高層辦公建筑內風廊對自然通風貢獻的模擬分析與評價

摘 要：為研究內風廊在高層辦公建筑自然通風中的作用，本文利用CFD軟件對合肥地區某高層辦公建筑在有無內風廊工況下室內通風情況進行數值模擬分析。通過研究室內氣流速度和空氣齡來分析高層辦公建筑內各功能房間的通風換氣情況和整體的通風效果。研究結果表明，風廊能有效促進室內空氣流通，提高空氣質量和舒適度，同時也對降低室內溫度、減少空調使用等方面具有重要作用。因此，當設計高層辦公建筑時，合理布局和設計風廊是必要的。

關鍵詞：內風廊；自然通風；模擬分析；高層辦公

中圖分類號：TU 83" " " 文獻標志碼：A

隨著全球對環境問題的關注度不斷提高，建筑行業也在尋求環保的解決方案。傳統的機械通風系統雖然能夠滿足室內空氣質量的要求，但需要消耗大量的能源，增加了碳排放，并在某些情況下產生噪聲和不適感。因此，尋找一種可持續、更環保的通風解決方案成了亟需解決的問題。在此背景下，自然通風作為一種有潛力的技術開始受到廣泛關注和應用。自然通風通過優化建筑設計，引入自然氣流和風力，實現室內外空氣的交換和流通，從而提高室內空氣質量、降低能耗以及提高人們的舒適感。在設計高層辦公建筑的過程中，建筑內部設置風廊是一種常用的自然通風方式[1]。內風廊是通過布局合理的空間，在建筑內部形成自然通風的通道，引導風流進入辦公區域，為室內提供新鮮的空氣，改善室內環境質量，并減少對機械通風系統的依賴。本文對高層辦公建筑內風廊進行模擬分析，探究其在自然通風中的作用[2]。首先，介紹了自然通風在建筑設計中的應用及其優勢。其次，對風廊進行建模和數值模擬，分析其對自然通風的影響，最后，評價其效果并總結。

1 自然通風

自然通風是指利用自然氣流的流動和壓力差來進行通風。與機械通風相比，自然通風具有以下優勢：無需能源消耗，可節約能源。可提高室內空氣質量，減少空氣中的有害物質。可提高室內舒適度，避免人們長時間處于不適宜的環境中[3]。

在建筑設計中，通常通過設計開窗、通風口等方式實現自然通風。同時，建筑內部風廊也是一種常見的利用建筑內部布局改善室內自然通風的被動節能措施。在高層建筑中，受建筑高度和自然條件等因素的影響，建筑內部空間對機械通風依耐性過高，不僅能源消耗大，而且難以滿足舒適度和健康要求。因此，合理利用自然通風成為高層建筑設計的重要課題之一[4]。

2 研究對象

本文研究對象為合肥某高層辦公建筑，建筑高度為128.1m，共29層，總建筑面積為40552.19㎡。其中1、2層為商業，3層～29層為辦公，其標準層平面設計采用核心筒+環形走道+辦公室的常見圍合式平面布局，采用幕墻結構，幕墻各方向均有開啟扇，開啟方式形式為上懸，開啟角度為30°。標準層平面布局如圖1所示，此平面布局，由于外側一圈滿設辦公室的布局，外窗與內廊無法有效聯通，難以形成貫穿建筑室內的風廊。因此，結合研究對象所在城市，過渡季盛行風的風向為東風，對研究對象平面布局進行優化設計，設計兩條東西向內風廊，充分利用風壓原理，以期優化室內自然通風達到預期效果。優化后標準層平面布局如圖2所示。

3 數值模擬

計算流體力學（CFD）是一種基于數值方法的流體力學仿真技術，對流體流動的物理方程進行數值求解，模擬和分析流體運動和相互作用的行為。本文采用CFD方法對高層辦公建筑室內自然通風進行模擬分析[5]。模擬分析采用VENT軟件，VENT軟件是一種專業的CFD軟件，具有強大的模擬和分析能力。可以根據建筑的平面圖進行建模，并考慮內風廊對氣流的影響，模擬室內空氣流動的方向和分布情況。

3.1 物理模型和邊界條件

本文根據合肥某高層辦公建筑與周邊建筑的相對位置、朝向和空間布置等關系對整體進行建模，模擬室外風環境。將室外風環境模擬結果中可開啟外窗室內外表面的風壓差作為室內風環境模擬的入口邊界條件。由于室外風被大廈阻擋，因此對主迎風面來說，在風壓和熱壓的作用下，形成了對流運動，在大廈外部的風速方向傾向水平流動，繞至大廈旁邊后通過大廈，較有代表性，本文將大廈的這片范圍稱為平流風速區，室內自然通風模擬研究樓層選擇為15層，位于平流風速區。當建立室內自然通風模型時對樓梯間、電梯廳和公共衛生間等門窗常閉的公共部位進行填充和簡化處理，以此簡化模型與提高計算效率[6]。在室內風環境數值模擬計算的過程中，室外氣流通過窗戶進入室內，可以較為準確地模擬實際建筑自然通風時進出口狀況。

