基于CFD的南教某实训馆通风及热舒适性模拟

2020-11-02吴小勇福建水利电力职业技术学院福建永安366000

安徽建筑 2020年10期

吴小勇（福建水利电力职业技术学院，福建永安 366000）

0 前言

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，与自然和谐共生的建筑[1]。在《绿色建筑评价标准》节能与能源利用的评分项的建筑与围护结构、供暖、通风与空调中，良好的自然通风都可以贡献较多的分值。

建筑通风被认为是消除室内空气污染、降低建筑能耗的最有效手段。当采用通风可以满足消除室内余热、余湿要求时，应优先使用通风措施，可以大大降低空气处理的能耗，而自然通风主要通过合理适度地改变建筑形式，利用热压和风压作用形成有组织的气流，满足室内通风要求，减少能耗[2]，是最经济节能的一种通风方式。建筑物的平面空间组织布局、剖面设计和门窗的设置，应有利于组织室内自然通风。宜对建筑室内风环境进行计算机模拟，优化自然通风系统[3]。

本文正是在当今为贯彻国家技术经济政策、节约资源，保护环境，推进可持续发展的大背景下，结合当前BIM技术建立建筑信息模型，采用CFD软件对某实训馆的室内自然通风（夏季工况、冬季工况）进行数值模拟，为改善该建筑物的热舒适性、室内空气品质，降低其建筑能耗具有重要的参考价值和意义。

1 建筑模型

本次模拟的建筑位于福建省永安市，朝向为坐北朝南，建筑高度为11.85m，占地面积为2740.14m2，为框架结构，建筑周边为空旷区域，无其他建筑。基于其建筑施工图采用品茗HiBIM软件建立其建筑信息模型。如图1所示。

图1 某实训馆建筑信息模型

2 求解数学模型

本次模拟采用鸿业建筑性能分析软件OpenFOAM模拟引擎的标准k-ε模型[4]进行数值模拟，该模型是两方程湍流模型中广泛应用于模拟低速湍流运动，计算精度高、可靠性较高。

3 模拟工况

3.1 气象参数[5]

地理位置：福建省永安市建筑气象分区为夏热冬冷，光气候分区为Ⅳ，经度：117.35，纬度：25.97，海拔 206m。

夏季工况：夏季大气压力98330Pa，通风室外干球温度为33.3℃，通风室外相对湿度为54%，最多风向为SW为225°，最多风向平均风速2m/s。

冬季工况：冬季大气压力99897Pa，冬季通风计算温度6.5℃，冬季室外平均风速1.1m/s，最多风向平均风速3.1m/s，最多风向NNW为337.5°。

3.2 参数设置

为保证数值模拟软件计算的精度，并控制模拟的运算时间，将建筑模型布置在足够大的计算区域中，设定计算区域：X轴方向165m，Y轴方向145m，计算域高度42m，计算的迭代次数为500次，模型的网格划分：初始网格2m，初始网格数315456，最小细分级数2，最大细分级数3，远场细分级数2，近场细分级数3，网格总数1158289个，网格数划分不宜太粗糙，需较清晰地辨认出建筑相关构件；限于计算机计算能力有限，也无法划分过大的网格数。冬季服装热阻为1.37clo，夏季服装热阻为0.57。

3.3 切面设置

本次模拟输出结果为距离地面1.5m处的水平切面。

4 模拟结果

4.1 夏季工况模拟结果

见图2～图4

4.2 冬季工况模拟结果

见图5～图7

4.3 模拟结果分析

①分析冬夏季PMV（代表了对同一环境中绝大多数人的冷热感觉，因此可用PMV指标预测热环境下的热反应。PMV与PPD存在一个关系曲线 [6]）云图发现：该建筑室内的热舒适性，冬季PMV（-3～-1.92）和夏季 PMV（2.97～2.68，集中在2.97附近）不满意度较高，故需要安装合适的空调系统改善其热舒适性（冬季供暖、夏季供冷）。

②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[7]，空气龄反映了室内空气的新鲜程度。从冬季和夏季的空气龄云图中发现，大部分的空间房间的空气龄较小且分布较均匀，而卫生间和楼梯间等局部房间较大，需要通过机械通风方式改善。