基于PHOENICS 的某公共建筑在自然通风条件下室内环境研究

王凯，闵杰，王海涛

（安徽建筑大学 环境与能源工程学院，安徽 合肥 230601）

室内空气品质和热湿环境构成室内环境，而营造合理的通风组织是保障良好室内环境的常用方式。通风主要分为机械通风和自然通风，其主要目的是为室内送进新风和排出污染空气。现代人每天将超过70%的时间花在室内，这强调了舒适室内环境的重要性。与机械通风相比，自然通风是一种简单、低成本的方法，是可持续健康室内环境的重要被动建筑设计策略。

国内外学者对于建筑室内自然通风进行了大量研究，李立力等研究表明，建筑物内外表面压力差小于5 Pa，有利于夏季自然通风并且符合冬季防风的要求。杨丽等通过CFD 软件模拟分析了不同通风方式对室内空气环境质量的影响，得出转换通风在速度场、热舒适性和改善室内空气品质方面都明显优于传统的上送上出通风方式。Benni等在意大利进行了一项二维研究，发现最佳的自然通风配置是带有封闭迎风屋顶的开放侧壁，此种配置消除了室内64%的热量。

自然通风对建筑节能十分重要。但是在夏热冬冷地区的夏季，通过自然通风对室内热环境进行调节存在一个室外气象温度上限。由于公共建筑室内环境相对复杂，室内通风组织受各种因素影响，揭示其分布规律比较困难，通过实验研究不仅耗资巨大，而且受各种条件限制，实验周期很长，并且难以得到室内空气流动的全部特征，局限性很大。现阶段由于计算机技术已经有了很大的发展，发展出了计算流体力学方法，这种方法通过计算机建立物理分析模型并进行数值计算和后处理得到的图像显示，以更经济的成本提供快速和精确的模拟，对包含流体流动和热传导等相关物理现象的系统进行分析。

基于此，本文使用CFD 方法通过对某公共建筑在夏季和过渡季的室内风环境的变化进行模拟以及评价其是否达到绿色建筑标准，同时进行了分析，对该建筑的气流组织速度场、室内空气龄场、室内温度场等指标进行了评价，为该地区的绿色建筑建设和设计提供一定的参考。

1 项目介绍

该项目总建筑面积185 687 m，其中地上总建筑面积为148 693 m，地下建筑面积为36 994 m，地上建筑包含主楼、辅楼、门卫、二期工程。容积率1，建筑密度15%，绿地率40%。项目设置地上停车位200 个，地下停车位700 个。

其中绿色建筑规划设计仅包含主楼，建筑功能地上为办公、新闻发布中心、调度中心、职工娱乐、职工健身、图书馆及配套用房。地下二层主要为机动车停车库及大楼配套设备用房。地下一层主要为职工设施包括职工活动、图书馆、职工休息、健身房及商店等。

图1 某办公中心效果图

2 数值模拟方法

2.1 原理介绍

自然通风是一种由自然风压和室内外温差造成的热压提供动力的通风方式。建筑的自然通风是通过围护结构上的门、窗等开口，利用开口处的空气温差、空气密度差促使空气流动，引导建筑室内外空气进行流动交换。建筑的自然通风受风速、风向及围护结构开口面积等因素直接影响，具有较大的变化性和不可控性。

建筑自然通风模拟属于室内不可压缩流体三维稳态问题。基于空气湍流特性的微观解析，主要方法是采用Launder 及Spalding 等提出的一种平均湍流能量模型——k-ε，在处理室内自然通风问题时，该模型具有收敛稳定性良好且速度较快的特点，选用该模型能够在保证计算质量的同时适当地节约计算资源。在k-ε 双方程模型求解湍流对流换热问题中，由动量方程、能量方程、连续性方程以及k-ε 方程组成控制方程。

（1）连续性方程，流入该微元体的净质量即等于微元体中流体质量的增量，对不可压缩流体，简化为：

（2）动量方程，即作用在微元体上各种力之和等于其流体动量的增值，简化为：

（3）能量方程，即微元体热力学能的增量等于进入微元体的净热流量对微元体所做的功，简化为：

式中：λ——导热系数。

2.2 物理模型

根据平面设计图，采用Auto CAD 软件进行建模。并进行了合理的简化，如覆盖设备用房、楼梯间等。自然界的平均风速随着高度增加而增大，故进行建筑室内自然通风数值模拟时宜选取最不利于建筑室内自然通风的楼层，主楼一层和塔楼五层分别是主楼最低层和塔楼最低层，以此典型楼层建立物理几何模型（图2 ～图5）：

图2 主楼一层几何模型

图3 主楼一层计算网格图

图4 塔楼五层几何模型

图5 塔楼五层计算网格图

2.3 气象参数

地理位置：该地区建筑气象分区为夏热冬冷，经度：117.02，纬度：32.47，海拔：18.7m；

夏季工况：夏季大气压力1002.6 hPa，通风室外干球温度31.3℃，通风室外相对湿度为66%，最多风向为CE，最多风向平均风速2.8 m/s；

过渡季工况：过渡季大气压力1012.6 hPa，通风室外干球温度21℃，通风室外相对湿度为57%，最多风向为CE，最多风向平均风速3.1 m/s；

2.4 初始边界条件设置

在数值模拟中，前处理包括建立物理模型、建立反应问题各量之间的微分方程以及定解条件即设置边界条件，能否正确设置边界条件直接影响到计算过程能否收敛与模拟结果的准确性。本次模拟根据当地夏季和过渡季的主导风向及主导风向下的平均风速（表1），以及相对应的室外通风干球温度作为模拟的温度边界。采用室外风环境模拟的最不利工况下的压力分布（图6 ～图9），作为室内自然通风窗口的压力边界。

