酒店建筑自然通風(fēng)效果模擬研究

龔 平（上海建科工程項目管理有限公司，上海 200032）

室內(nèi)自然通風(fēng)是最經(jīng)濟(jì)、方便、快捷、高效的改變室內(nèi)空氣質(zhì)量的通風(fēng)模式，不僅可以提高建筑室內(nèi)的空氣質(zhì)量，提高室內(nèi)舒適性，而且可以節(jié)能減排，實現(xiàn)綠色建筑的目的。因此，重點研究建筑室內(nèi)空氣品質(zhì)，關(guān)注改善室內(nèi)環(huán)境舉措，實現(xiàn)建筑與自然和諧共處成為當(dāng)前建筑環(huán)境研究的熱點。本文以上海崇明東灘啟動我某酒店建筑為例，利用建筑分析軟件 VENT 2020 對建筑場地風(fēng)環(huán)境進(jìn)行 CFD 模擬，重點分析過渡季酒店建筑的自然通風(fēng)現(xiàn)狀，對酒店建筑室內(nèi)空氣品質(zhì)做出評價，為建筑室內(nèi)環(huán)境的研究提供理論參考。

1 工程概況

崇明東灘啟動我酒店建筑位于 20035 街道 0003 街坊，東至春曉河西側(cè)綠帶，南至東霞路，西至明慈路，北至東灘大道。總用地面積約 77 830.7 m2，總建筑面積約116 967.62 m2，其中地上計容面積約 88 082.62 m2，地下建筑面積約 28 885 m2。項目為酒店建筑，包括酒店客房及相關(guān)配套設(shè)施。

2 分析原理

自然通風(fēng)是空氣在室內(nèi)外熱壓和風(fēng)壓作用驅(qū)動下連接室內(nèi)外的空氣流動。對建筑進(jìn)行自然通風(fēng)分析一般有兩種方法：網(wǎng)絡(luò)法和 CFD 模擬法。

2.1 網(wǎng)絡(luò)法

作為建筑設(shè)計初期的室內(nèi)環(huán)境模擬分析的重要分析方法，網(wǎng)絡(luò)法以宏觀的角度對自然通風(fēng)風(fēng)量進(jìn)行預(yù)測，以此進(jìn)行自然通風(fēng)分析。網(wǎng)絡(luò)法對建筑物進(jìn)行整體分析，將建筑內(nèi)的每個房間設(shè)定為一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，認(rèn)為每個房間具有恒定的溫度、壓力。氣流路徑連接各個網(wǎng)格節(jié)點，經(jīng)過門、窗等氣流阻力單元，其網(wǎng)絡(luò)法模型示意圖如圖 1 所示。在使用網(wǎng)格法計算室內(nèi)風(fēng)壓和熱壓共同作用下的自然通風(fēng)量時，常聯(lián)合質(zhì)量和能量守恒方程進(jìn)行分析，弊端在于沒有考慮室內(nèi)空氣的流動形態(tài)的影響，無法準(zhǔn)確地計算出每個房間內(nèi)的詳細(xì)空氣流動狀態(tài)。另一方面，網(wǎng)絡(luò)法在建筑的設(shè)計初期能有效且實用的宏觀預(yù)測建筑物各個房間的自然通風(fēng)量，調(diào)整通風(fēng)策略。然而網(wǎng)絡(luò)法認(rèn)為各個通風(fēng)房間的參數(shù)為均一的集總參數(shù)，對中庭這類高大空間，由于其溫度分層影響較大，上下部壓力差異較為顯著，集總參數(shù)法的假設(shè)會導(dǎo)致計算結(jié)果誤差較大，不適用于高大中庭的通風(fēng)分析[1]。

圖1 網(wǎng)絡(luò)法模型示意圖

2.2 CFD 模擬法

相對于網(wǎng)絡(luò)法，CFD 模擬比較的細(xì)膩，房間或者某一我域從微觀角度出發(fā)，聯(lián)立質(zhì)量（見式 1）、動量（見式 2）和能量守恒（見式 3）的基本方程來分析室內(nèi)的空氣流動狀況，求解流場模型。由于 CFD 注重局部我域的流場分析，對風(fēng)場局部我域進(jìn)行優(yōu)化處理，尤其是模擬中庭等高大空間更加的直觀詳細(xì)，設(shè)計者可以根據(jù) CFD 模擬的結(jié)果調(diào)整房間或者局部我域的通風(fēng)策略，實現(xiàn)更好的通風(fēng)效果。

2.2.1 連續(xù)性方程

連續(xù)性方程又稱質(zhì)量守恒方程。任何流的問題均須滿足質(zhì)量守恒方程。該方程可以表述為：任何流體微元在單位時間內(nèi)的質(zhì)量增加量與在相同時間間隔內(nèi)流入該微元體的凈質(zhì)量相同。據(jù)此可推導(dǎo)出連續(xù)性方程，如式1所示。

