公共建筑通风性能数值分析

王黎明

（中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，安徽合肥230026）

21世纪，能源危机、生态危机、温室效应等能源和环境问题正在影响着我们的地球和生活，走可持续发展道路已成为全球共同面临的紧迫任务，建筑业占能源消耗总量的1/3，采用建筑室内外通风技术最大限度地利用建筑周围的自然环境，实现建筑节能，达到低碳环保的目的。近几十年来，各国学者对于不同气候条件下、不同建筑物通风的研究方法主要有3种：理论分析、实测研究和计算机模拟。早期研究以理论分析和实验测试为主，随着近年来计算机仿真模拟技术的快速发展，软件模拟在通风问题的研究中愈发重要[1-2]。张楠和孙明宝分析总结出在不同尺度下新时期公共建筑中通风生态化的设计措施和规律[3]。辛玉广和祝健根据合肥地区典型气象年夏季气象参数，以该地区某办公建筑为研究对象，分析了不同等级热惰性围护结构下最佳通风策略，获得了较适合夜间通风的围护结构的热惰性类型[4]。王禹等以绵阳某公共建筑为研究对象，以绵阳地区夏季和过渡季为气候限定条件，运用DeST能耗模拟软件分析了不同自然通风策略对室内基础室温及空调冷负荷的影响[5]。王文超等针对福州某办公楼，从建筑通风角度进行分析，说明了计算流行力学（CFD）软件模拟建筑通风技术在公共建筑生态建筑节能设计中的重要性和复杂性[6]。李文杰采用CFD方法，以天津某公共建筑为例，对不同的中庭形式、内窗布置条件下的模拟计算，得出了自然通风较为优化的设计方案[7]。张君杰等运用流体力学计算软件PHOENICS对西安市某商场进行数值模拟分析，以期在设计阶段能为建筑在过渡季的自然通风换气次数的提高提供改进措施[8]。朱柯等采用Dest软件模拟及动态耦合能耗分析法计算某地区办公建筑3种通风类型下的自然通风与能耗关系，发现自然通风在一定条件下，最高减少建筑能耗达63%[9]。

关于通风对舒适度的影响调查统计显示，若建筑活动区域的平均风速达到5m/s的发生频率小于或等于10%，认为该区域是舒适的、适宜人生活的；而当发生频率为10%～20%时，人们的舒适度会降低；当发生频率大于20%时，应该采取及时的补救措施以减小风速带来的不适和伤害。另外，当人在风速分布不均匀的区域活动时，若在小于2m的距离内，平均风速突然变化频率达到70%，那么就是突然从低风速区进入高风速区的情形，人们对风环境的适应性和抵御的能力都将大大降低。由此看出，我们应该对建筑的室外通风准确评价与预测，分析建筑室外通风对室内通风的影响，尤其是对与建筑防风措施与自然通风性能及建筑本身能耗的影响。关于夏热冬冷地区的酒店室内外建筑物的通风性能预测还未见报道，因此，本文以合肥市某酒店建筑项目为例，运用斯维尔Vent软件研究室内外通风性能、建筑周围场地及室内的风速、流场分布，以获得自然通风对建筑能耗的影响，最大限度利用建筑周围的自然环境实现建筑节能的目的。

1 理论模型

通常建筑通风效果的测验方法有3种：风洞实验法、模型试验法、数值模拟法。测评过程分别由对建筑室外测评和建筑室内测评两部分组成。建筑室外通风涵盖的风场范围特别大，很难用试验去测评建筑通风效果，且前两种方法的成本高、周期长，很难在较短的时间内获得相对有参考价值的数据。因此，本文采用斯维尔Vent软件来数值模拟建筑物室内外风环境。斯维尔Vent软件依据CFD基本求解原理和流程，构建于Auto CAD平台，进一步建立能够被CFD计算核心识别的模拟模型。同时，模拟软件依据建筑物风环境模型的特征，实施智能化的计算，包涵了模型的处理、网格的划分、质量判断及数值模拟的工况数据库、计算参数的设置、结果管理的整个流程。通过实验测试，Vent模拟的值与实测值之间的误差小于20%。

