基于COMSOL軟件下辦公建筑室內(nèi)通風(fēng)研究

楊 琳

廈門大學(xué)嘉庚學(xué)院（363105）

0 前言

辦公建筑室內(nèi)通常使用了大量建筑裝飾材料，同時(shí)人員和辦公設(shè)施較多，需要保證室內(nèi)通風(fēng)良好，以便使各種污染物得到及時(shí)清除。因此，加強(qiáng)建筑自然通風(fēng)設(shè)計(jì)，能夠優(yōu)化室內(nèi)空氣環(huán)境，降低建筑能耗，從而營造良好的室內(nèi)環(huán)境。但自然通風(fēng)需要憑借風(fēng)壓、熱壓作用，通風(fēng)效果與氣候條件、室內(nèi)布局、窗戶結(jié)構(gòu)等因素密切相關(guān)，需要借助仿真軟件對(duì)室內(nèi)空氣流動(dòng)效果展開分析，為建筑通風(fēng)設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。

1 COMSOL軟件概述

辦公建筑室內(nèi)通常使用了大量建筑裝飾材料，COMSOL軟件是面向研發(fā)中心、實(shí)驗(yàn)室、技術(shù)性企業(yè)等機(jī)構(gòu)人員開發(fā)的產(chǎn)品，集驗(yàn)證、仿真、優(yōu)化設(shè)計(jì)功能為一體，能夠通過模擬真實(shí)世界中各種物理場現(xiàn)象為產(chǎn)品設(shè)計(jì)和技術(shù)開發(fā)提供各類輔助工具[1]。COMSOL Multiphysics首個(gè)版本在1998年發(fā)布，之后不斷增加力學(xué)、電磁場、流體、傳熱等各領(lǐng)域模塊，能夠與CAD、MATLAB等常用軟件實(shí)現(xiàn)接口對(duì)接和工具無縫集成。

作為高級(jí)數(shù)值仿真軟件，COMSOL將有限元法當(dāng)成是基礎(chǔ)，能夠?qū)崿F(xiàn)單場或多場物理現(xiàn)象仿真分析，可以幫助用戶快速建立模型，輕松定義常數(shù)、函數(shù)等邊界條件，憑借數(shù)學(xué)方法求解問題。COMSOL在四面體網(wǎng)格劃分模型基礎(chǔ)上增設(shè)了六面體和棱柱體，可以在Linux Solar-is等系統(tǒng)平臺(tái)搭載，獲得強(qiáng)大運(yùn)算求解能力，并且可以實(shí)現(xiàn)雙向直接耦合分析，能夠保證分析得到的數(shù)據(jù)擁有較高精度[2]。而內(nèi)嵌CAD建模等工具能夠直接輸入CAD文件，在軟件中進(jìn)行二維和三維模型的建立，從而為產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供便利。

2 辦公建筑室內(nèi)通風(fēng)設(shè)計(jì)思路

2.1 建筑概況

某高層辦公建筑總面積3.8萬m2，共22層，3～18層屬于辦公區(qū)，上層為高層會(huì)議室及會(huì)客廳。建筑標(biāo)準(zhǔn)層平面尺寸為45 m×25 m，以核心筒為中心，筒體面積占總體22%～25%，環(huán)繞四周進(jìn)行辦公區(qū)域布局。內(nèi)部功能空間包含獨(dú)立辦公室、敞開辦公室、會(huì)議室和衛(wèi)生間等輔助用房。項(xiàng)目位于夏熱冬冷地區(qū)，屬于亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，年均氣溫15.7℃，平均相對(duì)濕度77%。為了減少建筑夏季空調(diào)能耗，需要加強(qiáng)自然通風(fēng)設(shè)計(jì)。

2.2 通風(fēng)設(shè)計(jì)

從自然通風(fēng)形成過程來看，風(fēng)在遭遇建筑阻礙后，將向上方和兩側(cè)移動(dòng)，使迎風(fēng)側(cè)氣壓稍高，在建筑表面形成風(fēng)壓力差，通過在任意兩點(diǎn)開口可以形成氣流驅(qū)動(dòng)力。風(fēng)壓力差的形成，與室內(nèi)布局和通風(fēng)構(gòu)件等多項(xiàng)因素有關(guān)。

