数值模拟技术超高层绿色建筑自然通风设计研究

秦砚瑶，戴辉自，吴思睿，刘军

数值模拟技术超高层绿色建筑自然通风设计研究

秦砚瑶，戴辉自，吴思睿，刘军

（中煤科工集团重庆设计研究院有限公司 绿色建筑技术中心，重庆 400016）

基于《重庆市建筑节能（绿色建筑）设计标准》（DBJ50-052-2013）对绿色建筑自然通风的要求，通过某超高层绿色建筑项目设计实践，采用数值模拟分析技术辅助绿色建筑室内自然通风设计，避免常规自然通风效果定性分析的不确定性，既可实现良好的自然通风，又最大限度地降低了幕墙造价。通过本文的研究，为超高层绿色建筑室内自然通风设计提供了新思路，也为其他项目的自然通风设计提供了良好的借鉴。

绿色建筑；数值模拟；自然通风；超高层建筑；幕墙开窗面积；室外梯度风；过渡季；空气龄

基金论文：该论文为重庆市绿色建筑与建筑节能配套能力建设项目“外墙保温工程应用质量现状调查与评估”资助项目论文之一，中煤科工集团重庆设计研究院有限公司青年基金项目“建筑外遮阳设计方法研究”（项目编号：2013QN 040）。

doi：10.3969/j.issn.1671-9107.2015.02.008

0　引言

自然通风作为一种被动式技术，在改善室内热湿环境的同时可降低建筑能耗，因而得到大力的推广。但由于设计条件的限制，目前，在工程设计实际中，自然通风的效果多根据经验进行判定，该判定中更多的是考虑风压通风，未考虑到室外梯度风［1］。对于超高层建筑，室外风速呈指数分布，在一定高度以上，室外风速远大于低层，由此引起的室内自然通风效果亦完全不同于底层低风速的状况，传统的经验判定将无法反映实际状况。本文基于重庆某一绿色超高层项目，采用数值模拟分析技术辅助室内自然通风设计，探求满足过渡季室内自然通风的幕墙开窗面积要求，在满足自然通风要求的前提下，尽可能减小幕墙开窗面积，最大限度地降低该建筑幕墙造价。

1　标准中对自然通风的要求

《重庆市建筑节能（绿色建筑）设计标准》DBJ50-052-2013（以下简称《标准》）提出：设计应进行下列建筑室内外风环境、室内采光分析，优化建筑空间平面和构造设计：在过渡季典型工况下，90%的房间的平均自然通风换气次数不应低于2次/h。在无法采用数值模拟分析技术的条件下，一般可按如下进行判定：自然通风房间可开启外窗净面积不得小于房间地板面积的4%，建筑内区房间若通过邻接房间进行自然通风，其通风开口面积应大于该房间净面积的8%，且不应小于2.3m2（数据源自美国ASHRAE标准62.1）。同时，单侧通风房间的进深不超过房间净高的3倍；穿堂风房间的进深不超过房间净高的5倍。这一做法主要针对于多层或高层建筑，在超高层建筑中，情况则不尽相同，换言之，考虑到风速随高度呈指数增长后，在一定高度上，要实现在过渡季典型工况下，90%的房间平均自然通风换气次数不应低于2次/h，自然通风房间可开启外窗净面积并非不得小于房间地板面积的4%［2］。

按照大气边界层理论，气流穿过不同的地区和地形带时，因产生摩擦力而使风速降低，风能减少，其本身的结构也随之发生变化，直到达到一定高度，地面粗糙度的影响才可以忽略。一般情况下，地面以上300m（不超过1000m）范围内均属于大气边界层，在这个范围以上风速才不受地表的影响。近地面层的风速服从指数分布［3］，如下式所示：

其中：UZ—高度Z处的水平方向风速，m/s；

U0— 参考高度Z0处的风速，m/s；

Z—研究点的高度，m；

Z0—参考高度，m；

α—为由地形粗糙度所决定的幂指数，可按建筑所处的地形条件选取，无量纲。

根据《建筑结构荷载规范》GB 50009，地面粗糙度可分为A、B、C、D四类，该研究中室外地形地貌可按照密集建筑群的城市市区选择为C类，α值取0.22O［4］。

2　自然通风设计

该研究采用Phoenics流体力学计算软件。该项目为商业及办公楼综合体，整个用地为南北朝向，裙房为商业，塔楼为3个办公区域，地上32层/地下7层，总建筑面积338308m2，建筑高度地上154.9m。项目地块北面高差较大，建模时予以考虑。在研究室内自然通风状况时，需先进行室外自然通风的模拟，而后将室外自然通风的结果作为室内自然通风的边界条件。该研究主要结合《标准》中7.2.3条第3款的要求，针对重庆典型气候条件（过渡季节）下研究建筑表面的压力分布，并将压力分布作为过渡季室内自然通风的边界条件。

2.1室内风环境模拟方案及边界条件

该项目8层及以下为大型商业（见图1-图3），根据标准要求，大型商业可不考虑自然通风。

图1　项目平面图

图2　迎风面风压图

图3　建筑背风面风压图

9层及以上为塔楼，性质为办公建筑，需考虑室内自然通风所需的开窗面积比；10层以上皆为标准层，建筑平面相同；9层稍有不同，中间为核心筒，围绕核心筒一圈为走道，其余为开敞式办公。根据室外风环境模拟的情况，确定选择T2塔楼为模拟对象，T2塔楼朝向为东北偏北，T2塔楼平面详见图4，建立的计算模型详图5所示，根据“中国建筑热环境用气象数据集”中的气象数据统计得到，项目所在地的过渡季节的风向为S（南风），平均风速2.5m/s。标准对于超高层建筑，由于高处风力过大以及安全方面的原因，不再对因自然通风规定而要求外窗和玻璃幕墙开启面积作具体要求，仅要求第20层及其以下各层的外窗和玻璃幕墙因自然通风要求而开启，20层以上楼层不作要求。

