采用CFD技術對某實驗樓室內自然通風進行模擬分析研究

馮薇，劉臣厚

（1.中國建筑設計研究院有限公司，北京 100044；2.北京格力中央空調工程有限公司，北京 100055）

1 前言

為了貫徹落實關于加強節(jié)能減排工作的戰(zhàn)略部署，建設資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會，推動綠色建筑與建筑節(jié)能相關工作，指導本地區(qū)綠色建筑與建筑節(jié)能的設計、施工，打造綠色建筑與建筑節(jié)能模式，國家出臺了《綠色建筑評價標準》，要求“新建國家機關辦公建筑、大型公共建筑（單體建筑面積2萬平方米以上）學校、醫(yī)院、建筑面積15萬平方米以上的住宅小區(qū)、土建和裝修一體化設計和施工的建筑應當按照綠色建筑標準進行規(guī)劃、設計及建設”。

自然通風作為一種有效的被動式節(jié)能策略，不僅能利用可再生能源最大限度地降低不可再生能源的消耗，而且能改善室內空氣品質，更大限度地為人們提供健康舒適的室內環(huán)境，符合綠色建筑的發(fā)展趨勢，已經被越來越多的人所接受。

2 項目概況

2.1 建筑概況

本項目為北京某實驗樓，項目地點位于北京懷柔區(qū)。建筑面積8500㎡，地上二層，建筑高度14.6m。主要建筑功能為實驗室及附屬用房（圖1）。

圖1 實驗樓效果圖

2.2 氣候狀況

工程所處地區(qū)按中國建筑氣候區(qū)劃為Ⅱ級區(qū)北緯39°57'，屬寒冷地區(qū)。最冷月平均氣溫-4.6℃；最熱月平均氣溫25.8℃。相對濕度最冷月平均45%；最熱月平均78%。平均年總降水量627.6mm，最大積雪深度24cm，最大凍土深度85cm。年雷暴日數35.7，主導風向夏季為南偏西，冬季主導風向為北偏西。

2.3 通風概述

自然通風是利用風壓和熱壓(煙囪效應)兩種驅動力進行的通風，是當今綠色建筑所普遍應用的一項重要技術措施。人們利用自然通風主要是利用其兩大功能：一是通風降溫（除濕），借以改變室內熱環(huán)境（熱舒適）狀態(tài)；二是通風換氣，借以改善室內空氣質量狀態(tài)（如增新風、排除各種有害氣體等）。

（1）風壓產生的自然通風。當風壓的作用遠大于熱壓作用，如當室外風速很大時，可只考慮風壓作用。建筑迎風面和背風面的風壓差促使空氣從處于迎風面的風口進入室內而從背風面的風口排出，從而形成風力驅動的自然通風。建筑物周圍的風壓分布與建筑的幾何形狀和室外風向有關。風向一定時，建筑物外圍結構上某一點的風壓值可用式（1）表示：

式中，fP為風壓值，aP，k為空氣動力系數，與建筑形狀和風向相對應，通常由風洞模型實驗確定；wρ為室外空氣密度，kg/m3；vw為未受擾動來流速度，m/s。

由于風速在近地層隨高度有較大的變化，平均風速隨高度變化的規(guī)律可用指數函數來描述，其表達式如式（2）所示。

式中，vw為高度H處的風速，m/s；H為任一點的高度，m；v10為標準高度(常取 10m)處的平均風速，m/s；α為地面粗糙系數，其值根據《建筑結構荷載規(guī)范》GB 50009—2012，地面粗糙度可分為A、B、C、D四類：A類指近海海面和海島、海岸、湖岸及沙漠地區(qū)，指數為0.12；B類指田野、鄉(xiāng)村、叢林、丘陵以及房屋比較稀疏的鄉(xiāng)鎮(zhèn)，指數為0.16；C 類指有密集建筑群的城市市區(qū)，指數為0.22；D類指有密集建筑群且房屋較高的城市市區(qū)，指數為0.30。