表1 某地主导风向及主导风向下的平均风速

图6 和图7 分别为本项目夏季东南侧和西北侧的表面压力分布云图。室外风压值为-10～6.25 Pa，可以看到，建筑东南侧与西北侧存在至少10 Pa 的表面压力差。李立力等研究表明，建筑表面压力差不小于5 Pa 就可以满足室内自然通风。图8 和图9 分别为本项目过渡季东南侧和西北侧的表面压力分布云图，如图所示，在过渡季，建筑物东南侧与西北侧的压力差值大约为5 Pa，在这种条件下能够满足过渡季的室内通风要求。

图6 夏季东南侧表面压力分布云图

图7 夏季西北侧表面压力分布云图

图8 过渡季东南侧表面压力分布图

图9 过渡季西北侧表面压力分布图

2.5 数值计算方法

计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）的基本原理是用有限个离散点的变量值来表示原来连续的物理量，用其集合来表示物理量的场（如温度场、压力场、速度场），通过求解由特定原则建立的代数方程组来获得场的近似值。此次选用PHOENICS 软件进行边界条件设计、计算及后处理，然后使用Photoshop 软件进行结果处理。

3 模拟结果分析

根据物理分析模型特征和数值模拟，主要分析夏季与过渡季建筑典型层室内在自然通风条件下的风环境和热环境，如室内1.2 m 高度（坐姿呼吸区）自然气流的风压、风速、空气龄等室内关键风环境指标以及坐姿呼吸区的室内温度场。

3.1 夏季自然通风情况

为充分反映室内风环境对人体的影响，在夏季室外模拟风压下针对室内1.2 m（坐姿呼吸区）处进行模拟计算（图10 ～图15）。

图10 主楼一层夏季室内速度云图

图11 主楼一层夏季室内空气龄云图

如图10 所示，在夏季，办公一层楼主要功能空间1.2 m 高度（坐姿呼吸区）风速基本在2 m/s 以下，极小部分死角区域风速小于0.25 m/s；塔楼五层楼1.2 m 高度（坐姿呼吸区）风速基本在1.4 m/s 以下，局部死角区域风速偏小，辅助机械通风之后，不影响人员室内活动；图12 和图15 为室内温度云图，可以看到，室内温度基本与当地室外通风计算温度持平，局部区域略高于31.3 ℃。图11 和图13 为建筑模拟楼层室内的空气龄云图，通过观察发现，办公一层楼和塔楼五层楼由于自然通风得到的空气龄大致在110～225 s 之间，只有局部死角区域空气龄在900 s 以上。由于室内外压差较大，门窗开启比较充分，室内通风顺畅，室内主要功能房间通风换气次数在均在16 次/h 以上，远远大于绿色建筑标识设计要求的至少2 次/h。经过计算，满足2次/h 换气次数要求的房间面积比例达到95%。

图12 主楼一层夏季室内温度云图

图13 塔楼五层楼夏季室内速度云图

图14 塔楼五层楼夏季室内空气龄云图

图15 塔楼五层夏季室内温度云图

3.2 过渡季自然通风情况

过渡季室外模拟风压下针对室内1.2 m 高度处进行模拟计算（图16 至图21）。

在过渡季，办公一层楼1.2 m（坐姿呼吸区）最大风速为2 m/s，大部分区域空气速度在1.2 m/s 以上，塔楼五层楼坐姿呼吸区平均风速为0.35 m/s，局部死角区域风速偏小，辅助机械通风之后，不影响人员室内活动。图18 和图21 为室内温度云图，由于自然通风充分，室内主要功能区域温度基本在22℃左右，主楼一层极少部分区域超过26℃，该区域面积占比为6.3%且均为资料室或办公室死角。图17 和图20 为模拟楼层室内的空气龄云图，通过观察发现，办公楼一层和塔楼五层楼由于自然通风得到的空气龄基本在225 s 以下，办公楼一层北部和塔楼五层西南角空气龄在600 s 以上，局部死角区域空气龄在1000 s 以上。虽然局部空气龄较大，但也基本满足3 次/h 的通风换气要求。由于室内外压差较大，门窗开启比较充分，室内通风顺畅，室内主要功能房间通风换气次数均能满足大于3 次/h。

图16 主楼一层过渡季室内速度云图

图17 主楼一层过渡季室内空气龄云图

图18 主楼一层过渡季室内温度云图

图19 塔楼五层楼过渡季室内速度云图

图20 塔楼五层楼过渡季室内空气龄云图

图21 主楼一层过渡季室内温度云图

4 结论

（1）夏季及过渡季时，室内空气分布比较均匀，空气流动死角区域小，换气次数大于16 次/h 的房间面积占比达到95%，风速变化较小，且新风量较大，室内空气品质较好。在夏季，由于建筑物内外表面压差在5 Pa 以上，达到自然通风的压差要求，可以满足建筑空间内一定程度的温湿度要求，风速均小于2 m/s，能够达到标准。但夏季采用自然通风对室内环境进行调节存在一个室外气象温度上限，超过此上限仅采用自然通风无法达到营造室内良好舒适风环境的目的，需要采用空调系统和新风系统来维持。

（2）在过渡季由于自然通风充分，室内主要功能区域温度基本在22 ℃左右。过渡季在室外风环境相对稳定均匀的初夏或秋季，使用自然通风调节可完全替代空调系统来维持室内良好的热环境。

（3）该建筑室内环境达到了绿色建筑的评价标准，通过合理的建筑布局营造出符合国家标准的良好室内环境，可以为该地区绿色建筑项目的规划和设计提供参考。室内环境是绿色建筑评价中的重要指标，在规划设计的初期就要重视项目的室内环境的分析、优化，为建造舒适环保的室内空间提供理论支持。