力学中的守恒定律是未经任何假设而获得的，适用于任何情况。同样流体流动和传热也不例外，其流动过程遵守质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律。这些基本的物理定律一般可以用积分方程或者微分方程的形式来描述。CFD方法是基于流体流动学三大定律（质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律）建立的数学方程，其一般形式为

式中的φ可以是温度、速度、湍流耗散率以及湍流动能等。针对不同的方程，其具体表现形式如表1。

表1 计算流体力学的控制方程

续表1

在进行数值模拟计算时，粘性流是包含有摩擦、换热和扩散等输运现象的流动，是耗散性的，由各种不平衡势造成。质量扩散是因为流动中不同化学组分之间存在浓度梯度时产生的，热传导则是由于流场温度分布不均所形成的温度梯度导致。表1中给出了具体的连续性方程、各方向的速度方程、湍流动能方程、湍流耗散方程和能量方程，在斯维尔Vent软件中对上述各方程进行离散求解，计算出各节点上的值以获得整个计算模型的流场分布。

2 数值分析方法

基于CFD原理对建筑通风性能进行数值计算的步骤：

（1）建立控制方程。根据上节给出的流体控制方程直接给出，当处于湍流时要在软件中添加湍流方程。

（2）确定边界条件与初始条件。控制方程与相应的初始条件、边界条件的组合构成对一个物理过程完整的数学描述。本文研究的是稳态问题，不需要初始条件。

（3）划分计算网格。网格的参数对网格划分的精度和效果起着很大的作用。本文划分网格的原则：1）建筑物附近要求网格密集，远离建筑的区域网格密度可以适当减小；2）贴近地面的区域，网格要求加密以捕捉近地面的摩擦力对近地面层风场环境的影响；3）贴近建筑的区域，网格要加密以捕捉建筑物表面的摩擦力对附近建筑物表面风场环境的影响；4）有明显局部特征的建筑物轮廓，如尺寸较大的塔尖、凹凸形状，这时对网格加密以捕捉具有一定的特征局部对风场环境的影响。

（4）建立离散方程。对于在求解域内所建立的偏微分方程，通过有限体积法（DVM）建立起一组关于未知量的代数方程组，通过求解代数方程组来得到这些节点值，域内其他位置上的值则根据节点位置上的值来确定。该过程在计算软件中自动完成。

（5）给定求解控制参数。

（6）求解离散方程。

（7）判断解的收散性。在迭代过程中，要对解的收敛性随时监视，并在系统达到指定精度（10-5）后结束迭代过程。

（8）显示和输出计算结果。

3 案例分析

下面以合肥市某酒店建筑项目为例进行详细分析。如图1所示，该项目总用地面积为110 038.26m2，总建筑面积为72 658m2，其中，建筑总地上面积为72 658m2，项目的主要建设内容为一栋酒店式综合楼28 363m2，项目建筑密度为13%，绿地率为72%，容积率为0.66。

3.1 室内外通风模拟的几何模型

依照建筑的总平面图以及相关的资料建立本项目的建筑室内外风环境模拟模型，分别如图2和图3所示。通过Vent模型观察功能分析模型中包括本项目中建筑物的高度以及分布情况，并通过建筑总平面图分析建筑群整体尺寸。建立模型时，计算区域取300m×300m×100m，网格计算个数设置为80×80×25，最后对建筑物中心区域进行加密处理，参照《建筑通风效果测试与评价标准》规范JGJ/T 309-2013对于室外风场尺寸的要求，模拟将自动创建适合的风场范围。