在方案設(shè)計(jì)階段，需要結(jié)合場地條件進(jìn)行朝向選擇，同時(shí)避免迎風(fēng)面過大導(dǎo)致回流風(fēng)產(chǎn)生，使室內(nèi)進(jìn)風(fēng)量受到影響。針對(duì)不同功能區(qū)域，還要結(jié)合需求進(jìn)行室內(nèi)排布。根據(jù)室內(nèi)通風(fēng)原理，核心筒位于中心位置將造成背風(fēng)面較大，對(duì)通風(fēng)產(chǎn)生較大影響，因此需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)布局優(yōu)化，通過調(diào)整核心筒位置并做好流線組織設(shè)計(jì)，減少通風(fēng)遮擋。

建筑立面采用玻璃幕墻采光，容易造成夏季室內(nèi)溫度過高，無法利用風(fēng)壓帶走，需加強(qiáng)熱壓通風(fēng)設(shè)計(jì)。設(shè)置立面窗戶，夏季開啟后將加熱后的室內(nèi)空氣通過高側(cè)窗排出，將室內(nèi)余熱帶走，并引入新鮮空氣。考慮到建筑處于夏熱冬冷地區(qū)，為保證冬季室內(nèi)溫度，同時(shí)滿足建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，應(yīng)保證窗戶結(jié)構(gòu)尺寸合適，不僅可以加強(qiáng)自然通風(fēng)利用率，還能保證室內(nèi)舒適性。

在通風(fēng)構(gòu)件設(shè)計(jì)上，可以選擇平開窗、懸開窗、推拉窗等不同窗扇，其中平開窗通風(fēng)效果最佳，但風(fēng)速過大。作為高層建筑，為保證安全通常采用懸開窗，通過調(diào)節(jié)開啟角度改變室內(nèi)進(jìn)風(fēng)角度，閉合時(shí)可以產(chǎn)生較強(qiáng)密封性。但懸開窗分為上懸窗、中懸窗和下懸窗，因此要結(jié)合開窗結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理選擇。

通過上述分析可知，影響建筑室內(nèi)通風(fēng)因素較多，按照傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，單純憑借理論和經(jīng)驗(yàn)提出設(shè)計(jì)方案，難以取得最優(yōu)通風(fēng)效果，因此需要通過數(shù)值模擬進(jìn)行自然通風(fēng)分析。采用COMSOL軟件對(duì)標(biāo)準(zhǔn)層室內(nèi)流場和溫度場進(jìn)行模擬預(yù)測，分析相同條件下不同布局結(jié)構(gòu)、窗戶結(jié)構(gòu)和通風(fēng)構(gòu)件設(shè)計(jì)給室內(nèi)通風(fēng)帶來的影響，能夠?yàn)槭覂?nèi)通風(fēng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供可靠的數(shù)據(jù)。

3 辦公建筑室內(nèi)通風(fēng)模擬分析

3.1 模型設(shè)置

在對(duì)建筑室內(nèi)通風(fēng)進(jìn)行模擬分析時(shí)，窗口朝向?yàn)闁|南，將窗和門分別當(dāng)成進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口。結(jié)合建筑所在地區(qū)氣候條件可知，通常在夏季7-8月頻繁使用空調(diào)，采用COMSOL軟件的CFD模型進(jìn)行不同設(shè)計(jì)方案比對(duì)時(shí)，可以對(duì)7月建筑室內(nèi)通風(fēng)效果進(jìn)行預(yù)測。室內(nèi)空氣流動(dòng)為復(fù)雜過程，渉及溫度場和流場，需要采用k-ε(spf)方程作為模型，保持較小數(shù)值計(jì)算波動(dòng)的同時(shí)，獲得結(jié)果精度較高[3]。結(jié)合建筑條件，需要假設(shè)入口擁有均勻風(fēng)速和溫度，室內(nèi)相對(duì)濕度保持為81%，并且人員靜止不動(dòng)。在模型中引入湍流，并利用瞬態(tài)方程對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算，從室內(nèi)結(jié)構(gòu)布局、窗戶結(jié)構(gòu)、通風(fēng)構(gòu)件角度實(shí)現(xiàn)通風(fēng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.2 邊界條件

