某城際鐵路工程控制中心通風(fēng)環(huán)境模擬分析

楊 波,盧春麗,鄭雙七,廟詩祥

(1.安徽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建工學(xué)院,安徽 合肥 230011;2.安徽省建筑科學(xué)研究設(shè)計院 綠色建筑研究院,安徽 合肥 230001)

0 引言

我國在工程建造領(lǐng)域已經(jīng)取得巨大成就,但建造過程仍存在高耗能和高污染的問題。隨著國家對節(jié)能減排、環(huán)境保護等問題日益重視,為達到四節(jié)一環(huán)保的要求,國家大力發(fā)展綠色建筑,并制定綠色建筑評價標(biāo)準與認證體系[1]。建筑物通風(fēng)是綠色建筑設(shè)計的重要內(nèi)容,室外通風(fēng)主要研究風(fēng)環(huán)境是否有利于行人室外行走、是否活動舒適、是否有風(fēng)漩渦及是否存在無風(fēng)區(qū)等因素。室內(nèi)通風(fēng)主要研究自然通風(fēng)對室內(nèi)溫度調(diào)節(jié)及能源消耗的影響。隨著計算機仿真技術(shù)發(fā)展日新月異,CFD(計算流體力學(xué))軟件經(jīng)常被用來模擬室內(nèi)外真實氣流環(huán)境,分析氣流對建筑物的影響[2-6]。以某工程控制中心為例,軟件模擬了該建筑在室內(nèi)外通風(fēng)狀態(tài)下的通風(fēng)效果。

1 工程概況

滁寧城際鐵路一期工程位于安徽省滁州市東部,線路長度為33.181 km,設(shè)站8座(預(yù)留2座)均為高架站,在徽州路與揚子路交匯處東南角設(shè)置工程控制中心1處,控制中心主樓地上21層,裙樓5層,地下車庫2層。建筑占地面積為4 138.8 m2,建筑高度96.2 m.用地面積15 017.3 m2.總建筑面積57 826.0 m2,地上建筑面積44 589.4m2,地下車庫及設(shè)備用房13 236.6 m2,綠地率為30%,容積率為3.5,綠色建筑設(shè)計級別為二星級。

2 通風(fēng)環(huán)境分析

2.1 室外通風(fēng)環(huán)境分析

高層建筑物的室外通風(fēng)主要是指外圍風(fēng)場對建筑物本身的影響,影響的區(qū)域主要包括出入口、露臺和通道等位置。風(fēng)速過大不僅影響人體舒適度,還會造成建筑外圍構(gòu)件的損壞,如外圍幕墻、外窗和雨棚等。夏季和過渡季節(jié)通風(fēng)好有利于降低空調(diào)能耗。冬季則應(yīng)采取防風(fēng)措施以減少外部氣流對建筑物的滲透,節(jié)約采暖能耗。室外通風(fēng)需要利用建筑物的朝向、形狀、位置等特點減少風(fēng)環(huán)境的不利影響,以提高行人室內(nèi)外活動的舒適度。室外風(fēng)場模擬時選擇離地高度1.5 m處的風(fēng)場室外風(fēng)環(huán)境,分別對夏季、過渡季節(jié)和冬季三種通風(fēng)工況進行研究分析。

2.2 室內(nèi)通風(fēng)環(huán)境分析

建筑物中室內(nèi)通風(fēng)環(huán)境的影響因素有很多,如空氣齡、窗開口大小、風(fēng)速風(fēng)向等。這些因素影響室內(nèi)通風(fēng)效果，從而影響人體舒適度。評價室內(nèi)通風(fēng)效果時,空氣齡是指房間內(nèi)的某點空氣在房間里滯留了多長時間,反映了空氣的新鮮程度,是評價空氣品質(zhì)和衡量房間內(nèi)部通風(fēng)換氣效果的重要指標(biāo)。風(fēng)速是衡量人體舒適度的評價指標(biāo)。模擬選擇離地高度1.2 m處風(fēng)場室內(nèi)風(fēng)環(huán)境,對室內(nèi)空氣齡和室內(nèi)風(fēng)速等影響因素研究分析[7]。

3 軟件模擬分析

3.1 室外通風(fēng)模擬

3.1.1軟件選用與邊界條件

室外風(fēng)環(huán)境模擬采用計算流體動力學(xué)(CFD)的分析方法,具體原理見文獻[8]。選擇的模擬軟件PHOENICS是英國CHAM公司提供的建筑及暖通空調(diào)專業(yè)設(shè)計的CFD專用模塊,該模塊能與專業(yè)圖像處理軟件Tecplot 相結(jié)合,能實現(xiàn)模擬結(jié)果數(shù)據(jù)可視化。判別風(fēng)環(huán)境邊界條件時,利用風(fēng)玫瑰圖,選擇頻率最多風(fēng)向的風(fēng)速情況確定為目標(biāo)建筑地理位置的風(fēng)向和風(fēng)速。再查閱《中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》附錄2,所選不同工況下風(fēng)環(huán)境如表1所示。

