基于COMSOL软件下办公建筑室内通风分析

王凤华，刘衍香

(闽南理工学院，福建泉州 362700)

在提倡“节能减排”的社会大环境下，建筑设计多要求以“节约能源，提高室内环境质量”为基本准则。良好的自然通风可以代替机械通风，保证房间的正常气候条件和空气新鲜。自然通风在节约能源、改善室内空气品质、提高环境舒适度等方面有着至关重要的作用。

1 自然通风

1.1 自然通风原理及影响因素

建筑物中的自然通风，是由于建筑物开口处存在空气压差而产生空气流动。自然通风虽可带来许多益处，但若不注重影响通风的不利因素，通风效果将难以保证。目前，建筑设计中影响自然通风的因素主要有建筑朝向、窗户尺寸、开窗面积比例、窗户高度和室内气流组织方式等。

1.2 传统自然通风设计与COMSOL Multiphysics数值模拟的区别

在传统的建筑设计中，设计师在进行通风设计时，大多依靠自身的经验及理论基础，分析风玫瑰图，进行自然通风设计。这种做法虽简单且有一定的准确性，却无法精确反映室内微环境。相较之下，随着计算机技术的发展而兴起的数据模拟技术则克服了这一缺点。COMSOL Multiphysics建模，以模拟真实条件形成的直观数据为依据，具有建模速度快，运算能力强，可视化的分析结果等优势，大大提高了设计的科学性[1]。

本研究将使用COMSOL Multiphysics数据模拟，采用同一办公室内不同窗户尺寸、开窗面积比例、窗户高度设置对室内流场、温度场等进行模拟预测，对比在相同条件下，不同窗户尺寸、开窗面积比例、窗户高度对室内微环境的影响，以期为建筑的设计优化提供可靠的参考数据。

2 模型建立

2.1 气象条件与建筑基本条件设置

本研究对象为石狮市某教学楼办公室，宽为3.2 m，长为5.2 m，高为3.2 m，其中以东西向为长，南北向为宽，以东西向为x方向，南北向为y方向，高为z方向，建筑(窗口)朝向为东南朝向，模型见图1。假设办公室以窗口为进风口，门为出风口。

石狮市位于福建泉州，属于亚热带季风气候地区，夏热冬冷，四季分明。其夏季受海陆气温差异影响，气候高温多雨，室外平均风速为4.97 m/s，多为东南风，与建筑物迎风面垂直。冬季受来自西伯利亚的寒风影响，吹西北风，湿冷刺骨，冬季室外平均风速为7.9 m/s，多为东北风。一般来说，只有在夏季7-8月空调使用较多，在室外风环境允许的情况下，为节约能源，应尽量应用自然通风。本研究主要分析夏季7月办公室内自然通风条件。空气在室内的流动是一个复杂的物理过程，涉及室内微环境的流场、温度场等多方面内容，此选用湍流，k-ε(spf)方程为模型的基础进行研究。

假设条件:1)室内人员静止不动；2)模型入口风速及温度均匀；3)夏季室内环境相对湿度为81%；4)模型引用湍流，k-ε(sf)瞬态方程模拟计算。

图1 教学楼办公室模型图Fig.1 Office model of the teaching building

2.2 边界条件

办公室模拟计算进风口风向垂直吹入室内，风速为4.97 m/s，且入口空气温度为299.15 K；室内墙体为无滑移速度、绝热边界，室内壁面温度为307.15 K。

3 模拟计算与分析

对窗户不同开口大小及不同窗台高度分别进行模拟计算，分为两阶段，共计6次模拟计算。

图2至图4表示室内窗户尺寸为600 mm×1200 mm时，窗台高分别为800、1000、1100 mm时的室内流场及速度场分布情况。当窗台高度为800 mm时，主要使用区域风速为3～4 m/s，沙发左侧流线集中且风速大，可沙发右侧却基本没有流线，办公桌区域流线也分布较少，另外考虑到办公桌文件较多的问题，800 mm高的窗台在风吹入室内时容易吹乱桌面的文件，不利于办公；图3、图4室内流线分布大致相同，其在人员活动的主要区域流线分布较为均匀，且风速大致为3～4.5 m/s，较图2流线分布均匀，当风吹入室内时基本能吹过室内绝大部分区域，死角较少，并且窗台高度在1000 mm以上，高过办公桌面200 mm，不易对办公造成不利影响，但图2至图4均存在沙发右侧基本没有流线这一问题。

