某新建建筑过渡季室内自然通风CFD模拟对比分析

张艳宇++刘丰榕

摘 要：幼儿园作为儿童生活学习的主要场所，确定合理可行的自然通风方案十分重要：良好的自然通风不仅可有效降低室内空气污染物浓度，保证幼儿身体健康；而且可减少过渡季空调开启时间，降低建筑能耗。

关键词：幼儿园；过渡季；自然通风；数值模拟

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.24.072

0 引言

自然通风可以提高居住者的舒适感，并有利于健康，当室外气象条件良好时，加强自然通风有助于缩短空调设备的运行时间，降低空调能耗。《托儿所、幼儿园建筑设计规范》（JGJ 39-2016）[1]第6.2.11条规定：托儿所、幼儿园建筑应优先采用有组织的自然通风设施；当采用换气次数确定室内通风量是，活动室、寝室和多功能活动室的换气次数不应小于3次/小时。

在建筑方案阶段，很难通过实验手段对建筑室内风环境进行预测评价。随着计算机技术的发展，CFD技术已得到很好的发展，目前CFD技术应用于建筑环境分析已经比较广泛，成为建筑风环境分析的有效手段[2]。本文以计算流体力学软件PHOENICS为模拟仿真工具，对某幼儿园的2种建筑设计方案过渡季室内风环境进行模拟比较分析。

1 工程概况及方案

1.1 气候条件

幼儿园位于夏热冬冷地区，属亚热带湿润季风气候。根据当地气象资料，幼儿园所在地过渡季气象资料如表1所示。

1.2 地形条件

本项目幼儿园周边区域场地地势平坦，因此在建模时做简化处理，忽略地形高程，按同高程处理。

1.3 建筑方案

本项目幼儿园方案1采用围合结构，将幼儿活动室、寝室布置在有南向窗的位置，走廊沿北侧布置并形成环形通道，方案1的标准层平面图如图1所示。

本项目幼儿园方案2采用“工”字型结构，将幼儿活动室、寝室通过单侧走廊的形式全部布置在南侧，辅助用房分布在中间区域，通过南北交通空间链接南北功能区域，方案2的标准层平面图如图2所示。

2 数值计算方法

本文运用PHOENICS软件先对幼儿园过渡季场地风环境进行模拟，得到幼儿园2个方案的建筑物表面的压力分布，再结合2个方案建筑标准层平面布局对2个方案室内风环境进行模拟，得到建筑物室内平均风速及空气龄，来判断过渡季室内自然通风效果较优的建筑设计方案。

2.1 数学模型的选取

数值模拟控制方程包括连续性方程、动量方程、能量方程，通用形式[3]如下式所示：

该式中的Φ可以是速度、湍流动能、湍流耗散率以及温度等。湍流模型采用标准k-ε方程。

2.2 计算方法及边界条件

本文室外风环境及室内风环境模拟均采用有限容积法的离散方法，二阶迎风的离散格式。来流边界采用速度边界（根据表1取值），出流边界设置为自由边界，计算域建筑表面、地面和上表面均按照无滑移壁面设定。

幼儿园室外风环境模拟计区域尺寸取446m×416m×162m（长×宽×高），网格划分如图3所示。通过对125×98×34、189×143×44、375×260×80数量网格进行独立解检验，选用189×143×44网格进行计算分析。

幼儿园方案1室内风环境模拟计区域尺寸为76m×58m×3.6m，网格划分如图4所示。通过对152×116×8、228×174×12、304×232×16数量网格进行独立解检验，选用304×232×16网格进行计算分析。

幼儿园方案2室内风环境模拟计区域尺寸为80m×52m×3.6m，网格划分如图5所示。通过对160×104×8、240×156×12、320×208×16数量网格进行独立解检验，选用320×208×16网格进行计算分析。

3 模拟分析及评价

3.1 建筑表面风压力分布

通过对幼儿园2个方案室外风环境模拟，得到方案1建筑物表面迎风面与背风面的风压分布如图3所示，方案2建筑物表面迎风面与背风面的风压分布如图4所示。经对比可知，方案2迎风面风压大于方案1迎风面风压。

3.2 方案1建筑物室内风环境

幼儿园方案1室内自然通风模拟结果如图5～图6所示：室内平均风速为0.18m/s，室内平均空气龄为776.74s。

3.3 方案2建筑物室内风环境

幼儿园方案2室内自然通风模拟结果如图7～图8所示：室内平均风速为0.20m/s，室内平均空气龄为152.42s。

3.4 比较分析

通过对幼儿园2个方案室内自然通风模拟分析，得到方案1室内自然通风情况下，室内平均风速为0.18m/s，小于方案2室内平均风速0.20m/s；方案1室内空气龄为776.74s，大于方案2室內空气龄152.42s。

4 结论

本文采用PHOENICS对某新建幼儿园2个建筑方案过渡季室内自然通风状况进行了模拟计算，对比分析了2个方案在过渡季室内平均风速及空气龄图。结果表明方案1过渡季室内平均风速大于方案2的，方案1过渡季室内空气龄小于方案2的，即方案2过渡季自然通风状况优于方案1，故从室内自然通风及室内空气质量角度出发，建议采用方案2的设计。

参考文献：

[1]中华人民共和国住房和城乡建设部.JGJ39-2016，托儿所、幼儿园建筑设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社.

作者简介：张艳宇（1989-），女，江苏宿迁人，硕士研究生，助教，研究方向：暖通空调、室内空气品质。