式中：V—單位時間微元內(nèi)質(zhì)量，kg/(m2·s)

2.2.2 動量方程

動量方程是流動系統(tǒng)的基礎(chǔ)方程，在計算中必須滿足。動量方程可以理解為：外力作用到流體微元體上之和等于同一時刻該微元體中流過的流體的動量對時間的變化率。據(jù)此可得出動量方程表達(dá)式，如式 2 所示。

式中：V—速度，m/s；

t—時間，s；

ρ—密度，kg/m3；

p—壓力，N；

t—時間，s；

ˉτ—應(yīng)力張量，無量綱；

ˉg—重力加速度，m/s-2；

ˉF—外力，N。

2.2.3 能量方程

能量方程同樣是流動系統(tǒng)中必須滿足的基本方程，適用于流動系統(tǒng)中的熱交換過程。能量方程的定義為：微元體中能量的增加率等于進(jìn)入微元體的凈熱流量加上體力與面力對微元所做的功。能量方程等價于熱力學(xué)第一定律。方程表述如式 3 所示。

式中：V—速度，m/s；

P—壓力，N；

P—流體密度，kg/m-3；

μ—黏性系數(shù)，Pa·s；

F—體積力，N/m3；

E—內(nèi)能(溫度)，J；

k—導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K) ；

C—流體比熱，J/(kg·℃) ；

q—發(fā)熱量，J/m3。

目前比較精確的紊流模型是直接數(shù)值模擬（Direct Navier-Stokes Simulation， DNS）方法，在不需要建立湍流模型下就可以直接模擬計算。直接數(shù)值模擬方法對湍流進(jìn)行計算，要求準(zhǔn)確地所有尺度的湍流信息，計算成本和硬件需求成本比較高，因此極大的限制了其在工程上的應(yīng)用。工程中比較前沿使用的大渦模擬法（Large Eddy Simulation，LES）在可以精準(zhǔn)的進(jìn)行自然通風(fēng)模擬，該方法通過濾波函數(shù)把渦流劃分為大渦和小渦，對大渦采用直接模擬法，小渦而用空間平均的模型來封閉，但也存在對網(wǎng)格以及計算機內(nèi)存要求比較高的特點，一般工程案列也比較少采用這種方法。

RANS 方法是工程案列中最常用的紊流模型，并且經(jīng)過多年的修正與發(fā)展，其針對不同的工程案列的紊流采用不同的紊流模型來預(yù)測，且預(yù)測誤差在工程范圍內(nèi)屬于可接受范圍。在建筑領(lǐng)域的諸多湍流模型中，其中最常見的是“標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型”，它為解決工程問題提供了一定的精度保證，同時又可以在允許的時間周期和計算機資源內(nèi)獲得計算結(jié)果，從而在世界上獲得了廣泛應(yīng)用。工程界公認(rèn) CFD 可以作為工程設(shè)計的重要參考。

對于建筑的自然通風(fēng)仿真案列，確定建筑所在地域性氣候條件，參考此建筑模式選用合理的自然通風(fēng)策略形式，并采用網(wǎng)絡(luò)法或者 CFD 模擬分析室內(nèi)自然風(fēng)狀態(tài)，針對宏觀和微觀的分析結(jié)果來調(diào)整相應(yīng)的設(shè)計方案以及通風(fēng)策略，達(dá)到有效和可靠的目的。

根據(jù)室內(nèi)通風(fēng)路徑流通的空氣流量來計算房間換氣次數(shù)，利用多我域網(wǎng)絡(luò)法來計算空氣質(zhì)量流量，表達(dá)式為：

式中：Q—房間體積流量，m3/s；

ΔP—相鄰房間之間門窗的風(fēng)壓差；

Cd—流量系數(shù)，建筑洞口較大時取 0.5，洞口比較狹小時取 0.65，本文計算取 0.6；

A—洞口面積，m2；

ρ—空氣密度，kg/m3。房間換氣次數(shù)根據(jù)此方法計算的一個房間的體積流量Q，表達(dá)式為：

式中：Q—房間體積流量，m3/s;

Acr—房間換氣次數(shù)，次/h；

V—計算房間體積，m3。

3 物理模型及邊界條件

3.1 模擬軟件

本文采用綠建斯維爾軟件中的建筑分析軟件 VENT 2020對建筑場地風(fēng)環(huán)境進(jìn)行 CFD 模擬。綠建斯維爾是基于BIM技術(shù)的綠色建筑設(shè)計分析軟件，主要有節(jié)能軟件、日照軟件、采光軟件、通風(fēng)軟件等。建筑通風(fēng) VENT 在 AutoCAD平臺之上，集建模、網(wǎng)格劃分、流場分析和結(jié)果瀏覽等功能于一體，進(jìn)行風(fēng)環(huán)境和自然通風(fēng)的計算與優(yōu)化設(shè)計，可為建筑空間分布和規(guī)劃布局提供技術(shù)支持，而且能夠滿足上海市DJ/TJ 08—2090—2020《綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》中對于分析軟件的相關(guān)要求。

