黃山市某辦公建筑室內(nèi)外風(fēng)環(huán)境模擬研究

彭人杰，胡浩威,2,3

（1.安徽建筑大學(xué)，安徽 合肥 230601；2.安徽省綠色建筑先進(jìn)技術(shù)研究院，安徽 合肥 230601；3安徽建筑大學(xué)建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境重點實驗室，安徽 合肥 230601）

0 前言

隨著我國社會發(fā)展水平的不斷提高，建筑業(yè)也得到了大規(guī)模的發(fā)展。目前據(jù)統(tǒng)計，我國既有建筑的面積約800億m。大規(guī)模工程建設(shè)已進(jìn)入向鄉(xiāng)村開發(fā)，建筑存量時代。而據(jù)有關(guān)資料顯示，我國建筑的壽命約有30年，而由于現(xiàn)實使用及環(huán)境等多方面因素，往往達(dá)不到建筑壽命就難以使用，其中尤屬辦公建筑損耗最為嚴(yán)重，因此對既有建筑的節(jié)能改造研究也是熱門方向。

既有辦公建筑設(shè)計作為一個既有建筑的重要類型之一，隨著我國使用的年限的不斷發(fā)展增加其建筑市場需求能耗也不斷增長，逐漸不能滿足建筑內(nèi)辦公管理人員的對于辦公環(huán)境健康、舒適、環(huán)保等要求。所以在正常的建筑壽命內(nèi)，對既有辦公建筑進(jìn)行適當(dāng)?shù)木G色節(jié)能改造，發(fā)揮其最大效益是非常必要的。

室內(nèi)風(fēng)環(huán)境作為既有辦公建筑節(jié)能改造的重要一環(huán)，對于室內(nèi)工作人員的健康舒適度有重要影響。所謂風(fēng)便是由高氣壓的空氣向低氣壓的空氣流動而產(chǎn)生的結(jié)果，通風(fēng)也是使用者對建筑的最基本要求之一。空氣的流動必須要有動力，建筑物中的通風(fēng)系統(tǒng)關(guān)鍵問題在于室內(nèi)外的壓力差，即風(fēng)壓與熱壓。辦公建筑的通風(fēng)有兩個目的，一是利用室外新風(fēng)與辦公建筑內(nèi)的空氣形成置換，保持良好的室內(nèi)熱環(huán)境和潔凈度，二是利用通風(fēng)來改善室內(nèi)熱壓提高熱舒適度。

1 模擬軟件

在本文中，使用CFD（計算流體動力學(xué)）方法來模擬和評估建筑物的風(fēng)環(huán)境。建立建筑的數(shù)學(xué)物理模型，通過數(shù)字風(fēng)洞模擬實際的氣流和通風(fēng)條件，解出流體流動方程。本次模擬采用綠建斯維爾Vent 2018綠色建筑通風(fēng)軟件，與《建筑通風(fēng)效果測試與評價標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ/T 309—2013）和《既有建筑綠色改造評價標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 51141—2015）既有辦公建筑模擬的評價要求相結(jié)合，以直觀顯示室內(nèi)氣流組織分布。

2 風(fēng)環(huán)境模型建立

2.1 項目概況

項目位于黃山市祁門縣政務(wù)新區(qū)5號地塊，南鄰梅城大道，西臨學(xué)府路，北與縣稅務(wù)局毗鄰，建設(shè)周期為2014年2月至2016年12月，總建筑面積4039m。根據(jù)項目改造要求，本文結(jié)合黃山市本地風(fēng)速表一等及項目的開窗方式對通風(fēng)開口進(jìn)行折算建立模型結(jié)合室外風(fēng)環(huán)境圖1，項目外窗可開啟部分的面積按實際情況設(shè)置，對本項目室外風(fēng)環(huán)境及典型平面的室內(nèi)自然通風(fēng)進(jìn)行模擬，選擇建筑2層作為自然通風(fēng)效果的模擬樣本如圖2。

圖1 室外風(fēng)模型

圖2 2層通風(fēng)室內(nèi)模型

黃山市風(fēng)向數(shù)據(jù) 表1

2.2 數(shù)學(xué)模型

Vent2018軟件利用的是基于物理守恒原理的有限體積法，采用二階迎風(fēng)方式對經(jīng)過壓強校正的差分方程進(jìn)行離散，代入連續(xù)性方程建立起的離散公式，求解出壓強量。

