某新建建筑過渡季室內(nèi)自然通風(fēng)CFD模擬對比分析

張艷宇++劉豐榕

摘 要：幼兒園作為兒童生活學(xué)習(xí)的主要場所，確定合理可行的自然通風(fēng)方案十分重要：良好的自然通風(fēng)不僅可有效降低室內(nèi)空氣污染物濃度，保證幼兒身體健康；而且可減少過渡季空調(diào)開啟時(shí)間，降低建筑能耗。

關(guān)鍵詞：幼兒園；過渡季；自然通風(fēng)；數(shù)值模擬

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.24.072

0 引言

自然通風(fēng)可以提高居住者的舒適感，并有利于健康，當(dāng)室外氣象條件良好時(shí)，加強(qiáng)自然通風(fēng)有助于縮短空調(diào)設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間，降低空調(diào)能耗?！锻袃核?、幼兒園建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》（JGJ 39-2016）[1]第6.2.11條規(guī)定：托兒所、幼兒園建筑應(yīng)優(yōu)先采用有組織的自然通風(fēng)設(shè)施；當(dāng)采用換氣次數(shù)確定室內(nèi)通風(fēng)量是，活動(dòng)室、寢室和多功能活動(dòng)室的換氣次數(shù)不應(yīng)小于3次/小時(shí)。

在建筑方案階段，很難通過實(shí)驗(yàn)手段對建筑室內(nèi)風(fēng)環(huán)境進(jìn)行預(yù)測評價(jià)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，CFD技術(shù)已得到很好的發(fā)展，目前CFD技術(shù)應(yīng)用于建筑環(huán)境分析已經(jīng)比較廣泛，成為建筑風(fēng)環(huán)境分析的有效手段[2]。本文以計(jì)算流體力學(xué)軟件PHOENICS為模擬仿真工具，對某幼兒園的2種建筑設(shè)計(jì)方案過渡季室內(nèi)風(fēng)環(huán)境進(jìn)行模擬比較分析。

1 工程概況及方案

1.1 氣候條件

幼兒園位于夏熱冬冷地區(qū)，屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候。根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀筚Y料，幼兒園所在地過渡季氣象資料如表1所示。

1.2 地形條件

本項(xiàng)目幼兒園周邊區(qū)域場地地勢平坦，因此在建模時(shí)做簡化處理，忽略地形高程，按同高程處理。

1.3 建筑方案

本項(xiàng)目幼兒園方案1采用圍合結(jié)構(gòu)，將幼兒活動(dòng)室、寢室布置在有南向窗的位置，走廊沿北側(cè)布置并形成環(huán)形通道，方案1的標(biāo)準(zhǔn)層平面圖如圖1所示。

本項(xiàng)目幼兒園方案2采用“工”字型結(jié)構(gòu)，將幼兒活動(dòng)室、寢室通過單側(cè)走廊的形式全部布置在南側(cè)，輔助用房分布在中間區(qū)域，通過南北交通空間鏈接南北功能區(qū)域，方案2的標(biāo)準(zhǔn)層平面圖如圖2所示。

2 數(shù)值計(jì)算方法

本文運(yùn)用PHOENICS軟件先對幼兒園過渡季場地風(fēng)環(huán)境進(jìn)行模擬，得到幼兒園2個(gè)方案的建筑物表面的壓力分布，再結(jié)合2個(gè)方案建筑標(biāo)準(zhǔn)層平面布局對2個(gè)方案室內(nèi)風(fēng)環(huán)境進(jìn)行模擬，得到建筑物室內(nèi)平均風(fēng)速及空氣齡，來判斷過渡季室內(nèi)自然通風(fēng)效果較優(yōu)的建筑設(shè)計(jì)方案。

2.1 數(shù)學(xué)模型的選取

數(shù)值模擬控制方程包括連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程，通用形式[3]如下式所示：

該式中的Φ可以是速度、湍流動(dòng)能、湍流耗散率以及溫度等。湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程。