綠建斯維爾 VENT 2020采用CFD方法計算我域風(fēng)環(huán)境，采用多我域網(wǎng)絡(luò)法計算空間的通風(fēng)換氣次數(shù)。

3.2 物理模型

本文中通過模擬計算過渡季（春季、秋季）工況下室內(nèi)自然通風(fēng)的換氣次數(shù)，評價崇明東灘啟動我某酒店建筑的自然通風(fēng)效果。

根據(jù)設(shè)計院提供的建筑相關(guān)圖紙、資料，采用清華斯維爾通風(fēng) VENT2018 版軟件對建筑進(jìn)行建模。VENT 對自然通風(fēng)的模擬采用CFD 方法與網(wǎng)絡(luò)法結(jié)合的方式進(jìn)行—首先對建筑室外風(fēng)環(huán)境進(jìn)行模擬分析，從而獲取建筑外表面各開口（門、窗）上的壓力分布情況；隨后將外環(huán)境模擬分析的結(jié)果作為室內(nèi)自然通風(fēng)分析的輸入?yún)?shù)，采用網(wǎng)絡(luò)法分析各房間的通風(fēng)量。

3.3 邊界參數(shù)設(shè)置

上海屬亞熱帶季風(fēng)氣候，冬夏寒暑交替，四季分明。由于季風(fēng)氣候年際變化大，上海常年氣候既穩(wěn)定，又有變異，形成多種迥然不同的氣候年型。

根據(jù)上海市地方標(biāo)準(zhǔn) DB 31/T922—2015《建筑環(huán)境數(shù)值模擬技術(shù)規(guī)范》中“4.1.5 基礎(chǔ)邊界參數(shù)”選取室外風(fēng)速、風(fēng)向[2]，如表1 所示。

表1 上海市典型氣象年風(fēng)向、風(fēng)頻統(tǒng)計表

春季東北偏東向風(fēng)的頻率最大；秋季東北偏北向風(fēng)的頻率最大。因此，本報告采用：春季 ESE 3.8m/s，秋季NNE 3.9 m/s 作為模擬分析的邊界條件[3]。

在外界條件設(shè)置過程中，大氣邊界層平均風(fēng)速具備大氣邊界層自身的特征，即平均風(fēng)速梯度或風(fēng)剖面，且不同地形的風(fēng)速梯度不同，如圖 2、圖 3。

圖2 大氣邊界層圖

圖3 不同地形大氣邊界層曲線圖

此風(fēng)速梯度分布符合冪指數(shù)分布規(guī)律，指數(shù)?在梯度高度 δ 內(nèi)保持不變，而 δ 本身只是?的函數(shù)，即：

式中：V—高度為 Z 處的風(fēng)速，m/s；

V0—基準(zhǔn)高度 Z 0 處的風(fēng)速，m/s，一般取 10 m 處的風(fēng)速；

?—指數(shù)。

不同的地面條件，冪指數(shù)?不同[4]。根據(jù)我國現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)上海市地方標(biāo)準(zhǔn) DB 31/T922—2015 中不同類型地表面下的值與梯度風(fēng)高度（即大氣速度邊界層厚度）的關(guān)系如表 2 所示。

表2 上海市不同區(qū)域地面粗糙度指數(shù)α值

此酒店建筑位于外環(huán)線以外，因此取值為 0.15。

根據(jù)此酒店建筑春、秋季主導(dǎo)風(fēng)向下室外風(fēng)環(huán)境的模擬結(jié)果，提取門窗的風(fēng)壓值作為室內(nèi)自然通風(fēng)模擬的邊界條件。

4 模擬結(jié)果

本項目共有 H1#～H8#、1#～20# 與 W1#～W4#。由于項目為酒店建筑，選取地塊中間部分受遮擋較多的12～18#樓、W1～W4 樓進(jìn)行模擬分析，其余樓棟參考該樓棟群的模擬結(jié)果。

