基于CFD数值模拟的室内风环境研究

吴 桢

(安徽工程大学 建筑工程学院，安徽 芜湖 241000)

在全球推行可持续性发展的大环境下，绿色建筑越来越受到重视。国家标准《绿色建筑评价标准》(GB/T50378-2014)[1]中规定绿色建筑是指在全寿命期内，最大限度地节约资源(节能、节地、节水、节材)、保护环境、减少污染，为人们提供健康、适用和高效的使用空间以及与自然和谐共生的建筑。而自然通风指的是利用自然风压、空气温差、空气密度差等对室内等区域进行通风输气的方式。与复杂、耗能的空调技术相比，自然通风是能够适应气候的一项廉价而成熟的节能减排技术措施。《公共建筑节能设计标准》(GB50189-2015)[2]等国家标准,《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》(JGJ134-2010)[3]等行业标准,以及《安徽省居住建筑节能设计标准》[4]等各地方标准中都对建筑设计中的自然通风设计做出明确的规定和要求。因此，室内的自然通风设计是绿色建筑设计很重要的一环。自然通风的研究方法主要有风洞试验[5]、现场实测和计算流体力学[6](Computational Fluid Dynamics，简称CFD)模拟方法。随着计算机技术的高速发展和流体计算模型的完善和提高，CFD数值模拟精度越来越高，成为建筑风环境模拟的有效工具[7]。众多国内外学者也将数值模拟方法和现场实测以及风洞试验进行了对比分析[8]，完全验证了CFD软件的精度可行性和时效可行性。对于室内的自然通风，影响因素非常多：户型所在楼群位置、户型设计、开窗大小和位置等等。科研学者们已经做了很多相关研究并得到诸多结论：饶永[9]等通过改变外窗形态得到增大外窗的宽高比会改善室内自然通风的结论；孙波[10]等通过数值模拟室内的自然通风对布局设计提出了指导意见。就居住者来讲，以上所述影响因素不容易改变，而文中所选研究对象的阳台的装修开窗情况最能影响室内风场且是可干预因素。另外，《绿色建筑评价标准》中对室外风环境主要依据风压和风速进行评价打分，对室内风环境主要依据窗地比进行评价打分，这种评价指标比较笼统粗糙。对室内风场的评价，科研学者们大都采用了风速和空气龄，李先庭[11]等用示踪气体和数值模拟等方法研究了通风房间的空气龄，并提出用空气龄是评价室内空气品质的一个重要指标。苏醒[12]等提出用人体热舒适评价室内自然通风效果更客观。

研究基于CFD数值模拟技术的Fluent软件，分析了某热门户型的室内风场和空气龄分布，对比研究了阳台装修情况对室内风场的影响，探讨了建筑设计中阳台对自然通风的影响规律。并提出用不均匀系数衡量室内风场的均匀度并对自然通风环境进行评价。研究对象是芜湖市某高校内住宅小区的住宅户型。所选户型为正南朝向，户型方正，为市面上热门户型。户型图如图1所示。

图1 户型图

1 研究方法

1.1 模拟工况

根据《中国建筑热环境分析专用气象数据集》[13]，芜湖地区夏季主导风向为南风，平均风速为2.3 m/s。具体模拟工况如表1所示。

表1 模拟工况列表

1.2 几何模型

研究阳台装修情况对室内风场的影响，所以建模并未考虑建筑室外风场。而是将南面门窗设为进风口，其他面的窗户设为出风口。假设房屋主要房间窗均为推拉窗，最大打开面积为窗户半幅尺寸；厨房卫生间等辅助房间窗为外开平开窗，可全开。相应工况下几何模型设置时，推拉窗均设置为a、b两扇只开a扇，平开窗完全打开。房屋内部即为计算域。因为建筑模型方正简单，在划分网格时选择四面体非结构化网格。

1.3 物理模型

建筑室内空气流通问题属于典型的完全湍流问题，故采用标准k-ε模型进行数值模拟，其精度和速度完全能满足此次模拟所需。

标准k-ε模型的湍动能k和耗散率ε方程为如下形式：

(1)

(2)

在FLUENT中，作为默认值常数，C1ε=1.44，C2ε=1.92，Cμ=0.09，湍动能k与耗散率ε的湍流普朗特数分别为σk=1.0，σε=1.3。这些常数值可以通过调节“粘性模型”面板来调节。