图4　塔楼模拟标准层室内建筑布局图

图5　建筑室内自然通风模型

为满足过渡季90%的房间建筑设计，标准中要求的最低比例为4%，在建筑高度较高时，考虑到梯度风的影响，当开窗面积比例不满足4%时，有可能90%的房间面积满足2次/h的换气次数要求。模拟方案采用从1%～4%，按照1%的有效开窗面积逐级递增。选取3个不同高度（低9层、15层、21层）的房间过渡季的室外自然通风状况。根据《幕墙工程技术规范》JGJ102-2003，幕墙悬窗开启角度小于30°，且开启距离小于300mm，其有效开启面积比例按照消防规范要求，悬窗开启时的2倍侧投影面积与正投影面积之和。选择的幕墙开窗洞口为宽600，高2000mm，考虑采用宽600，高2000mm上悬窗，有效净面积面积为0.78m2。因此，制订如下的模拟技术方案，详细开窗状况见表1。

表1　各开窗面积比下各层的开窗状况

2.2室内风环境研究模拟结果

通过对项目的9层在过渡季不通过开窗面积下的室内自然通风模拟研究发现：开窗面积比依次为1%、2%、3%时，9层过渡季节室内自然通风满足2次/h的面积比例分别为74.6%、83.0%、91.1%、100%。因此，考虑选择开窗面积比为3%。衡量通风换气效果可采用换气次数，PHOENICS软件内置的计算功能为计算某点的平均空气龄，由于空气龄是指空气质点自进入房间至到达室内某点所经历的时间，换气次数与平均空气龄存在相互转换关系。当某点的平均空气龄小于1800s时，该点的换气次数大于2次/h（见图6-图8）。

图6　L9层不同开窗下的室内空气龄云图，开窗面积比依次为1%、2%、3%、4%

图7　L15层不同开窗下的室内空气龄云图，开窗面积比依次为1%、2%、3%、4%

图8　L21层不同开窗下的室内空气龄云图，开窗面积比依次为1%、2%、3%、4%

15层过渡季节室内自然通风满足2次/h的面积比例分别为86.5%%、100%、100%、100%。因此，考虑选择开窗面积比为2%。

21层过渡季节室内自然通风满足2次/h的面积比例分别为89.5%、100%、100%、100%。因此，考虑选择开窗面积比为2%。

从梯度风的角度而言，在同一地点的竖向高度上，高度越高，风速越大，风压一般也越大，在相同建筑室内平面布局下，风压越大，室内自然通风效果愈强，室内各点的空气龄降低，这与图3.6～3.8的趋势一致。在同一层，由于室内外风压已经确定，当开窗面积增大后，室内通风面增大，自然通风效果增强，室内各点的空气龄亦降低，这与图3.6～3.8的变化趋势亦一致。

2.3室内自然通风设计

根据室外梯度风的关系，随着建筑高度的递增，室内自然通风效果越强，因此，9～15层采用3%的开窗面积比，15～20层采用2%的开窗面积比，21层以上采用2%的开窗面积比，兼顾了超高层建筑办公室自然排烟的要求。较原来每层4%的开窗面积比要求，整个项目幕墙可开启面积减少近1/3，大幅度降低了幕墙五金件的造价，推进了整个项目的工期。

3　结论

通过对某绿色超高层项目的研究，在过渡季典型气象条件下，因梯度风的影响，要实现90%以上功能房间换气次数2次/h以上，并非均需满足4%的开窗面积要求，通过采用数值模拟分析技术辅助室内自然通风设计，可以有效提高室内自然通风效果，降低绿色建筑造价。

［1］张艳辉.超高层建筑结构旋转风荷载效应研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2013.

［2］重庆市工程建设标准.DBJ50-052-2013重庆市建筑节能（绿色建筑）设计标准［S］.重庆市城乡建设委员会，2013.

［3］朱颖心.建筑环境学：第三版［M］.北京：中国建筑工业出版社，2004.

［4］中华人民共和国国家标准.GB 50009建筑结构荷载规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2012.

责任编辑：孙苏，李红

Study on Numerical Simulation Technology in Natural Ventilation Design for Ultra High-rise Green Building

Based on the natural ventilation requirements in Design Standards on Public Building Energy Saving（Green Buildings）（DBJ50-052-2013），and a practical case，numerical simulation technology is applied to assist indoor natural ventilation design for green buildings to avert the uncertainty of common natural ventilation，which can achieve good natural ventilation result，and offer some favorable references for other natural ventilation designs.

green building；numerical simulation；natural ventilation；ultra high-rise building；windows acreage of curtain wall；outdoor gradient flow；transition season；air age

TU972+.9

A

1671-9107（2015）02-0008-03

2014-12-13

秦砚瑶（1982-），女，重庆人，硕士，工程师，主要从事绿色建筑技术研究。

戴辉自（1988-），男，江西吉安人，硕士，工程师，主要从事绿色建筑技术研究。