室內自然通風模擬采用室外風環境模擬結果中各外窗上的風壓作為入口邊界條件，出口邊界條件定為自由出流，其他邊界條件均定義為無滑移的壁面條件。采用標準的K～ε湍流模型進行模擬[7]。

3.2 模擬參數

合肥市位于夏熱冬冷地區，常年盛行風為東北到南向風，年平均風速為2.35m/s。考慮外窗開啟時間集中在過渡季節，合肥地區過渡季節室外風頻東風向較高，因此研究的室外風向為E風向，具體參數見表1。

4 結果分析

本文以合肥地區為例，模擬分析過渡季主導風向下有無內風廊時高層辦公室內的自然通風情況。距地面1.2m是考慮人在室內靜坐狀態下所對應的呼吸高度，本文選取室內1.2m處的氣流速度和空氣齡2個指標，分析在風壓作用下，高層辦公室內各功能房間的通風換氣情況和整體的通風效果[8]。

4.1 有無內風廊時高層辦公室內氣流速度分析

在過渡季E風向條件下，某高層辦公優化前、后室內1.2m高度處風速分布矢量圖如圖3所示。風速矢量圖可展示氣流組織的走向和流場中的風速分布情況。在E風向條件下，某高層辦公優化前，平面布局中外側一圈滿設辦公室，核心筒附近環形內廊難以與幕墻上的外窗聯通，無法串聯建筑各辦公室間的自然通風，平均風速約為0.30m/s；某高層辦公優化后，核心筒附近環形內廊與幕墻上的外窗可形成2條空氣通路，部分氣流可直接穿過，另一部分氣流遇到墻體改變方向進入辦公室，平均風速升至約0.65m/s。通過對比優化前后的室內平均風速，更快的風速可以促進空氣流動和混合，調節室內熱濕環境。

4.2 有無內風廊時高層辦公室內空氣齡分析

在過渡季E風向條件下，某高層辦公優化前、后室內1.2m高度處空氣齡分布云圖如圖4所示。空氣齡云圖可展示室內的空氣新鮮程度。在E風向條件下，某高層辦公優化前，迎風側房間內的新鮮空氣，無法通過核心筒附近環形內廊向其他房間傳遞，處于背風位置的房間空氣齡較大，新鮮空氣分布明顯不如迎風側房間均勻，室內整體的平均空氣齡約550s。某高層辦公優化后，迎風側房間內的新鮮空氣可通過內風廊接進入背風面房間，平均空氣齡降至約350s。通過對比優化前后的室內平均空氣齡得知，室內空氣的新鮮程度得到改善，新鮮空氣能夠更好地傳遞到整個室內空間，有助于提高室內空氣質量。

5 結語

本文對合肥地區過渡季主導風向下有無內風廊時高層辦公室室內自然通風情況進行數值模擬，探究了高層辦公建筑內風廊對自然通風的貢獻，分析了其室內自然通風情況，通過模擬分析，本文得出以下結論。1）建筑內風廊能有效促進室內空氣流通，提高空氣質量和舒適度。風廊使建筑內部的空氣能形成循環，可有效降低室內的二氧化碳和甲醛等有害物質的濃度，提高了室內空氣的質量。2）建筑內風廊對降低室內溫度、減少空調使用等方面具有重要作用。在過渡季，風廊的設計可以使室內溫度相對較低，減少了空調的使用頻率和能源消耗。3）建筑內風廊的設計對室內空氣流動的影響較大。合理的風廊設計可以使室內空氣流動更均勻，避免了某些區域的空氣滯留和不流通的問題。

綜上所述，本文采用數值模擬的方法，探究了高層辦公建筑內風廊對自然通風的作用，并提出一些在實際應用中需要注意的問題和建議。這些研究成果能為高層辦公建筑的設計和建設提供參考。

參考文獻

[1]梁云.自然通風技術在綠色建筑中的應用[J].上海節能，2021，392（8）：869-872.

[2]吳國棟，韓冬辰，張軍學.高層辦公建筑自然通風的風廊空間設計研究[J].建筑學報，2023，651（2）：117-122.

[3]呂萌萌，陳靜，尹澤開.夏熱冬暖地區某辦公建筑自然通風節能潛力分析及研究[J].建筑科技，2021，425（5）：39-43.

[4]許江英，陳宏國.內外建筑自然通風研究比較—基于文獻計量分析[J].南方建筑，2021，206（6）：114-123.

[5]徐俊，穆正勇，殷子文，等.基于CFD的某高層建筑室內自然通風的數值模擬[J].黑龍江科技大學學報，2022，32（4）：459-463.

[6]彭文蔚.高層辦公建筑玻璃幕墻外窗開啟方式對室內自然通風的影響研究[D].廣州：華南理工大學，2021.

[7]陶文銓.數值傳熱學[M].西安：西安交通大學出版社，2003.

[8]潘仁穎.合肥某辦公建筑自然通風設計優化策略探討[J].安徽建筑，2023，30（7）：23-24，48.