4.1 各樓層換氣次數(shù)與達(dá)標(biāo)率

12#～18# 樓 1層項目立面開窗設(shè)置合理，各個朝向立面均設(shè)置有可開啟窗扇，利用建筑迎風(fēng)面和背風(fēng)面的壓差，有效改善室內(nèi)通風(fēng)；同時樓層平面布局合理，設(shè)置有對開門，能夠形成良好的“穿堂風(fēng)效應(yīng)”，改善室內(nèi)的自然通風(fēng)。各主要功能房間換氣次數(shù)中最大可達(dá) 182.79 次，達(dá)標(biāo)率為 85.5%；12#～18#樓 2 F 各主要功能房間換氣次數(shù)中最大可達(dá) 161.46次，達(dá)標(biāo)率為 95%；12#～18#樓 3 F 各主要功能房間換氣次數(shù)中最大可達(dá) 173.08 次，達(dá)標(biāo)率為 94.8%；12#～18#樓 4 F 各主要功能房間換氣次數(shù)中最大可達(dá) 168.56次，達(dá)標(biāo)率為 94.4%；12#～18# 樓 5 F 各主要功能房間換氣次數(shù)中最大可達(dá) 171.74 次，達(dá)標(biāo)率為 94.8%；W1～W4 樓 1 F各主要功能房間換氣次數(shù)中最大可達(dá) 194.14 次，達(dá)標(biāo)率為82.1%；W1～W4 樓 2 F 各主要功能房間換氣次數(shù)中最大可達(dá) 248.79 次，達(dá)標(biāo)率為 94.7%；W1～W4 樓 3 F 各主要功能房間換氣次數(shù)中最大可達(dá) 168.85 次，達(dá)標(biāo)率為 88.9%；

4.2 過渡季風(fēng)壓分布

本文分析采用多我域網(wǎng)絡(luò)法，根據(jù)此酒店建筑春、秋季主導(dǎo)風(fēng)向下室外風(fēng)環(huán)境的模擬結(jié)果，提取建筑立面各門窗的風(fēng)壓值作為室內(nèi)自然通風(fēng)模擬的邊界條件，計算中考慮門窗風(fēng)壓等邊界條件，將房間劃分為多個計算單元，通過房間之間門窗等聯(lián)通路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳遞，以此計算求出各個房間的換氣次數(shù)。

4.2.1 春季工況春季工況下，東側(cè)為迎風(fēng)面，來流風(fēng)流經(jīng)本項目各建筑后，在東側(cè)和西側(cè)形成一定壓差，均＞1 Pa；根據(jù)《綠色建筑評價技術(shù)細(xì)則 2015》5.2.6 中條文擴展，計算風(fēng)壓時，室內(nèi)壓力默認(rèn)為 0 Pa，由此可以得出本建筑立面開窗能夠形成＞0.5 Pa 的內(nèi)外表面壓差，有利于建筑自然通風(fēng)。

4.2.2 秋季工況

秋季工況下，項目我域東南側(cè)為迎風(fēng)面，來流風(fēng)經(jīng)建筑后，在西北側(cè)和東南側(cè)形成一定壓差，均 ＞1 Pa；根據(jù)《綠色建筑評價技術(shù)細(xì)則2015》5.2.6 中條文擴展，計算風(fēng)壓時，室內(nèi)壓力默認(rèn)為 0 Pa，由此可以得出本建筑立面開窗能夠形成 ＞0.5 Pa 的內(nèi)外表面壓差，有利于建筑自然通風(fēng)。

部分房間通風(fēng)換氣次數(shù)較大，分析原因為此建筑室內(nèi)的換氣次數(shù)采用的是多我域網(wǎng)絡(luò)法計算得到的。多我域網(wǎng)絡(luò)法在求解計算中考慮門窗風(fēng)壓等邊界條件，將房間劃分為多個計算單元，通過房間之間門窗等聯(lián)通路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳遞，以此計算求出各個房間的換氣次數(shù)。在建筑立面提取的外窗或外門表面風(fēng)壓較大的情況下，或個別房間采用設(shè)置對開門或者對開窗，通風(fēng)換氣條件較好的狀況下，計算得到的室內(nèi)通風(fēng)換氣次數(shù)會較大。

5 結(jié) 語

本文采用斯維爾通風(fēng)軟件 VENT 2020版本，對崇明東灘啟動我某酒店建筑的過渡季室內(nèi)自然通風(fēng)情況進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。模擬分析結(jié)果表明，酒店建筑主要功能空間過渡季工況下 93.5% 的面積（取春季和秋季較低面積比例）滿足換氣次數(shù)大于 2 次/h 的要求。根據(jù)上海市DJ/TJ 08—2090—2020 評價條目第 5.2.10 條第 2 款“過渡季典型工況下主要功能空間平均自然通風(fēng)換氣次數(shù)不小于 2 次/h 的面積比例達(dá)到 60%，得 4 分；每再增加 15%，再得 2 分，最高得 8分”的要求，此酒店建筑可得 8 分。本文對酒店建筑室內(nèi)空氣品質(zhì)做出評價，為建筑室內(nèi)環(huán)境的研究提供理論參考。