在邊界條件設(shè)置上，在對(duì)平面布局對(duì)通風(fēng)效果帶來的影響展開分析時(shí)，為排除窗口結(jié)構(gòu)等條件干擾，在四個(gè)朝向立面按照1.8 m的間隔開設(shè)2.4 m×2 m窗口。按照15°步長設(shè)置工況，需要在進(jìn)風(fēng)與建筑南向夾角分別為30°、45°、60°和75°時(shí)進(jìn)行室內(nèi)通風(fēng)模擬。將網(wǎng)格精度設(shè)定為0.1 m，進(jìn)行1 000次迭代。選擇2級(jí)內(nèi)的風(fēng)速進(jìn)行分析，可以利用距離地面10 m位置2.4 m/s梯度模型完成風(fēng)速邊界條件設(shè)置。采用k-ε標(biāo)準(zhǔn)模型引入湍流，并利用DO模型進(jìn)行輻射和結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)設(shè)定，能夠完成模擬分析。

分析窗戶結(jié)構(gòu)和通風(fēng)構(gòu)件給室內(nèi)通風(fēng)帶來的影響，需要將夏季主導(dǎo)風(fēng)設(shè)定為22.5°南偏西，室外初始風(fēng)速為2.9 m/s。網(wǎng)格精度同樣為0.1 m，完成1 000次迭代計(jì)算。將出風(fēng)口當(dāng)成自由流出邊界條件，可以根據(jù)不同高度對(duì)進(jìn)風(fēng)口平均風(fēng)速進(jìn)行設(shè)定，能夠得到:

式中:v——z對(duì)應(yīng)平均風(fēng)速，v0——基準(zhǔn)高的平均風(fēng)速，z——任意距離的地面高度，z0——距離地面10 m的標(biāo)準(zhǔn)高度，α——地面粗糙度，取值0.2。在對(duì)功能區(qū)通風(fēng)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，需要將人員坐姿頭部位置當(dāng)成是截面，舒適風(fēng)速在0.25~1.0 m/s。

3.3 模擬結(jié)果

3.3.1 室內(nèi)布局分析

結(jié)合模擬分析結(jié)果可知，按照原本方案在平面中心位置布置核心筒，將造成50%以上自然通風(fēng)受阻。將核心筒向西移動(dòng)，能夠減小風(fēng)影響區(qū)面積。在來風(fēng)方向下風(fēng)兩側(cè)位置布置核心筒，能夠取得最好通風(fēng)效果。西北方向?yàn)椴焕颍瑑?yōu)先考慮辦公區(qū)域太陽輻射問題，需要在西北角布置核心筒。在各功能區(qū)布局調(diào)整上，由于封閉辦公室同樣會(huì)產(chǎn)生阻擋室內(nèi)通風(fēng)的問題，結(jié)合模擬分析結(jié)果來看，為減小風(fēng)影響區(qū)面積，在迎風(fēng)面兩側(cè)進(jìn)行辦公室布局。在西向不利朝向，布置邊庭作為休閑區(qū)域。通過將辦公區(qū)和休閑區(qū)隔開設(shè)置，能夠避免人員辦公受到干擾，并實(shí)現(xiàn)空間延伸，通過垂直交通直接從一側(cè)進(jìn)入辦公區(qū)，從而加強(qiáng)自然通風(fēng)和采光，同時(shí)作為緩沖空間減少能耗。增設(shè)邊庭后，通高按照兩層一個(gè)單元設(shè)計(jì)。

對(duì)邊庭設(shè)置前后工況進(jìn)行分析，增加邊庭能夠使室內(nèi)擁有流暢的流線組織。通過發(fā)揮空間熱壓通風(fēng)效果，能夠使室內(nèi)風(fēng)環(huán)境的死流區(qū)面積縮小。實(shí)際高層辦公建筑難以單純通過風(fēng)壓帶走夏季室內(nèi)全部熱量，因此需要設(shè)計(jì)中庭空間，配置導(dǎo)風(fēng)構(gòu)件增加出風(fēng)口壓力差，加強(qiáng)室內(nèi)通風(fēng)換熱，形成內(nèi)、外氣流循環(huán)。

