高層辦公建筑內(nèi)風(fēng)廊對(duì)自然通風(fēng)貢獻(xiàn)的模擬分析與評(píng)價(jià)

摘 要：為研究?jī)?nèi)風(fēng)廊在高層辦公建筑自然通風(fēng)中的作用，本文利用CFD軟件對(duì)合肥地區(qū)某高層辦公建筑在有無(wú)內(nèi)風(fēng)廊工況下室內(nèi)通風(fēng)情況進(jìn)行數(shù)值模擬分析。通過(guò)研究室內(nèi)氣流速度和空氣齡來(lái)分析高層辦公建筑內(nèi)各功能房間的通風(fēng)換氣情況和整體的通風(fēng)效果。研究結(jié)果表明，風(fēng)廊能有效促進(jìn)室內(nèi)空氣流通，提高空氣質(zhì)量和舒適度，同時(shí)也對(duì)降低室內(nèi)溫度、減少空調(diào)使用等方面具有重要作用。因此，當(dāng)設(shè)計(jì)高層辦公建筑時(shí)，合理布局和設(shè)計(jì)風(fēng)廊是必要的。

關(guān)鍵詞：內(nèi)風(fēng)廊；自然通風(fēng)；模擬分析；高層辦公

中圖分類號(hào)：TU 83" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

隨著全球?qū)Νh(huán)境問(wèn)題的關(guān)注度不斷提高，建筑行業(yè)也在尋求環(huán)保的解決方案。傳統(tǒng)的機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)雖然能夠滿足室內(nèi)空氣質(zhì)量的要求，但需要消耗大量的能源，增加了碳排放，并在某些情況下產(chǎn)生噪聲和不適感。因此，尋找一種可持續(xù)、更環(huán)保的通風(fēng)解決方案成了亟需解決的問(wèn)題。在此背景下，自然通風(fēng)作為一種有潛力的技術(shù)開始受到廣泛關(guān)注和應(yīng)用。自然通風(fēng)通過(guò)優(yōu)化建筑設(shè)計(jì)，引入自然氣流和風(fēng)力，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外空氣的交換和流通，從而提高室內(nèi)空氣質(zhì)量、降低能耗以及提高人們的舒適感。在設(shè)計(jì)高層辦公建筑的過(guò)程中，建筑內(nèi)部設(shè)置風(fēng)廊是一種常用的自然通風(fēng)方式[1]。內(nèi)風(fēng)廊是通過(guò)布局合理的空間，在建筑內(nèi)部形成自然通風(fēng)的通道，引導(dǎo)風(fēng)流進(jìn)入辦公區(qū)域，為室內(nèi)提供新鮮的空氣，改善室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量，并減少對(duì)機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)的依賴。本文對(duì)高層辦公建筑內(nèi)風(fēng)廊進(jìn)行模擬分析，探究其在自然通風(fēng)中的作用[2]。首先，介紹了自然通風(fēng)在建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用及其優(yōu)勢(shì)。其次，對(duì)風(fēng)廊進(jìn)行建模和數(shù)值模擬，分析其對(duì)自然通風(fēng)的影響，最后，評(píng)價(jià)其效果并總結(jié)。

1 自然通風(fēng)

自然通風(fēng)是指利用自然氣流的流動(dòng)和壓力差來(lái)進(jìn)行通風(fēng)。與機(jī)械通風(fēng)相比，自然通風(fēng)具有以下優(yōu)勢(shì)：無(wú)需能源消耗，可節(jié)約能源?？商岣呤覂?nèi)空氣質(zhì)量，減少空氣中的有害物質(zhì)?？商岣呤覂?nèi)舒適度，避免人們長(zhǎng)時(shí)間處于不適宜的環(huán)境中[3]。