2.2 計(jì)算方法及邊界條件

本文室外風(fēng)環(huán)境及室內(nèi)風(fēng)環(huán)境模擬均采用有限容積法的離散方法，二階迎風(fēng)的離散格式。來流邊界采用速度邊界（根據(jù)表1取值），出流邊界設(shè)置為自由邊界，計(jì)算域建筑表面、地面和上表面均按照無滑移壁面設(shè)定。

幼兒園室外風(fēng)環(huán)境模擬計(jì)區(qū)域尺寸取446m×416m×162m（長×寬×高），網(wǎng)格劃分如圖3所示。通過對125×98×34、189×143×44、375×260×80數(shù)量網(wǎng)格進(jìn)行獨(dú)立解檢驗(yàn)，選用189×143×44網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算分析。

幼兒園方案1室內(nèi)風(fēng)環(huán)境模擬計(jì)區(qū)域尺寸為76m×58m×3.6m，網(wǎng)格劃分如圖4所示。通過對152×116×8、228×174×12、304×232×16數(shù)量網(wǎng)格進(jìn)行獨(dú)立解檢驗(yàn)，選用304×232×16網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算分析。

幼兒園方案2室內(nèi)風(fēng)環(huán)境模擬計(jì)區(qū)域尺寸為80m×52m×3.6m，網(wǎng)格劃分如圖5所示。通過對160×104×8、240×156×12、320×208×16數(shù)量網(wǎng)格進(jìn)行獨(dú)立解檢驗(yàn)，選用320×208×16網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算分析。

3 模擬分析及評價(jià)

3.1 建筑表面風(fēng)壓力分布

通過對幼兒園2個(gè)方案室外風(fēng)環(huán)境模擬，得到方案1建筑物表面迎風(fēng)面與背風(fēng)面的風(fēng)壓分布如圖3所示，方案2建筑物表面迎風(fēng)面與背風(fēng)面的風(fēng)壓分布如圖4所示。經(jīng)對比可知，方案2迎風(fēng)面風(fēng)壓大于方案1迎風(fēng)面風(fēng)壓。

3.2 方案1建筑物室內(nèi)風(fēng)環(huán)境

幼兒園方案1室內(nèi)自然通風(fēng)模擬結(jié)果如圖5～圖6所示：室內(nèi)平均風(fēng)速為0.18m/s，室內(nèi)平均空氣齡為776.74s。

3.3 方案2建筑物室內(nèi)風(fēng)環(huán)境

幼兒園方案2室內(nèi)自然通風(fēng)模擬結(jié)果如圖7～圖8所示：室內(nèi)平均風(fēng)速為0.20m/s，室內(nèi)平均空氣齡為152.42s。

3.4 比較分析

通過對幼兒園2個(gè)方案室內(nèi)自然通風(fēng)模擬分析，得到方案1室內(nèi)自然通風(fēng)情況下，室內(nèi)平均風(fēng)速為0.18m/s，小于方案2室內(nèi)平均風(fēng)速0.20m/s；方案1室內(nèi)空氣齡為776.74s，大于方案2室內(nèi)空氣齡152.42s。

4 結(jié)論

本文采用PHOENICS對某新建幼兒園2個(gè)建筑方案過渡季室內(nèi)自然通風(fēng)狀況進(jìn)行了模擬計(jì)算，對比分析了2個(gè)方案在過渡季室內(nèi)平均風(fēng)速及空氣齡圖。結(jié)果表明方案1過渡季室內(nèi)平均風(fēng)速大于方案2的，方案1過渡季室內(nèi)空氣齡小于方案2的，即方案2過渡季自然通風(fēng)狀況優(yōu)于方案1，故從室內(nèi)自然通風(fēng)及室內(nèi)空氣質(zhì)量角度出發(fā)，建議采用方案2的設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.JGJ39-2016，托兒所、幼兒園建筑設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社.

作者簡介：張艷宇（1989-），女，江蘇宿遷人，碩士研究生，助教，研究方向：暖通空調(diào)、室內(nèi)空氣品質(zhì)。