（2）熱壓產生的自然通風。當風壓作用比熱壓作用弱，例如，當室外風速很小而室內外溫差很大時，可只考慮熱壓作用。當室內外空氣存在密度差時，密度小的空氣向上運動，密度大的空氣向下運動而形成的自然通風，稱熱壓作用的自然通風。在建筑內，由人體、燈光、設備、太陽輻射等產生大量的熱，當室外空氣溫度低于室內溫度時，可以利用熱壓的抽吸作用或煙囪效應將室外空氣引入室內。熱壓是由室內外密度差引起的。熱空氣上升從建筑上部風口排出，室外新鮮的冷空氣從建筑底部被吸人，熱壓作用與進排風口高度差的關系可以用式（3）表示。

式中，heatPΔ 為熱壓作用，Pa；0ρ為室外空氣密度，kg/m3；H為進排風口高度差，m；β為空氣膨脹系數；Ti，T0分別為室內外溫度平均值，K。

（3）綜合作用下的自然通風。利用風壓和熱壓來進行自然通風往往是互為補充，密不可分的。目前，為了更準確地預測風壓和熱壓什么時候加強什么時候削弱，熱壓和風壓綜合作用下的自然通風機理還在探索中。通?？捎霉剑?）來計算綜合作用時的通風量。

式中，Q為綜合作用時的通風量，m3/s；Qw為風壓單獨作用下通風量，m3/s；Qh為熱壓單獨作用下通風量，m3/s。

根據項目室外風環(huán)境模擬結果可知，本實驗樓各季節(jié)的建筑前后壓差都較有利于室內利用自然通風，故本項目主要考慮風壓通風，通過設置外窗開啟扇實現被動式通風節(jié)能。

3 技術路線

本模擬研究主要對該實驗樓室內主要功能房間的室內空氣的流速進行模擬分析，驗證其室內自然通風效果是否滿足《綠色建筑評價標準》DB11/T825-2015第8.2.10條對自然通風設計提出了明確的相關要求，模擬分析時根據本項目室外風環(huán)境模擬計算結果設定邊界條件。

3.1 分析方法

建筑室內通風的預測方法目前主要有區(qū)域模型、模型實驗以及計算流體力學方法。

區(qū)域模型是將房間劃分為一些有限的宏觀區(qū)域，認為區(qū)域內的相關參數如溫度、濃度相等，通過建立各區(qū)域的質量和能量守恒方程得到房間的溫度分布以及流動情況，實際上模擬得到的還只是一種相對“精確”的集總結果，且在機械通風中的應用還存在較多問題。

模型實驗屬于實驗方法，需要較長的實驗周期和昂貴的實驗費用，搭建實驗模型耗資很大，且對于不同的條件，可能還需要多個實驗，耗資更多，周期也長達數月以上，難以在工程設計中廣泛采用。而且，為了滿足所有模型實驗要求的相似準則，其要求的實驗條件可能也難以實現。

CFD模擬是從微觀角度，針對某一區(qū)域或房間，利用質量、能量及動量守恒等基本方程對流場模型進行求解，分析其空氣流動狀況。采用CFD對自然通風模擬，主要用于自然通風風場布局優(yōu)化和室內流場分析，以及對象中庭這類高大空間的流場模擬，通過CFD提供的直觀詳細的信息，便于設計者對特定的房間或區(qū)域進行通風策略調整，使之更有效地實現自然通風。

