基于模拟实验的建筑自然通风模式研究

王学勇，彭振，张琮，张晋浩，张永超

1.山东农业大学水利土木工程学院，山东泰安271018

2.泰安市建筑设计院有限责任公司，山东泰安271000

基于模拟实验的建筑自然通风模式研究

王学勇1，彭振2，张琮1，张晋浩1，张永超1

1.山东农业大学水利土木工程学院，山东泰安271018

2.泰安市建筑设计院有限责任公司，山东泰安271000

本文利用PHOENICS软件建立CFD模型，深度分析了一栋学校建筑的室内温度、空气流速和压力情况，并剖析了含有不同变量的案例。研究表明，建筑开口面积和通风烟囱会对空气流速和气压产生有利的影响，建筑设计以通过合理地增大开敞面积和烟囱高度来优化建筑的自然通风，从而实现建筑的节能以及改善室内空气质量。

自然通风；烟囱效应；流体模拟

自然通风是提高建筑物室内空气品质，节约能源的有效途径，在不同的气候分区都可采用来提高建筑的通风设计效能［1-2］。可以通过风压效应、热压效应或两者共同作用来实现［3］。精确设计的自然通风建筑可以通过预留的洞口（门、窗）将新鲜空气带入室内，并带走室内的污浊空气。

自然通风的建筑无法保证恒定的通风率，不同的气候条件下，风向和风压的不断变化导致建筑内部的温度和气流速率也会随之改变。通常推荐的建筑通风率为10 L/s［4］。因此，如何设计满足规定的通风率是建筑设计初期的重要问题。其他影响建筑自然通风的因素，如人员密度、功能类别、得热分布等也应考虑在内［5］。通常应对这些因素的措施包括控制建筑透明部分面积和遮阳构件的方向［6］。过去的数十年中，利用不同的方法预测建筑的通风性能已十分普遍，如分析模型、经验模型和分区段模型。PHOENICS模拟分析已成为研究通风的重要途径。CFD模型主要用来研究室内空气质量和自然通风，这是其他研究方法很难做到的［7］。

本文利用专业的流体力学计算软件——PHOENICS，测试一栋多层学校建筑使用空间的自然通风情况，包括温度分布、空气流速和压力分布等。使用者和计算机的占地面积为3 m2/人和12 m2/台。在模拟程序中，为保证模拟分析及运算结果的合理性，首先进行网格迭代分析，确保模拟结果的精确度。然后对不同的建筑通风设计分组进行模拟分析，确定变量对自然通风效能所带来的影响，并就如何改进自然通风策略提出建议。

1　研究概况

本研究实验案例是一栋三层的学校建筑，建筑长6 m，宽10 m，室内净高3.5 m，总面积180 m2，体积630 m3，如图1所示。右侧烟囱高12.5 m，宽2.5 m，建筑和烟囱现有的开启分别总面积为1.433 m2和2.045 m2。左侧编号1、2、3的窗洞对应的面积分别为0.330 m2、0.421 m2和0.682 m2。窗口和通风口的空气流通率分别为0.27 m3/s和0.81 m3/s。图2中建筑在原有的基础上进行镜像，扩大建筑的内部空间，同时增大通风烟囱的宽度，初始数据与图1中完全一样。

图1　多层教学建筑示意图Fig.1 The multi-storey teaching building

图2　镜像后建筑示意图Fig.2 The building after mirror image

2　实验分组与研究方法

为确定不同条件对建筑产生的不同影响，实验共分为以下五组。

2.1实验分组1

利用实验案例建筑初始条件，预测该建筑的气流和温度分布情况。本组实验为参照组，测得的实验数据为基础数据。

2.2实验分组2

本组实验在第1组实验的基础上，调整开启部分的面积，因建筑依靠内外温度差压实现其自然通风，利用下面的公式1，公式2可计算建筑调整后开启部分面积。

在公式1中，△Ps=内外压力差（Pa），ρext=室外空气密度（1.2 kg/m3），Tint=室内温度（K），Text=室外温度（K），g=重力加速度（9.8 m/s2），H=压力平衡面与洞口之间的距离。

在公式2中，Cd=开启面积有效系数，Cd通常取0.61［8］。A=房间洞口面积（m2），Q=规定空气流速（m3/s）。

在公式3中，根据英国通风设计手册CIBSE GUIDE A建议合理的空气交换率为2/ach-1。为区分不同通风口产生的影响，假定分组2中空气交换率为3/ach-1，因此公式3中：N=3/ach-1，V=630 m3。因此Q=0.525 m3/s。窗洞1、2、3对应的H值分别是9.15 m，5.65 m和2.15 m。温差设定为2 K，因此调整后三个洞口开启部分的面积分别是：A1=0.786 m2，A2=1.000 m2，A3=1.622 m2。通风口处的空气流通率应为1.575 m3/s，通风口总面积等于4.86 m2。