在建筑設(shè)計(jì)中，通常通過(guò)設(shè)計(jì)開窗、通風(fēng)口等方式實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng)。同時(shí)，建筑內(nèi)部風(fēng)廊也是一種常見的利用建筑內(nèi)部布局改善室內(nèi)自然通風(fēng)的被動(dòng)節(jié)能措施。在高層建筑中，受建筑高度和自然條件等因素的影響，建筑內(nèi)部空間對(duì)機(jī)械通風(fēng)依耐性過(guò)高，不僅能源消耗大，而且難以滿足舒適度和健康要求。因此，合理利用自然通風(fēng)成為高層建筑設(shè)計(jì)的重要課題之一[4]。

2 研究對(duì)象

本文研究對(duì)象為合肥某高層辦公建筑，建筑高度為128.1m，共29層，總建筑面積為40552.19㎡。其中1、2層為商業(yè)，3層～29層為辦公，其標(biāo)準(zhǔn)層平面設(shè)計(jì)采用核心筒+環(huán)形走道+辦公室的常見圍合式平面布局，采用幕墻結(jié)構(gòu)，幕墻各方向均有開啟扇，開啟方式形式為上懸，開啟角度為30°。標(biāo)準(zhǔn)層平面布局如圖1所示，此平面布局，由于外側(cè)一圈滿設(shè)辦公室的布局，外窗與內(nèi)廊無(wú)法有效聯(lián)通，難以形成貫穿建筑室內(nèi)的風(fēng)廊。因此，結(jié)合研究對(duì)象所在城市，過(guò)渡季盛行風(fēng)的風(fēng)向?yàn)闁|風(fēng)，對(duì)研究對(duì)象平面布局進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)兩條東西向內(nèi)風(fēng)廊，充分利用風(fēng)壓原理，以期優(yōu)化室內(nèi)自然通風(fēng)達(dá)到預(yù)期效果。優(yōu)化后標(biāo)準(zhǔn)層平面布局如圖2所示。

3 數(shù)值模擬

計(jì)算流體力學(xué)（CFD）是一種基于數(shù)值方法的流體力學(xué)仿真技術(shù)，對(duì)流體流動(dòng)的物理方程進(jìn)行數(shù)值求解，模擬和分析流體運(yùn)動(dòng)和相互作用的行為。本文采用CFD方法對(duì)高層辦公建筑室內(nèi)自然通風(fēng)進(jìn)行模擬分析[5]。模擬分析采用VENT軟件，VENT軟件是一種專業(yè)的CFD軟件，具有強(qiáng)大的模擬和分析能力?？梢愿鶕?jù)建筑的平面圖進(jìn)行建模，并考慮內(nèi)風(fēng)廊對(duì)氣流的影響，模擬室內(nèi)空氣流動(dòng)的方向和分布情況。

3.1 物理模型和邊界條件

本文根據(jù)合肥某高層辦公建筑與周邊建筑的相對(duì)位置、朝向和空間布置等關(guān)系對(duì)整體進(jìn)行建模，模擬室外風(fēng)環(huán)境。將室外風(fēng)環(huán)境模擬結(jié)果中可開啟外窗室內(nèi)外表面的風(fēng)壓差作為室內(nèi)風(fēng)環(huán)境模擬的入口邊界條件。由于室外風(fēng)被大廈阻擋，因此對(duì)主迎風(fēng)面來(lái)說(shuō)，在風(fēng)壓和熱壓的作用下，形成了對(duì)流運(yùn)動(dòng)，在大廈外部的風(fēng)速方向傾向水平流動(dòng)，繞至大廈旁邊后通過(guò)大廈，較有代表性，本文將大廈的這片范圍稱為平流風(fēng)速區(qū)，室內(nèi)自然通風(fēng)模擬研究樓層選擇為15層，位于平流風(fēng)速區(qū)。當(dāng)建立室內(nèi)自然通風(fēng)模型時(shí)對(duì)樓梯間、電梯廳和公共衛(wèi)生間等門窗常閉的公共部位進(jìn)行填充和簡(jiǎn)化處理，以此簡(jiǎn)化模型與提高計(jì)算效率[6]。在室內(nèi)風(fēng)環(huán)境數(shù)值模擬計(jì)算的過(guò)程中，室外氣流通過(guò)窗戶進(jìn)入室內(nèi)，可以較為準(zhǔn)確地模擬實(shí)際建筑自然通風(fēng)時(shí)進(jìn)出口狀況。