本研究采用CFD技術對該實驗樓室內主要功能房間的自然通風效果進行模擬。研究中綜合考慮流場、風速以及空氣齡對項目室內自然通風狀況進行分析評價。

3.2 湍流模型

模擬中采用標準κ-ε模型求解實驗樓室內自然通風狀況，涉及的控制方程主要包括連續(xù)性方程、動量方程、能量方程，可以寫成如下通用形式（5）：

該式中的φ可以是速度、湍流動能、湍流耗散率以及溫度等。針對不同的方程，其具體表現形式如表1。

表1 計算流體力學的控制方程

表1中的常數如下：

盡管室內自然通風流速較低，但在復雜的邊界條件下，室內氣流呈現為湍流狀態(tài)。本報告采用k-ε湍流模型，該模型已經得到了大量工程應用的驗證，可靠性高。

自然對流中，浮升力起主導作用，所以動量方程中密度的變化采用Boussinesq假設處理，即輸入一個空氣的膨脹系數，近似認為密度的變化與溫度的變化成線性關系，滿足式（6）：

其中，為β膨脹系數。

3.3 幾何模型

幾何計算模型圖如圖2所示。

圖2 幾何計算模型圖

本研究根據建筑設計圖紙以及其他相關資料建立該實驗樓室內自然通風模擬模型，模型中通風開口尺寸按照可開啟部分有效面積設置。

本次研究主要分析實驗樓的典型層室內氣流組織，主要分析辦公、實驗室等主要功能空間，衛(wèi)生間、電梯等非主要功能空間不在本次分析范圍內。

3.4 邊界條件

根據室外風環(huán)境分析結果確定目標建筑表面門窗風壓，作為室內通風分析的邊界條件。

4 模擬分析

S1室內自然通風計算分析：

（1）流場。圖3～4距樓面1.2m（坐姿呼吸區(qū)）高度處的流場分布情況。圖中可見，建筑兩側風口位置的分布利于“穿堂風”的形成，部分位置氣流受內墻阻擋產生渦流，大部分區(qū)域氣流分布均勻?？傮w上說，各主要功能房間室內氣流都較強，通風效果較好。

圖3 距一層樓面1.2m高度流場分布

（2）風速。圖5～6為距樓面1.2m（坐姿呼吸區(qū)）高度處的風速分布情況。圖中可見，局部風速較大，其他部分區(qū)域的風速相對較小?？傮w上看，風速較大區(qū)域，可以通過調節(jié)外窗的開口大小減小風速，避免不適感的產生，以達到 非空調情況下室內舒適風速的要求。

圖4 距二層樓面1.2m高度流場分布

圖5 距6層樓面1.2m高度風速分布

圖6 距9層樓面1.2m高度風速分布

表2 通風量情況分析

圖8 距9層樓面1.2 m高度空氣齡分布

（3）空氣齡。圖7～8各層樓面1.2m（坐姿呼吸區(qū)）高度處的空氣齡分布情況。圖中可見，各層建筑平面區(qū)域空氣齡在500s以內。總體上看，各層區(qū)域均能保證室內的空氣質量，主要功能房間通風效果相對較優(yōu)。

圖7 距6層樓面1.2m高度空氣齡分布

（4）通風量。經統(tǒng)計，在門窗可開啟部分均開啟時，各樓層室內主要功能空間的整體通風量情況見表3，各層均滿足在自然通風條件下保證主要功能房間換氣次數不低于2 次/h的要求。

5 結語

本次研究通過對北京實驗樓室內主要功能空間在夏季主導風向平均風速條件下的自然通風狀況進行模擬分析，得出以下結論：

本實驗樓兩側風口位置的分布利于“穿堂風”的形成，部分位置氣流受內墻阻擋產生渦流，大部分區(qū)域氣流分布均勻。

在夏季主導風向平均風速邊界條件下，該實驗樓樓的人體活動區(qū)域部分位置風速在1.4m/s以上，可通過控制外窗開啟來調節(jié)室內風速以滿足非空調情況下室內舒適風速要求。

在夏季主導風向平均風速邊界條件下，實驗樓室內主要功能空間的換氣效率均在2次/h以上，面積達97%，滿足在自然通風條件下保證主要功能房間的平均自然通風換氣次數不小于2次/h的面積比例達到60%的要求。