3.3.2 窗戶結(jié)構(gòu)分析

在窗戶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，需要分別對(duì)建筑立面開窗和邊庭開窗結(jié)構(gòu)通風(fēng)效果進(jìn)行模擬分析。按照原本設(shè)計(jì)方案，立面開窗為方形洞口，尺寸為0.9 m×1.8 m。在該條件下，分析不同窗臺(tái)高給通風(fēng)效果帶來的影響，可以發(fā)現(xiàn)窗臺(tái)高800 mm時(shí)辦公區(qū)域風(fēng)速在3～5 m/s，流線分布較少，并且分布紊亂，不利于人員辦公。在窗臺(tái)高達(dá)到1 000 mm時(shí)，室內(nèi)流線分布均勻，風(fēng)速在2～4 m/s，可以達(dá)到辦公標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)開窗尺寸進(jìn)行優(yōu)化，需要增加2.6 m×1.8 m工況，從模擬結(jié)果來看增加窗扇寬度能夠起到減少死流區(qū)的效果，在寬度達(dá)到2.6 m時(shí)死流區(qū)面積減少8.2%，室內(nèi)風(fēng)環(huán)境得到有效優(yōu)化。

在邊庭空間窗戶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，結(jié)合開窗位置和形式，提出兩種設(shè)計(jì)方案。方案一是設(shè)計(jì)長條大開窗，尺寸為11 m×0.2 m。在方案二中，需要設(shè)計(jì)四個(gè)小窗扇，尺寸均為1.1 m×0.5 m。從仿真模擬效果來看，設(shè)計(jì)大開窗能夠取得較好通風(fēng)效果。在保持進(jìn)風(fēng)口面積一致的情況下，對(duì)出風(fēng)口尺寸進(jìn)行調(diào)節(jié)，分別對(duì)11 m×0.4 m、11 m×0.3 m、11 m×0.2 m的工況展開分析，發(fā)現(xiàn)在11 m×0.3 m工況條件下室內(nèi)通風(fēng)量最大，能夠取得較好的通風(fēng)排熱效果。

3.3.3 通風(fēng)構(gòu)件分析

在通風(fēng)構(gòu)件選擇上，對(duì)上懸窗、中懸窗和下懸窗開窗通風(fēng)效果進(jìn)行比較，需要將開啟角度設(shè)定為30°，然后對(duì)室內(nèi)通風(fēng)效果進(jìn)行模擬分析。從分析結(jié)果來看，中懸窗在辦公室內(nèi)截面風(fēng)速平均能夠達(dá)到0.17 m/s，上、下懸窗分別達(dá)到0.19 m/s和0.16 m/s。分析原因可知，采用中、下懸窗對(duì)氣流產(chǎn)生了一定阻擋作用，造成進(jìn)風(fēng)面積有所縮小。相比較而言，上懸窗對(duì)外開啟，能夠?qū)ο虏繗饬鳟a(chǎn)生導(dǎo)向作用，風(fēng)速較大，有助于室內(nèi)通風(fēng)。在0.25～1.0 m/s風(fēng)速區(qū)間，上懸窗風(fēng)速占比達(dá)到19.7%，中懸窗為16.9%，下懸窗為9.3%。中懸窗通風(fēng)效果比下懸窗好，這與其能夠形成穿堂風(fēng)有關(guān)，可以增加走廊等位置的空氣流動(dòng)。從室內(nèi)死流區(qū)面積情況來看，采用上懸窗較中懸窗能夠減少4%，因此最終設(shè)計(jì)采用上懸窗增強(qiáng)室內(nèi)通風(fēng)。

結(jié)合室內(nèi)通風(fēng)模擬分析結(jié)果可知，由于舒適風(fēng)速面積依然無法達(dá)到維持室內(nèi)舒適的條件，除了采用自然通風(fēng)方法，還要增加機(jī)械通風(fēng)方式改善室內(nèi)空氣品質(zhì)。從主被動(dòng)結(jié)合角度進(jìn)行通風(fēng)構(gòu)件優(yōu)化，需要在中庭安裝窗式通風(fēng)器等主動(dòng)通風(fēng)設(shè)備，帶動(dòng)各層氣流完成熱交換，從而達(dá)到除濕排熱效果。

4 結(jié)語

結(jié)合辦公建筑的特點(diǎn)，從理論層面提出建筑平面布局和窗戶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案后，利用COMSOL軟件對(duì)室內(nèi)自然通風(fēng)效果進(jìn)行數(shù)值模擬分析:不同結(jié)構(gòu)布局和窗戶結(jié)構(gòu)將帶來不同通風(fēng)效果。同時(shí)從減少自然通風(fēng)受阻的角度進(jìn)行布局優(yōu)化，并采用上懸窗外開方式減少死流區(qū)面積，最終能夠取得理想通風(fēng)效果。