表1 不同工況下風(fēng)環(huán)境Table 1 Wind environment under different working conditions

3.1.2模型網(wǎng)格劃分

在PHOENICS 軟件中,以不影響建筑群邊界氣流流動為準,選擇的模型外場尺寸計算尺寸為 1 015.0 m×1 029.0 m×300.0 m(長×寬×高),高度最高處為96.2 m,沿Y軸正方向設(shè)置為北向,在整個模擬區(qū)域劃分結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,并對目標(biāo)建筑區(qū)域網(wǎng)格局部加密,如圖1所示。

圖1 模型網(wǎng)格劃分(橫向)Fig.1 Model meshing (horizontal)

3.1.3不同工況下模擬結(jié)果分析

1)夏季工況模擬結(jié)果。圖2、圖3分別為2.40 m/s 的SSE風(fēng)場下夏季風(fēng)速矢量圖和風(fēng)速云圖,目標(biāo)建筑周邊基本無遮擋,人行區(qū)域風(fēng)速流動均勻。雖然背風(fēng)處出現(xiàn)小范圍渦流,但整體通風(fēng)狀況良好。未出現(xiàn)無風(fēng)區(qū),不影響建筑的空氣品質(zhì)。建筑周邊人行區(qū)域渦流處風(fēng)速達到最大值2.81 m/s.圖4為夏季風(fēng)速放大系數(shù)圖,風(fēng)速放大系數(shù)最大值為1.78.滿足室外出行的舒適性要求。

圖2 夏季1.5 m高風(fēng)速矢量圖Fig.2 Vector diagram of 1.5 mhigh wind speed in summer

圖3 夏季1.5 m高風(fēng)速云圖 Fig.3 The 1.5 m high wind speed cloud map in summer

圖4 夏季1.5 m高風(fēng)速放大系數(shù)(WAMP)云圖Fig.4 Cloud map of 1.5 m high wind speed amplification factor (WAMP) in summer

2)過渡季節(jié)工況模擬結(jié)果。圖5、圖6分別為夏季建筑迎風(fēng)立面和背風(fēng)立面風(fēng)壓云圖,從圖中可以看出,夏季工況下,建筑迎風(fēng)面表面風(fēng)壓在 0～9.00 Pa 之間,背風(fēng)面建筑表面風(fēng)壓在-7.62～0 Pa 范圍內(nèi),建筑高度越高所受風(fēng)壓越大,建筑前后風(fēng)壓差超過1.50 Pa,有利于建筑內(nèi)部空氣流通。

圖5 夏季建筑迎風(fēng)立面風(fēng)壓云圖Fig.5 Wind pressure cloud diagram on the windward facade of the building in summer

圖6 夏季建筑背風(fēng)立面風(fēng)壓云圖Fig.6 Wind pressure cloud diagram on theleeward facade of the building in summer

圖7、圖8分別為2.20 m/s 的NE風(fēng)場下過渡季節(jié)風(fēng)速矢量圖和風(fēng)速云圖。建筑周邊人行區(qū)域流場分布較為均勻,整體通風(fēng)狀況良好,場地內(nèi)未出現(xiàn)漩渦。周邊風(fēng)速最大值為 2.81m/s,圖9為過渡季節(jié)室外風(fēng)速放大系數(shù)云圖,風(fēng)速放大系數(shù)最大值為1.88,不影響行人外出活動。

圖7 過渡季節(jié)1.5 m高風(fēng)速矢量圖Fig.7 Vector diagram of high wind speed ata height of 1.5 m in the transition season

圖8 過渡季節(jié)1.5 m高風(fēng)速云圖Fig.8 Diagram of wind speed cloud diagramat a height of 1.5 m in the transition season

圖9 過渡季節(jié)1.5 m高室外風(fēng)速放大系數(shù)云圖Fig.9 Cloud map of magnification coefficient of outdoor wind speed at a height of 1.5 m in the transition season

圖10、圖11分別為過渡季節(jié)迎風(fēng)立面風(fēng)壓圖和背風(fēng)立面風(fēng)壓圖,建筑迎風(fēng)面表面風(fēng)壓在0 Pa～8.00 Pa之間,背風(fēng)面建筑表面風(fēng)壓基本在-5.50 Pa～0 Pa 范圍內(nèi),建筑前后風(fēng)壓差超過1.50 Pa,有利于過渡季節(jié)的良好通風(fēng)。