2.3实验分组3

实验分组3的研究针对含有镜像部分的建筑。由于原有建筑进深加大，建筑可能存在通风不畅带来室内温度过高的问题。因此本组实验有主要研究原有建筑进深加大后的自然通风情况。由公式1，公式2和公式3，H值与A值及温差值不变，因此空气流速为0.27 m3/s。

2.4实验分组4

实验分组4所用建筑与第三组相同，调整了部分实验条件。CIBSE GUIDE A建议窗洞的有效空气交换效率为10/ach-1。假定建筑各层的空气交换效率为10/ach-1，因此本组实验中建筑各层的空气流速可设为1.75 m3/s。又因H值保持不变，所以实验分组4的压力差与实验分组3相等。同理，由公式1，公式2和公式3计算可得，建筑一层至三层的窗洞面积分别为2.621 m2、3.335 m2和5.4m2。每层均有两组具有相同开启面积的通风口，所以A1=A6=1.310 m2，A2=A5=1.668 m2和A3=A4=2.7 m2。通风口处的空气流速应为5.25 m3/s。

2.5实验分组5

第五组实验以第四组实验为基础，窗面积、换算系数、温差等参数与分组3、4中保持一致。烟囱高度增加5.5 m。本组实验旨在研究压力水平面对通风产生的影响。窗洞口设置与分组4相同，压力水平面与洞口之间的距离H1=10.9 m，H2=7.4 m，H3=3.9 m。因此空气流速：Q1=0.77 m3/s，Q2=1 m3/s，Q3=1.29 m3/s。

3　网格分析

为了确保模拟数据的准确性，在精确分析前，对实验分组1进行了应用网格分析。实验分组1采用了三种不同规格的网格，如表1所示。网格1为默认值，另两组网格中在窗洞和使用者周围布置了更为密集的网格。根据模拟结构的变化率来判断网格是否达到精确模拟分析的要求。网格灵敏性分析的循环次数取3000。

表1　实验分组1的三种网格分析Table 1 Analysis on three meshes in case 1

由表2可知，三组模拟实验结果差值较小，窗洞处的空气流速大致相等。网格2和网格3更详尽地记录了中央涡流区。因此网格2即可满足模拟分析的要求。

表2　三种网格下实验分组1的气流速率Table 2 Airflow rates in three meshes of case 1

4　建立CFD模型

研究中使用通风模拟软件PHOENICS评价建筑中的空气流通情况。室外温度恒定为24℃，假定模型中所有的外表面和室内地面均为忽略了结构厚度的平面，可令软件计算更精确高效。除此之外，研究中假设墙壁和天花板均绝热。由于气流入口附近的压力和风速均未知，窗洞附近的风速是推理得出的，且都乘以二次折减系数2.69。这种方式替代了线性压力差边界条件的形式，且更为准确。折减系数的取值可由1/0.612求得。

在湍流模型方面，标准K-ε模型与RNG K-ε模型相比，后者更适合模拟空气流动［9］，因此研究中选用了RNG K-ε模型，同时选用布西涅斯克模型作为浮力模型，这也是RNG K-ε模型的一部分。

第一组和第二组实验中建筑每层容纳20人，布置5台计算机。其余三组实验中建筑每层均有20人及20台计算机。假定每人释放130 W热量，每台计算机释放125 W热量［10］。前两组实验中每5人和1台电脑编为1组，后三组实验中每5人和每5台电脑编为1组。则分组1和分组2中，每组释放热量640 W，分组3、4和5中，每组释放热量1270 W。为建立合适的网格进行了大量模拟，运用国际收敛标准0.1%误差得到了较为理想的收敛数据。表3记录了所有分组中网格和循环的具体情况。

