采用CFD技术对某实验楼室内自然通风进行模拟分析研究

冯薇，刘臣厚

（1.中国建筑设计研究院有限公司，北京 100044；2.北京格力中央空调工程有限公司，北京 100055）

1 前言

为了贯彻落实关于加强节能减排工作的战略部署，建设资源节约型、环境友好型社会，推动绿色建筑与建筑节能相关工作，指导本地区绿色建筑与建筑节能的设计、施工，打造绿色建筑与建筑节能模式，国家出台了《绿色建筑评价标准》，要求“新建国家机关办公建筑、大型公共建筑（单体建筑面积2万平方米以上）学校、医院、建筑面积15万平方米以上的住宅小区、土建和装修一体化设计和施工的建筑应当按照绿色建筑标准进行规划、设计及建设”。

自然通风作为一种有效的被动式节能策略，不仅能利用可再生能源最大限度地降低不可再生能源的消耗，而且能改善室内空气品质，更大限度地为人们提供健康舒适的室内环境，符合绿色建筑的发展趋势，已经被越来越多的人所接受。

2 项目概况

2.1 建筑概况

本项目为北京某实验楼，项目地点位于北京怀柔区。建筑面积8500㎡，地上二层，建筑高度14.6m。主要建筑功能为实验室及附属用房（图1）。

图1 实验楼效果图

2.2 气候状况

工程所处地区按中国建筑气候区划为Ⅱ级区北纬39°57'，属寒冷地区。最冷月平均气温-4.6℃；最热月平均气温25.8℃。相对湿度最冷月平均45%；最热月平均78%。平均年总降水量627.6mm，最大积雪深度24cm，最大冻土深度85cm。年雷暴日数35.7，主导风向夏季为南偏西，冬季主导风向为北偏西。

2.3 通风概述

自然通风是利用风压和热压(烟囱效应)两种驱动力进行的通风，是当今绿色建筑所普遍应用的一项重要技术措施。人们利用自然通风主要是利用其两大功能：一是通风降温（除湿），借以改变室内热环境（热舒适）状态；二是通风换气，借以改善室内空气质量状态（如增新风、排除各种有害气体等）。

（1）风压产生的自然通风。当风压的作用远大于热压作用，如当室外风速很大时，可只考虑风压作用。建筑迎风面和背风面的风压差促使空气从处于迎风面的风口进入室内而从背风面的风口排出，从而形成风力驱动的自然通风。建筑物周围的风压分布与建筑的几何形状和室外风向有关。风向一定时，建筑物外围结构上某一点的风压值可用式（1）表示：

式中，fP为风压值，aP，k为空气动力系数，与建筑形状和风向相对应，通常由风洞模型实验确定；wρ为室外空气密度，kg/m3；vw为未受扰动来流速度，m/s。

由于风速在近地层随高度有较大的变化，平均风速随高度变化的规律可用指数函数来描述，其表达式如式（2）所示。

式中，vw为高度H处的风速，m/s；H为任一点的高度，m；v10为标准高度(常取 10m)处的平均风速，m/s；α为地面粗糙系数，其值根据《建筑结构荷载规范》GB 50009—2012，地面粗糙度可分为A、B、C、D四类：A类指近海海面和海岛、海岸、湖岸及沙漠地区，指数为0.12；B类指田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的乡镇，指数为0.16；C 类指有密集建筑群的城市市区，指数为0.22；D类指有密集建筑群且房屋较高的城市市区，指数为0.30。

（2）热压产生的自然通风。当风压作用比热压作用弱，例如，当室外风速很小而室内外温差很大时，可只考虑热压作用。当室内外空气存在密度差时，密度小的空气向上运动，密度大的空气向下运动而形成的自然通风，称热压作用的自然通风。在建筑内，由人体、灯光、设备、太阳辐射等产生大量的热，当室外空气温度低于室内温度时，可以利用热压的抽吸作用或烟囱效应将室外空气引入室内。热压是由室内外密度差引起的。热空气上升从建筑上部风口排出，室外新鲜的冷空气从建筑底部被吸人，热压作用与进排风口高度差的关系可以用式（3）表示。

式中，heatPΔ 为热压作用，Pa；0ρ为室外空气密度，kg/m3；H为进排风口高度差，m；β为空气膨胀系数；Ti，T0分别为室内外温度平均值，K。

（3）综合作用下的自然通风。利用风压和热压来进行自然通风往往是互为补充，密不可分的。目前，为了更准确地预测风压和热压什么时候加强什么时候削弱，热压和风压综合作用下的自然通风机理还在探索中。通常可用公式（4）来计算综合作用时的通风量。

式中，Q为综合作用时的通风量，m3/s；Qw为风压单独作用下通风量，m3/s；Qh为热压单独作用下通风量，m3/s。

根据项目室外风环境模拟结果可知，本实验楼各季节的建筑前后压差都较有利于室内利用自然通风，故本项目主要考虑风压通风，通过设置外窗开启扇实现被动式通风节能。

3 技术路线

本模拟研究主要对该实验楼室内主要功能房间的室内空气的流速进行模拟分析，验证其室内自然通风效果是否满足《绿色建筑评价标准》DB11/T825-2015第8.2.10条对自然通风设计提出了明确的相关要求，模拟分析时根据本项目室外风环境模拟计算结果设定边界条件。