圖10 過渡季節(jié)迎風(fēng)立面風(fēng)壓云圖Fig.10 Wind pressure cloud diagram onthe windward facade in the transition season

圖11 過渡季節(jié)背風(fēng)立面風(fēng)壓云圖Fig.11 Wind pressure cloud diagram on theleeward facade in the transition season

3)冬季工況模擬結(jié)果。圖12、圖13分別為冬季1.5 m高風(fēng)速矢量圖和風(fēng)速云圖,在冬季室外最多風(fēng)向平均風(fēng)速為 3.20 m/s 的 ENE 風(fēng)場下,最大風(fēng)速不超過 4.38 m/s.圖14為冬季室外風(fēng)速放大系數(shù)云圖,風(fēng)速放大系數(shù)最大值不超過1.88,滿足室外出行舒適度要求。

圖12 冬季1.5 m高風(fēng)速矢量圖Fig.12 Vector diagram of 1.5 m high wind speed in winter

圖13 冬季1.5 m高風(fēng)速云圖 Fig.13 Cloud map of 1.5 m high wind speed in winter

圖14 冬季1.5 m高室外風(fēng)速放大系數(shù)云圖Fig.14 Cloud map of outdoor wind speed magnification factor at a height of 1.5 m in winter

圖15、圖16分別表示冬季建筑迎風(fēng)立面風(fēng)壓云圖和背風(fēng)立面風(fēng)壓云圖。從圖中看出,在冬季室外主導(dǎo)風(fēng)向的工況下,建筑迎風(fēng)面表面風(fēng)壓在0～15.00 Pa 之間,背風(fēng)面表面風(fēng)壓在-16.68～0 Pa 之間,局部迎風(fēng)與背風(fēng)面壓差超過5.00 Pa,隨著高度增加壓差越大,不利于建筑防風(fēng)節(jié)能,建議在建筑周邊種植樹木或在室內(nèi)增加圍擋以防止熱量因風(fēng)吹而流失。

圖15 冬季建筑迎風(fēng)立面風(fēng)壓云圖Fig.15 Wind pressure cloud diagram on the windward facade of the building in winter

圖16 冬季建筑背風(fēng)立面風(fēng)壓云圖Fig.16 Wind pressure cloud diagramon the leeward facade of the building in winter

綜上,在冬季(風(fēng)向ENE、風(fēng)速3.20 m/s)、夏季(風(fēng)向SSE、風(fēng)速2.40 m/s)以及過渡季節(jié)(風(fēng)向 NE、風(fēng)速 2.20 m/s)主導(dǎo)風(fēng)向的風(fēng)場下,目標(biāo)建筑室外風(fēng)速以及風(fēng)速放大系數(shù)滿足《綠色建筑評價標(biāo)準》GB/T 50378-2019中“建筑物周圍人行區(qū)的風(fēng)速小于5.00 m/s,且室外風(fēng)速放大系數(shù)不應(yīng)大于 2”的規(guī)定。

在夏季和過渡季節(jié)主導(dǎo)風(fēng)向的風(fēng)場下,滿足評價標(biāo)準中“場地內(nèi)人活動區(qū)不出現(xiàn)漩渦或無風(fēng)區(qū),50%以上可開啟外窗室內(nèi)外表面的風(fēng)壓差大于 0.50 Pa”的規(guī)定。

在冬季主導(dǎo)風(fēng)向的風(fēng)場下,當(dāng)建筑迎風(fēng)面與背風(fēng)面表面局部壓差大于5.00 Pa時,可采取防風(fēng)措施降低采暖能耗。

3.2 室內(nèi)通風(fēng)環(huán)境模擬

3.2.1軟件選用與公式

室內(nèi)自然通風(fēng)是在壓差推動下形成的空氣流動,根據(jù)壓差形成機理,又分為風(fēng)壓作用通風(fēng)下和熱壓作用下通風(fēng)[9]。利用CFD軟件PHOENICS模擬室內(nèi)自然通風(fēng)環(huán)境,具體物理數(shù)學(xué)原理見文獻[10].模擬了1.00 m/s自然風(fēng)速下建筑各區(qū)域風(fēng)速、空氣齡等參數(shù),計算了室內(nèi)空氣換氣次數(shù)。計算公式如式1所示。

(1)

式中：n為換氣次數(shù),次/h;v為垂直于進風(fēng)口的風(fēng)速,m/s;A為進出口面積,m2;V為房間體積,m3.

