，達標率為 94.8%；W1～W4 樓 1 F各主要功能房間換氣次數中最大可達 194.14 次，達標率為82.1%；W1～W4 樓 2 F 各主要功能房間換氣次數中最大可達 248.79 次，達標率為 94.7%；W1～W4 樓 3 F 各主要功能房間換氣次數中最大可達 168.85 次，達標率為 88.9%；

4.2 過渡季風壓分布

本文分析采用多我域網絡法，根據此酒店建筑春、秋季主導風向下室外風環境的模擬結果，提取建筑立面各門窗的風壓值作為室內自然通風模擬的邊界條件，計算中考慮門窗風壓等邊界條件，將房間劃分為多個計算單元，通過房間之間門窗等聯通路徑進行數據的傳遞，以此計算求出各個房間的換氣次數。

4.2.1 春季工況春季工況下，東側為迎風面，來流風流經本項目各建筑后，在東側和西側形成一定壓差，均＞1 Pa；根據《綠色建筑評價技術細則 2015》5.2.6 中條文擴展，計算風壓時，室內壓力默認為 0 Pa，由此可以得出本建筑立面開窗能夠形成＞0.5 Pa 的內外表面壓差，有利于建筑自然通風。

4.2.2 秋季工況

秋季工況下，項目我域東南側為迎風面，來流風經建筑后，在西北側和東南側形成一定壓差，均 ＞1 Pa；根據《綠色建筑評價技術細則2015》5.2.6 中條文擴展，計算風壓時，室內壓力默認為 0 Pa，由此可以得出本建筑立面開窗能夠形成 ＞0.5 Pa 的內外表面壓差，有利于建筑自然通風。

部分房間通風換氣次數較大，分析原因為此建筑室內的換氣次數采用的是多我域網絡法計算得到的。多我域網絡法在求解計算中考慮門窗風壓等邊界條件，將房間劃分為多個計算單元，通過房間之間門窗等聯通路徑進行數據的傳遞，以此計算求出各個房間的換氣次數。在建筑立面提取的外窗或外門表面風壓較大的情況下，或個別房間采用設置對開門或者對開窗，通風換氣條件較好的狀況下，計算得到的室內通風換氣次數會較大。

5 結 語

本文采用斯維爾通風軟件 VENT 2020版本，對崇明東灘啟動我某酒店建筑的過渡季室內自然通風情況進行了數值模擬分析。模擬分析結果表明，酒店建筑主要功能空間過渡季工況下 93.5% 的面積（取春季和秋季較低面積比例）滿足換氣次數大于 2 次/h 的要求。根據上海市DJ/TJ 08—2090—2020 評價條目第 5.2.10 條第 2 款“過渡季典型工況下主要功能空間平均自然通風換氣次數不小于 2 次/h 的面積比例達到 60%，得 4 分；每再增加 15%，再得 2 分，最高得 8分”的要求，此酒店建筑可得 8 分。本文對酒店建筑室內空氣品質做出評價，為建筑室內環境的研究提供理論參考。