軟件采用不同標(biāo)準(zhǔn)模型對室外風(fēng)環(huán)境及室內(nèi)風(fēng)速數(shù)據(jù)進(jìn)行一個模擬。

空氣湍流可以使用能量方程、動量方程、連續(xù)性方程或組件方程來描述。這些方程式都有共同的形式，形如式（1）：

Γgradφ——擴散項；

S——源項；

φ——通用變量；

?！獢U散系數(shù)。

詳細(xì)方程可見表2。

三維場模型控制方程組 表2

2.3 物理模型

室內(nèi)自然通風(fēng)的必要條件為空氣在足夠的風(fēng)壓差推動下的流動，而足夠的風(fēng)壓差基于室外良好的通風(fēng)環(huán)境，而且必須有合理的利于通風(fēng)的室內(nèi)空間布局和構(gòu)造設(shè)計。

例如，如圖3所示，代表不同建筑的不同的立體剖面，其中a為平屋頂建筑，b為角的屋頂設(shè)計建筑，c為角的屋頂設(shè)計建筑，d為建筑俯視圖。當(dāng)風(fēng)吹向建筑物時，碰到建筑物的迎風(fēng)面會受到阻礙產(chǎn)生壓力。我們規(guī)定為正壓用+表示；而當(dāng)氣流繞過正面阻擋，在建筑背面和側(cè)面也會產(chǎn)生壓力，我們規(guī)定為負(fù)壓用—表示。

圖3 建筑物在風(fēng)力作用下的壓力分布

建筑的迎風(fēng)面和背風(fēng)面之間的空氣流通形成的壓力要正好符合滿足辦公建筑室內(nèi)空氣流動的需要，建筑的地理空間位置、建筑的結(jié)構(gòu)特征、建筑與風(fēng)形成的夾角都能影響形成的壓力繼而影響空氣流動，故合理的室內(nèi)外構(gòu)造布局才是實現(xiàn)良好的室內(nèi)通風(fēng)保障。

當(dāng)氣流穿過時，遇到不同的阻礙物產(chǎn)生摩擦力，從而使風(fēng)的能量減少，進(jìn)而降低風(fēng)速。所以風(fēng)速本身也是發(fā)生變化，當(dāng)受到地面的影響，會呈梯度風(fēng)，根據(jù)高度的變化速度也會發(fā)生改變其規(guī)律滿足式（2）：

式中：

V—h米處的風(fēng)速，單位m/s；

V—h米處的風(fēng)速，單位m/s；此處取10m處；

n—指數(shù)；

通常情況下，空曠地區(qū)或臨海地區(qū)n取0.14；市區(qū)取0.2～0.5，故本次取值為0.2。下面是遇到阻礙物時梯度風(fēng)示意圖（圖4）。

圖4 梯度風(fēng)示意圖

考慮到實際情況，以大數(shù)據(jù)的季節(jié)性風(fēng)速平均值為準(zhǔn)，故以表1內(nèi)的參數(shù)作為入流邊界條件，計算域的邊界按照此設(shè)定。

3 數(shù)值模擬及結(jié)果分析

綠建斯維爾Vent2018利用時間最長的過渡季節(jié)室外風(fēng)，采用門窗的風(fēng)壓圍室內(nèi)風(fēng)的邊界條件，模擬得到以下結(jié)果，室內(nèi)二層的風(fēng)速云圖（圖5）、風(fēng)速矢量圖（圖6）及空氣齡云圖（圖7）。

圖5 二層風(fēng)速云圖

圖6 二層風(fēng)速矢量圖

圖7 二層空氣齡云圖

通過模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)二層房間面積較大的房間風(fēng)速0.3m/s～0.4m/s所占比例較多，房間面積偏小尤其是靠中間的房間風(fēng)速普遍在0.1m/s～0.2m/s，過道的平均風(fēng)速明顯高于房間內(nèi)。可見即使是同一面墻大致相同的風(fēng)壓對室內(nèi)的空氣流動影響，由于室內(nèi)面積以及布局影響，產(chǎn)生的差異還是不小的。僅僅通過風(fēng)速來判斷風(fēng)環(huán)境的好壞是不合適的，下面通過計算換氣次數(shù)來做分析。

自然通風(fēng)換氣次數(shù)是指單位時間內(nèi)通過房間空氣體積量與房間體積的比值，單位次/h。根據(jù)《既有建筑綠色改造評價標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 51141—2015） 其中4.2.9條對公共建筑的室內(nèi)自然通風(fēng)效果的評價規(guī)定：過渡季典型工況下公共建筑室內(nèi)主要功能房間內(nèi)不低于60%的面積；自然通風(fēng)平均換氣次數(shù)不小于2次/h。通過模擬計算得到2層換氣次數(shù)大于2次/h的占總面積比例，如表3所示，各個不同房間的換氣次數(shù)情況如表4所示。關(guān)于建筑室內(nèi)風(fēng)環(huán)境的評價方法，目前較常用的就是通過數(shù)據(jù)的定量分析，根據(jù)評價標(biāo)準(zhǔn)給出定性的分?jǐn)?shù)判斷好壞。本文也是如此通過改造后的風(fēng)環(huán)境換氣次數(shù)進(jìn)行客觀評價分析。