3.2.2模擬工況與網(wǎng)格劃分

模擬目標(biāo)建筑室內(nèi)通風(fēng)時,把目標(biāo)建筑分為主體結(jié)構(gòu)和塔樓結(jié)構(gòu)兩個部分,選擇初始條件為1.00 m/s的自然風(fēng)速,與指北針夾角345度風(fēng)向,命名為工況1,如表2所示。劃分的模擬網(wǎng)格最小尺寸為50 mm×50 mm×50 mm.最大尺寸為150 mm×150 mm×150 mm.主體結(jié)構(gòu)所用網(wǎng)格數(shù)為261.07萬個,塔樓結(jié)構(gòu)所用網(wǎng)格數(shù)為41.63萬個。如表3所示。

表2 工況1Table 2 Working condition 1

表3 計算模型范圍及網(wǎng)格尺寸設(shè)置Table 3 Calculation model range and grid size setting

3.2.3模擬結(jié)果分析

1)室內(nèi)風(fēng)速分布情況。圖17、圖18、圖19分別表示目標(biāo)建筑主體結(jié)構(gòu)1.2 m高度處標(biāo)準層平面圖、風(fēng)速云圖和空氣齡云圖。從圖17可知主體結(jié)構(gòu)共有28個普通辦公室,經(jīng)模擬計算,從圖18可知有17個房間風(fēng)速不大于1.00 m/s,達標(biāo)率60.7%.從圖19可知有26個房間平均空氣齡小于1 800 s.達標(biāo)比率92.8%.經(jīng)式(1)計算有27個房間換氣次數(shù)不小于2次/h,對應(yīng)房間面積為1 648.55 m2,房間總面積為1 681.85,換氣次數(shù)達標(biāo)面積比例為98.02%.

圖17 主體結(jié)構(gòu)標(biāo)準層平面圖Fig.17 Plan view of the standard floor of the main structure

圖18 主體結(jié)構(gòu)1.2 m高平面風(fēng)速云圖 Fig.18 Wind speed cloud diagram ofthe main structure at a height of 1.2 m

圖19 主體結(jié)構(gòu)1.2 m高平面空氣齡云圖Fig.19 The air age cloud diagram ofthe main structure at a height of 1.2 m

圖20、圖21、圖22分別表示塔樓結(jié)構(gòu)1.2 m高度標(biāo)準層平面圖、風(fēng)速云圖和空氣齡云圖。從圖20可知塔樓共有6個普通辦公室,經(jīng)模擬計算,從圖21可知6個房間風(fēng)速均不大于1.00 m/s,達標(biāo)率100%.從圖22可知6個房間的平均空氣齡均小于1 800 s,達標(biāo)率100%.經(jīng)式(1)計算有6個房間換氣次數(shù)大于2次/h,對應(yīng)房間面積855.05 m2,房間總面積855.05 m2,達標(biāo)率100.00%.

圖20 塔樓結(jié)構(gòu)標(biāo)準層平面圖Fig.20 The standard floor plan of the tower structure

圖21 塔樓結(jié)構(gòu)1.2 m高平面風(fēng)速云圖 Fig.21 The wind speed cloud diagram of the tower structure at a height of 1.2 m

圖22 塔樓結(jié)構(gòu)1.2 m高平面空氣齡云圖Fig.22 The air age cloud diagram ofthe tower structure at a height of 1.2 m

綜上,目標(biāo)建筑室內(nèi)風(fēng)速不大于1.00 m/s的房間比例為67.6%,空氣齡不大于1 800 s的房間比例為94.1%.房間換氣次數(shù)大于2 次/h 的面積比例為98.69%,大于《綠色建筑評價標(biāo)準》GB/T 50378-2019規(guī)范限值60%,說明目標(biāo)建筑室內(nèi)通風(fēng)效果良好。

4 結(jié)論及建議

以城際鐵路工程控制中心為例,經(jīng)過利用CFD軟件對室外通風(fēng)環(huán)境和室內(nèi)自然通風(fēng)環(huán)境模擬與計算,通風(fēng)效果均滿足《綠色建筑評價標(biāo)準》GB/T 50378-2019要求,達到“綠色建筑設(shè)計級別為二星級”標(biāo)準。從節(jié)約能耗的角度,對于室外通風(fēng),應(yīng)在建筑周邊種植樹木或在室內(nèi)增加圍擋以防止熱量因風(fēng)吹而流失。對于室內(nèi)自然通風(fēng):1)采取朝向主導(dǎo)風(fēng)向的建筑布局布置,可以增加通風(fēng)量和提高換氣次數(shù);2)在建筑空間設(shè)計中,采取在主導(dǎo)風(fēng)向的迎風(fēng)面和背風(fēng)面設(shè)置通風(fēng)窗口,并增加窗口面積,或在屋面增開天窗等方式,形成穿堂風(fēng);3)對于地面以下場地通風(fēng)效果不佳時,可以采取添加機械設(shè)備的方法促進氣流順通,改善通風(fēng)效果。