2 数值模拟结果与分析

为了评价室内自然通风效果以及不同房间的通风效果，选取人体活动高度Z=1.1 m处的风速分布图、空气龄图进行对比分析[14]。并对1.1 m高度整体截面以及主卧、客厅、次卧以及北书房的局部截面的风场和空气龄进行数据分析。

由于空气湍流的特点，室内空气流场各点的风速、温度、空气龄都有差异，为了更好评价室内自然通风效果，引入“不均匀系数”的概念。统计学中，用均方差的大小评价数据的离散性，引入的“不均匀系数”便定义为均方差和平均值的比率。不均匀系数越大说明数据越离散，均匀度越差；系数越小，结论则与之相反。

平均值：

(3)

均方差：

(4)

不均匀系数：

(5)

2.1 风速

风速一直都是自然通风效果最直接且重要的评价指标。四种工况下室内1.1 m处的风速分布如图2所示。图2a、图2b、图2c、图2d分别是A、B、C、D四种工况下室内1.1 m处的风速分布图。全屋平均风速及不均匀系数如表2所示。从图2和表2中可以看出，四种工况下，工况A时室内风场具有最大风速和平均风速，B、C次之，D最小。这说明迎风面开口增加，室内风速会提高。从四种工况的均方差和不均匀系数可知，B、C工况的均匀性最好，D工况均匀性最差，A工况均匀性处于两者之间。从云图中分析该结果的主要原因是B、C工况下阳台开窗大小与其他南面窗户大小相近，因而风速比较均匀。而A工况和D工况阳台开窗情况过于极端，所以导致整体风场均匀性差。

图2 四种工况下室内1.1 m处的风速分布图

表2 全屋平均风速及不均匀系数

工况平均值均方差不均匀系数A-1.11.711.580.92B-1.10.820.670.82C-1.10.610.520.85D-1.10.430.431.01

为了考察主要使用房间(主卧、客厅、次卧和书房)的风环境，此处选出4个房间的局部风场进行数据处理，并对局部房间的风速均值和不均匀系数进行了计算对比，结果如表3所示。

从主要房间的局部风场数据来看，阳台开窗对南面主要使用房间的影响规律类似于对房屋整体平均风速的影响：阳台开窗越大，风速越大。但阳台开窗情况对南面卧室的影响幅度很小，对客厅和北面房间的影响较大。从表3中不均匀系数可以看出，阳台开窗对南北面的几个房间影响不大，对阳台直对的客厅影响较大，因为阳台开窗情况直接影响“穿堂风”效果。

表3 主要房间平均风速及不均匀系数

2.2 空气龄

空气龄是指空气质点的空气龄，是空气质点自进入房间至达到室内某点所经历的时间。空气龄反映了室内空气的新鲜程度，它可以综合衡量房间的通风换气效果，是评价室内空气品质的重要指标。在进行数值模拟时，进风口的空气龄为0，空气龄越大意味着空气的置换时间越长。1.1 m高度处不同工况下房屋的空气龄分布图如图3所示。为了衡量室内空气龄分布的均匀程度，对图3中各质点空气龄进行了统计分析，得到了全屋整体的空气龄平均值和不均匀系数以及主要使用房间的平均值和不均匀系数，分别如表4、表5所示。从图3和表4可以看出，阳台开窗越大，室内整体空气龄越小，通风情况越好；开窗面墙角存在局部空气龄增大的问题；B、C工况下室内空气龄分布较A、D工况下更均匀。

从表5中可以看出，加大阳台开窗面积能有效减小房屋局部房间空气龄，效果显著；阳台开窗情况对局部房间的空气龄分布均匀度影响不大；北书房平均空气龄相对南面房间较大，但分布更均匀。

图3 1.1 m高度处不同工况下房屋的空气龄分布图

表4 全屋空气龄平均值及不均匀系数

工况平均值/min均方差不均匀系数A8.774.020.39B24.2013.990.58C36.8021.000.34D78.5927.500.35

表5 主要房间空气龄平均值及不均匀系数

3 结论

通过以上对阳台的封闭情况进行室内风场和空气龄的数值分析，根据各种工况下三维流动场内的速度场和空气龄场，可以得到以下结论：该户型属于南北通透户型，在南北面均开窗的情况下，“穿堂风”效果明显。南北面的门窗若能对齐，“穿堂风”增强。对阳台进行封闭处理，即使大开窗依然会减低室内的平均风速、加大室内的平均空气龄也就是室内的空气置换速度。阳台封闭且开窗大小和其他进风口窗户大小相近时，室内风场最均匀。南开窗房间的自然通风效果比北开窗房间要好。