換氣次數(shù)統(tǒng)計 表4

各個房間的換氣次數(shù) 表5

經(jīng)模擬分析，由彩圖和分析數(shù)據(jù)可以看出本項目主要功能房間的換氣次數(shù)大于2次/小時的面積比例大于75%，項目整體的通風(fēng)效果較好，在設(shè)計保障開啟率的情況下，通過開窗換氣，可以使建筑物在室內(nèi)獲得良好的空氣質(zhì)量。

而室外風(fēng)環(huán)境除了風(fēng)速，對建筑最直接的影響就是風(fēng)壓，下面進(jìn)行對建筑物周圍風(fēng)壓的模擬分析。

風(fēng)壓的產(chǎn)生是因為建筑物阻擋后，建筑周圍靜壓升高降低動壓下降上升，側(cè)面和背面形成渦流。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定過渡季、夏季正常風(fēng)速下辦公建筑周圍人活動的地方不出現(xiàn)無風(fēng)區(qū)或渦旋滿足要求；冬季典型風(fēng)速風(fēng)向條件下辦公建筑周圍人活動的地方距地1.5m高的地方，要求風(fēng)速小于5m/s且風(fēng)速放大系數(shù)小于2滿足要求。故下面模擬結(jié)果都是為在人活動范圍區(qū)域1.5m高處所得效果云圖、矢量圖、風(fēng)壓圖。見圖8～圖19。

圖8 冬季風(fēng)速云圖

圖9 冬季風(fēng)速矢量圖

圖10 冬季正向風(fēng)壓圖

圖11 冬季反向風(fēng)壓圖

圖12 夏季風(fēng)速云圖

圖13 夏季風(fēng)速矢量圖

圖14 夏季正向風(fēng)壓圖

圖15 夏季反向風(fēng)壓圖

圖16 過渡季風(fēng)速云圖

圖17 過渡季風(fēng)速矢量圖

圖18 過渡季正向風(fēng)壓圖

圖19 過渡季反向風(fēng)壓圖

綜上所述，從仿真結(jié)果的分析可以看出，大樓周邊步行區(qū)的最大風(fēng)速為2.27m/s，滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要求。室外風(fēng)速放大系數(shù)最大處位于項目東南角，大約為1.47，滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要求。場地內(nèi)建筑迎風(fēng)面風(fēng)壓小于2.45Pa，背風(fēng)面風(fēng)壓大于－2.03Pa，兩者壓差小于5Pa，滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要求。各項要求均滿足，則可說明該建筑冬季風(fēng)環(huán)境符合使用需求。

從夏季場地風(fēng)環(huán)境模擬結(jié)果來看，本項目室外平均風(fēng)速大小適宜，整體風(fēng)環(huán)境質(zhì)量較為良好，結(jié)合評價標(biāo)準(zhǔn)，對于外窗的表面風(fēng)壓差，從建筑物的局部地圖可以看出，外窗內(nèi)外的風(fēng)壓差可大于0.5Pa的50%以上。從風(fēng)矢量圖可以看出，建筑物周圍沒有渦流區(qū)，提高了人在該處的舒適度。

從場地過渡季的風(fēng)環(huán)境來看，整體通風(fēng)效果良好，從矢量圖局部圖中未發(fā)現(xiàn)明顯的渦旋或無風(fēng)區(qū)域，同時從建筑表面的迎風(fēng)壓和背風(fēng)壓來看，50%以上開啟面積風(fēng)壓差大于0.5Pa，因此整體上良好。

4 結(jié)論

本文通過綠建斯維爾對既有改造后的辦公建筑風(fēng)環(huán)境進(jìn)行模擬分析，得出的主要結(jié)論有：

①項目整體的通風(fēng)效果較好，在設(shè)計保障開啟率的情況下，通過開窗換氣，可使建筑室內(nèi)獲得良好的空氣品質(zhì)而且不增加經(jīng)濟(jì)成本；

②從場地冬季、夏季以及過渡季的風(fēng)環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)上來看，整體環(huán)境較為良好，滿足人員活動相關(guān)要求，根據(jù)室外風(fēng)環(huán)境分析，在開窗情況下可有效地改善室內(nèi)空氣質(zhì)量，達(dá)到通風(fēng)換氣效果，室外活動場地布置在風(fēng)速較為均衡且適宜區(qū)域，可以優(yōu)化人群在戶外活動的體驗。