图1 项目效果图

图2 室外模型图

图3 综合楼立面模型图

3.2 模拟工况

按照合肥地区全年的气象参数确定典型的夏季和冬季工况和过渡季节工况，各工况的具体风向及风速设置如表2所示。其中工况1、2、3主要分析在主导风向条件下项目周围流场分布及建筑物前后压差是否有利于自然通风；工况2主要分析在冬季主导风速的情况下项目周围流场分布及防风状况。

表2 模拟的工况

3.3 室外通风模拟分析

工况1（夏季工况）的模拟结果如图4～5所示。由图此看出，人行高度处的风速大体上都位于较为合理的范围，风速主要分布在1.26m/s～5.89m/s之间，风速放大系数为1.26，小于2。人行高度主要活动区域通风流畅，周围没有形成较大的涡流区域。弱风的区域较少，此区域非常适合人们在外面区域进行活动。

迎风面的建筑外表面风压一般在5.79～37.4Pa，背风面建筑表面风压一般在-0.53～5.79Pa，如图6～7所示。而在距地1.5m高度处，项目的迎风面风压基本在5.79～12.1Pa，项目的背面风压为-0.53～5.79 Pa，易于在人行区域处形成自然风场，有利于建筑周边区域的空气流通，满足50%以上可开启外窗，室内外表面的风压差大于0.5Pa。

工况2和3（冬季、过渡季工况）的模拟结果如图8～9所示。人行高度处的风速基本都处于1.58～2.89m/s，在人体舒适度要求范围之内，可不采取过多的防风措施，平均风速放大系数为0.63。

建筑表面迎风侧压力和背风侧的压力分布如图10～11所示。在冬季室外最多风向的工况下，项目的迎风面风压为-15.3～-9.47 Pa，背风面风压为-21.18～-15.3 Pa，前后压差较大。而在距地1.5m高度处，项目的迎风面风压基本为10.5～-9.47 Pa，项目的背风压为-15.23～-12.66Pa。

图4 人行高度处风速云图

图5 人行高度处风速放大系数云图

图6 迎风面风压云图

图7 背风面风压云图

图8 人行高度处风速云图

图9 人行高度处风速云图（放大系数）

图10 建筑表面迎风侧压力分布图

图11 建筑表面背风侧压力分布图

3.4 室内通风模拟分析

该项目的室内通风情况如图12～13所示。由图12可知，当过渡季风从西北偏侧吹入综合楼时，由于周边建筑布局的影响，建筑在南北方向形成开口，所以综合楼一楼总体通风效果良好。在综合楼东北侧极少个数房间出现风影区，且在风影区内形成静风区，风速小于1m/s。因此，整体通风效果较好。

图12 综合楼一层1.5m高度风速云图

图13 综合楼五层1.5m高度风速云图

由图13可知，受楼层及周边建筑布局的影响，当过渡季风从西北偏侧吹入综合楼时，综合楼5楼南向少数房间处于风影区，东北向及西南向走道区域相互贯通，在个别地方由于建筑的造型影响形成絮流，风速大于5m/s。整体通风效果良好。

整个项目换气次数如表3所示。换气次数大于2/h的面积占总面积的47.45%，有利于人体活动。

表3 换气次数大于2次/h的面积比

4 结论与分析

综上所述，以合肥市某酒店建筑项目为例，运用斯维尔Vent软件对不同季节的工况以及过渡季节建筑室内外通风情况进行模拟。结果表明：在建筑室外人行高度区域，受夏季主导风的影响，建筑综合楼与南附楼之间产生了狭管效应，通行处产生了较大絮流，对出行产生较大影响，因此建议在该处外侧种植高大阔叶乔木进行适当遮挡，以减少风环境絮流的影响；冬季通风效果良好，由于周边建筑物产生的狭管风影响面积不大，场地内无较大絮流，在建筑背风面形成一定区域的风影区，对周围风环境基本无影响；室内通风换气次数大于2/h的面积占总面积的47.45%，自然通风效果较好，并且室内大部分区域的风速以及通风次数能够较好地满足室内舒适度。