表3　各分组实验的循环次数及网格数Table 3 Meshes and cycles in all cases

5　结果与分析

主要从室内温度分布、空气流速以及压力三个方面对模拟结果进行讨论分析，表4总结了各分组的对比情况。

表4　实验结果分组对比Table 4 Comparisons among different simulation cases

5.1温度分布

实验中所有分组的温度分布情况相似，三层的温度略高于二层和一层，建筑窗洞口附近的温度略低于建筑的其他部分。特别指出的是，由于人和计算机释放的热量，使用者周围空间的温度略高于建筑通风口附近温度。比较分组1和分组2可得，增大建筑开口面积是降低建筑室内温度的有效方式。分组1中室内最高温度约32℃，比室外温度高近8℃。室内平均温度30.4℃，仍比室外温度高6°。而且右侧使用部分的温度比左侧高出3°。分组2中，最大温差为4℃左右，平均温度比分组1低3.2℃。比较第一组实验和第三组实验，其平均温度达33℃，最高温度可达36℃，使用者能明显感受到室内高温。根据过热标准：室温超过28℃的时间不得持续120 h以上，且温差不得超过5℃。室内有人时，室温不得超过32℃。由于建筑通风不畅，污浊热空气在室内滞留时间过长，因此建筑的所有房间都存在过热问题。第四组实验中的建筑与第三组相同，但室内最高温度29℃，较实验3中的最高温度低7℃。室内平均温度接近室外温度，对使用者来说，该温度体感较舒适。使用空间的温度为27℃，只比室外温度高3℃。第五组实验的最高温度29℃，平均温度26℃，高于室外温度2℃。以上所有分组实验中，第四组实验的新风面积最广、污浊空气面积最小。第三组实验的室内温度最不舒适。且第三、四、五组试验中，新建部分的建筑温度高于原有建筑的温度。

5.2空气流速

所有分组测得的空气流速分布皆相对合理，实验结果统计可见表5、6、7。

由表5、6、7可知，实验分组1中的平均空气流速最低，其次由低至高分别是实验分组3、2、4和5。实验分组1中空气流速较低，污浊空气在室内滞留的时间长于其他实验分组。第二组实验中，建筑的窗面积较大，因此空气流速高于第一组实验，空气快速进入室内，又快速排至室外。实验分组3与实验分组1中的窗洞面积相等，平均空气流速低于实验分组2、4和5。实验分组3由于增加了宽度，其空气流速仍高于实验1，但该流速不能满足建筑对于通风的要求。实验分组4、5中增大了窗洞面积，增加了烟囱高度，因此提高了空气流速。比较实验分组4、5，烟囱高度将影响建筑通风率。实验分组4和实验分组5的通风模式相似，且无风区的面积最小。随着烟囱高度的增加，压力平衡面也升高至另一水平面。因此实验分组4和实验分组5中的通风最为有效。

5.3空气压力

模拟结果显示，除实验分组5外，前四组实验的压力面一致，零压力面与NPL面相接近。但在一些分组实验中，压力平衡面与设定位置不同。实验分组2的室内平均压力最高，是-0.804765 pa。实验分组3的室内压力最低。通过比较实验分组1和实验分组2发现，适当增加建筑的窗洞面积可减小室内外压力差。实验分组3、4建筑的压力趋势相同，实验3的压力差更大。实验分组5中，由于高起的烟囱能聚集更多的暖空气，烟囱处的压力高于建筑其他部分。

6　结论

通过实验结果的对比和分析，实验分组2、4、5的通风是有效的，舒适度优于实验分组1和实验分组3。实验分组3中原有建筑和新建建筑皆存在室内温度过高的问题。实验分组1和实验分组3的气流速率较低。因风速较小，实验分组4和实验分组5的气流分布情况相似，速率较快，通风情况较好，这表明增大开窗面积、增加烟囱高度可以有效解决建筑物室内温度过高的问题，提高自然通风的效能。

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Study on the Natural Ventilation Model of a Multi-storey Building Basedon Simulation

WANG Xue-yong1，PENG Zhen2，ZHANG Cong1，ZHANG Jin-hao1，ZHANG Yong-chao1
1.College of Water Conservancy and Civil Engineering/Shandong Agricultural University，Tai'an 271018，China
2.Shandong Tai'an Architecture Design Group Co.，Ltd.Tai'an 271000，China

This paper established a CFD model with PHOENICS software and deeply analyzed the temperatures in doors，airflow speed and pressure distributions in a multi-storey building in a school and investigated a case containing different variables.The results showed that opening area and ventilation window were advantageous for airflow and air pressure，therefore the natural ventilation was improved by reasonable enlargement for opening area and smokestack height so as to realize the energy conservation and improve air quality in buildings.

Stack ventilation；natural ventilation；CFD simulation

［TU834.5+7］

A

1000-2324（2016）02-0299-05

2014-05-20

2014-05-30

泰安市大学生科技创新行动计划项目（2014D006）

王学勇（1970-），男，副教授，主要从事建筑节能、生态建筑以及传统民居保护研究.E-mail：wxy199@163.com