3.1 分析方法

建筑室内通风的预测方法目前主要有区域模型、模型实验以及计算流体力学方法。

区域模型是将房间划分为一些有限的宏观区域，认为区域内的相关参数如温度、浓度相等，通过建立各区域的质量和能量守恒方程得到房间的温度分布以及流动情况，实际上模拟得到的还只是一种相对“精确”的集总结果，且在机械通风中的应用还存在较多问题。

模型实验属于实验方法，需要较长的实验周期和昂贵的实验费用，搭建实验模型耗资很大，且对于不同的条件，可能还需要多个实验，耗资更多，周期也长达数月以上，难以在工程设计中广泛采用。而且，为了满足所有模型实验要求的相似准则，其要求的实验条件可能也难以实现。

CFD模拟是从微观角度，针对某一区域或房间，利用质量、能量及动量守恒等基本方程对流场模型进行求解，分析其空气流动状况。采用CFD对自然通风模拟，主要用于自然通风风场布局优化和室内流场分析，以及对象中庭这类高大空间的流场模拟，通过CFD提供的直观详细的信息，便于设计者对特定的房间或区域进行通风策略调整，使之更有效地实现自然通风。

本研究采用CFD技术对该实验楼室内主要功能房间的自然通风效果进行模拟。研究中综合考虑流场、风速以及空气龄对项目室内自然通风状况进行分析评价。

3.2 湍流模型

模拟中采用标准κ-ε模型求解实验楼室内自然通风状况，涉及的控制方程主要包括连续性方程、动量方程、能量方程，可以写成如下通用形式（5）：

该式中的φ可以是速度、湍流动能、湍流耗散率以及温度等。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

表1中的常数如下：

尽管室内自然通风流速较低，但在复杂的边界条件下，室内气流呈现为湍流状态。本报告采用k-ε湍流模型，该模型已经得到了大量工程应用的验证，可靠性高。

自然对流中，浮升力起主导作用，所以动量方程中密度的变化采用Boussinesq假设处理，即输入一个空气的膨胀系数，近似认为密度的变化与温度的变化成线性关系，满足式（6）：

其中，为β膨胀系数。

3.3 几何模型

几何计算模型图如图2所示。

图2 几何计算模型图

本研究根据建筑设计图纸以及其他相关资料建立该实验楼室内自然通风模拟模型，模型中通风开口尺寸按照可开启部分有效面积设置。

本次研究主要分析实验楼的典型层室内气流组织，主要分析办公、实验室等主要功能空间，卫生间、电梯等非主要功能空间不在本次分析范围内。

3.4 边界条件

根据室外风环境分析结果确定目标建筑表面门窗风压，作为室内通风分析的边界条件。

4 模拟分析

S1室内自然通风计算分析：

（1）流场。图3～4距楼面1.2m（坐姿呼吸区）高度处的流场分布情况。图中可见，建筑两侧风口位置的分布利于“穿堂风”的形成，部分位置气流受内墙阻挡产生涡流，大部分区域气流分布均匀。总体上说，各主要功能房间室内气流都较强，通风效果较好。

图3 距一层楼面1.2m高度流场分布

（2）风速。图5～6为距楼面1.2m（坐姿呼吸区）高度处的风速分布情况。图中可见，局部风速较大，其他部分区域的风速相对较小。总体上看，风速较大区域，可以通过调节外窗的开口大小减小风速，避免不适感的产生，以达到 非空调情况下室内舒适风速的要求。

图4 距二层楼面1.2m高度流场分布

图5 距6层楼面1.2m高度风速分布

图6 距9层楼面1.2m高度风速分布

表2 通风量情况分析

图8 距9层楼面1.2 m高度空气龄分布

（3）空气龄。图7～8各层楼面1.2m（坐姿呼吸区）高度处的空气龄分布情况。图中可见，各层建筑平面区域空气龄在500s以内。总体上看，各层区域均能保证室内的空气质量，主要功能房间通风效果相对较优。

图7 距6层楼面1.2m高度空气龄分布

（4）通风量。经统计，在门窗可开启部分均开启时，各楼层室内主要功能空间的整体通风量情况见表3，各层均满足在自然通风条件下保证主要功能房间换气次数不低于2 次/h的要求。

5 结语

本次研究通过对北京实验楼室内主要功能空间在夏季主导风向平均风速条件下的自然通风状况进行模拟分析，得出以下结论：

本实验楼两侧风口位置的分布利于“穿堂风”的形成，部分位置气流受内墙阻挡产生涡流，大部分区域气流分布均匀。

在夏季主导风向平均风速边界条件下，该实验楼楼的人体活动区域部分位置风速在1.4m/s以上，可通过控制外窗开启来调节室内风速以满足非空调情况下室内舒适风速要求。

在夏季主导风向平均风速边界条件下，实验楼室内主要功能空间的换气效率均在2次/h以上，面积达97%，满足在自然通风条件下保证主要功能房间的平均自然通风换气次数不小于2次/h的面积比例达到60%的要求。