室內(nèi)自然通風(fēng)模擬采用室外風(fēng)環(huán)境模擬結(jié)果中各外窗上的風(fēng)壓作為入口邊界條件，出口邊界條件定為自由出流，其他邊界條件均定義為無(wú)滑移的壁面條件。采用標(biāo)準(zhǔn)的K～ε湍流模型進(jìn)行模擬[7]。

3.2 模擬參數(shù)

合肥市位于夏熱冬冷地區(qū)，常年盛行風(fēng)為東北到南向風(fēng)，年平均風(fēng)速為2.35m/s?？紤]外窗開啟時(shí)間集中在過(guò)渡季節(jié)，合肥地區(qū)過(guò)渡季節(jié)室外風(fēng)頻東風(fēng)向較高，因此研究的室外風(fēng)向?yàn)镋風(fēng)向，具體參數(shù)見表1。

4 結(jié)果分析

本文以合肥地區(qū)為例，模擬分析過(guò)渡季主導(dǎo)風(fēng)向下有無(wú)內(nèi)風(fēng)廊時(shí)高層辦公室內(nèi)的自然通風(fēng)情況。距地面1.2m是考慮人在室內(nèi)靜坐狀態(tài)下所對(duì)應(yīng)的呼吸高度，本文選取室內(nèi)1.2m處的氣流速度和空氣齡2個(gè)指標(biāo)，分析在風(fēng)壓作用下，高層辦公室內(nèi)各功能房間的通風(fēng)換氣情況和整體的通風(fēng)效果[8]。

4.1 有無(wú)內(nèi)風(fēng)廊時(shí)高層辦公室內(nèi)氣流速度分析

在過(guò)渡季E風(fēng)向條件下，某高層辦公優(yōu)化前、后室內(nèi)1.2m高度處風(fēng)速分布矢量圖如圖3所示。風(fēng)速矢量圖可展示氣流組織的走向和流場(chǎng)中的風(fēng)速分布情況。在E風(fēng)向條件下，某高層辦公優(yōu)化前，平面布局中外側(cè)一圈滿設(shè)辦公室，核心筒附近環(huán)形內(nèi)廊難以與幕墻上的外窗聯(lián)通，無(wú)法串聯(lián)建筑各辦公室間的自然通風(fēng)，平均風(fēng)速約為0.30m/s；某高層辦公優(yōu)化后，核心筒附近環(huán)形內(nèi)廊與幕墻上的外窗可形成2條空氣通路，部分氣流可直接穿過(guò)，另一部分氣流遇到墻體改變方向進(jìn)入辦公室，平均風(fēng)速升至約0.65m/s。通過(guò)對(duì)比優(yōu)化前后的室內(nèi)平均風(fēng)速，更快的風(fēng)速可以促進(jìn)空氣流動(dòng)和混合，調(diào)節(jié)室內(nèi)熱濕環(huán)境。

4.2 有無(wú)內(nèi)風(fēng)廊時(shí)高層辦公室內(nèi)空氣齡分析

在過(guò)渡季E風(fēng)向條件下，某高層辦公優(yōu)化前、后室內(nèi)1.2m高度處空氣齡分布云圖如圖4所示?？諝恺g云圖可展示室內(nèi)的空氣新鮮程度。在E風(fēng)向條件下，某高層辦公優(yōu)化前，迎風(fēng)側(cè)房間內(nèi)的新鮮空氣，無(wú)法通過(guò)核心筒附近環(huán)形內(nèi)廊向其他房間傳遞，處于背風(fēng)位置的房間空氣齡較大，新鮮空氣分布明顯不如迎風(fēng)側(cè)房間均勻，室內(nèi)整體的平均空氣齡約550s。某高層辦公優(yōu)化后，迎風(fēng)側(cè)房間內(nèi)的新鮮空氣可通過(guò)內(nèi)風(fēng)廊接進(jìn)入背風(fēng)面房間，平均空氣齡降至約350s。通過(guò)對(duì)比優(yōu)化前后的室內(nèi)平均空氣齡得知，室內(nèi)空氣的新鮮程度得到改善，新鮮空氣能夠更好地傳遞到整個(gè)室內(nèi)空間，有助于提高室內(nèi)空氣質(zhì)量。