图2 窗台高800 mm流线Fig.2 Streamline of window sill with height of 800 mm

图3 窗台高1000 mm流线Fig.3 Streamline of window sill with height of 1000 mm

图4 窗台高1100 mm流线Fig.4 Streamline of window sill with height of 1100 mm

图5至图7表示室内窗户尺寸为900 mm×1500 mm时，窗台高分别为800、1000、1100 mm时的室内流场及速度场分布情况。当窗台高度为800 mm时，主要使用区域的风速为3～5 m/s，室内流线主要分布在沙发区域，室内流线分布较不均匀；图6、图7室内流线分布均匀，且主要使用区域风速大致为3～4 m/s，当风吹入室内时基本能吹过室内所有区域，并且由于窗台高度在1000 mm以上，高过办公桌面200 mm，不易对办公桌文件造成不利影响。但图5较图6流线分布集中且紊乱。

图5 窗台高800 mm流线Fig.5 Streamline of window sill with height of 800 mm

图6 窗台高1000 mm流线Fig.6 Streamline of window sill with height of 1000 mm

图7 窗台高1100 mm流线Fig.7 Streamline of window sill with height of 1100 mm

经过图2至图4的对比和图5至图7的对比，可知，选用窗台高度为1100 mm时，比较符合办公室通风及办公标准。经过图2与图5、图3与图6、图4与图7的对比，可知窗户尺寸为900 mm×1500 mm时，室内流线更均匀。

选用窗台高度为1100 mm，窗户尺寸为600 mm×1200 mm和900 mm×1500 mm的房间进行室内通风温度场变化研究。对比图8至图11可看出，夏季办公室使用自然通风时，室内温度基本保持在300K左右，大约为27 ℃，符合人体舒适度标准。而室内墙体温度也基本保持在299～301K，得到了有效的降温，起到了很好的节能效果。对比图8与图9、图10与图11可看出开窗面积越大，室内温度分布越均匀，降温较好。在不同开窗比例下，室内流线也产生了不同变化。当开窗比例为20%时，室内流线分布不均，大部分区域无法得到有效通风，且靠窗位置流线紊乱，部分区域甚至产生了小旋风；而当满窗情况下，由图9与图11可见，室内流线分布均匀，不仅吹过室内几乎所有区域，且基本不存在小区域的旋风现象。

综上所述，可见窗户尺寸为900 mm×1500 mm，窗台高1100 mm，满窗通风的方案最为符合办公室自然通风要求。

图8 600 mm×1200 mm 20%开窗温度场、流线Fig.8 X Temperature field and streamline of 20% open-window(600×1200 mm)

图9 600 mm×1200 mm满窗温度场、流线Fig.9 Temperature field and streamline of full-window(600×1200 mm)

图10 900 mm×1500 mm 20%开窗温度场、流线Fig.10 Temperature field and streamline of 20% open-window(900×1500 mm)

图11 900 mm×1500满窗温度场、流线Fig.11 Temperature field and streamline of full-window(900 mm×1500 mm)

4 结论

本研究使用COMSOL Multiphysics软件对尺寸为3.2 m×5.2 m×3.2 m的办公室进行了夏季室内自然通风数值模拟。主要通过模拟不同开窗面积、窗台高度、开窗比例的室内流场及温度场分布情况，初步得出以下结论：1)在相同的窗户尺寸下，开窗高度高于1000 mm时，室内的风速、流线分布较均匀，通风效果较好。2)在相同的开窗高度下，窗户尺寸为900 mm×1500 mm时，室内的风速、流线分布较均匀，通风效果较好。3)在相同的窗户尺寸及开窗高度的条件下，开窗比例的大小对室内通风效果有着显著影响，开窗比例越小，越容易造成室内流场分布不均，风进入室内速度急，流线、温度分布不均匀，存在死角区域，通风效果差，出现小旋风等问题。反之则风速平缓，流线、温度分布均匀，通风效果较好。