5 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)合肥地區(qū)過(guò)渡季主導(dǎo)風(fēng)向下有無(wú)內(nèi)風(fēng)廊時(shí)高層辦公室室內(nèi)自然通風(fēng)情況進(jìn)行數(shù)值模擬，探究了高層辦公建筑內(nèi)風(fēng)廊對(duì)自然通風(fēng)的貢獻(xiàn)，分析了其室內(nèi)自然通風(fēng)情況，通過(guò)模擬分析，本文得出以下結(jié)論。1）建筑內(nèi)風(fēng)廊能有效促進(jìn)室內(nèi)空氣流通，提高空氣質(zhì)量和舒適度。風(fēng)廊使建筑內(nèi)部的空氣能形成循環(huán)，可有效降低室內(nèi)的二氧化碳和甲醛等有害物質(zhì)的濃度，提高了室內(nèi)空氣的質(zhì)量。2）建筑內(nèi)風(fēng)廊對(duì)降低室內(nèi)溫度、減少空調(diào)使用等方面具有重要作用。在過(guò)渡季，風(fēng)廊的設(shè)計(jì)可以使室內(nèi)溫度相對(duì)較低，減少了空調(diào)的使用頻率和能源消耗。3）建筑內(nèi)風(fēng)廊的設(shè)計(jì)對(duì)室內(nèi)空氣流動(dòng)的影響較大。合理的風(fēng)廊設(shè)計(jì)可以使室內(nèi)空氣流動(dòng)更均勻，避免了某些區(qū)域的空氣滯留和不流通的問(wèn)題。

綜上所述，本文采用數(shù)值模擬的方法，探究了高層辦公建筑內(nèi)風(fēng)廊對(duì)自然通風(fēng)的作用，并提出一些在實(shí)際應(yīng)用中需要注意的問(wèn)題和建議。這些研究成果能為高層辦公建筑的設(shè)計(jì)和建設(shè)提供參考。

參考文獻(xiàn)

[1]梁云.自然通風(fēng)技術(shù)在綠色建筑中的應(yīng)用[J].上海節(jié)能，2021，392（8）：869-872.

[2]吳國(guó)棟，韓冬辰，張軍學(xué).高層辦公建筑自然通風(fēng)的風(fēng)廊空間設(shè)計(jì)研究[J].建筑學(xué)報(bào)，2023，651（2）：117-122.

[3]呂萌萌，陳靜，尹澤開.夏熱冬暖地區(qū)某辦公建筑自然通風(fēng)節(jié)能潛力分析及研究[J].建筑科技，2021，425（5）：39-43.

[4]許江英，陳宏國(guó).內(nèi)外建筑自然通風(fēng)研究比較—基于文獻(xiàn)計(jì)量分析[J].南方建筑，2021，206（6）：114-123.

[5]徐俊，穆正勇，殷子文，等.基于CFD的某高層建筑室內(nèi)自然通風(fēng)的數(shù)值模擬[J].黑龍江科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2022，32（4）：459-463.

[6]彭文蔚.高層辦公建筑玻璃幕墻外窗開啟方式對(duì)室內(nèi)自然通風(fēng)的影響研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2021.

[7]陶文銓.數(shù)值傳熱學(xué)[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，2003.

[8]潘仁穎.合肥某辦公建筑自然通風(fēng)設(shè)計(jì)優(yōu)化策略探討[J].安徽建筑，2023，30（7）：23-24，48.