基于绿色建筑理念的夏热冬冷地区小型公共建筑节能设计实践

曲 艺

（同圆设计集团股份有限公司烟台分公司，山东 烟台 264003）

绿色建筑理念强调在建筑设计和建造过程中，充分利用太阳能、风能等可再生能源，采用节能建筑围护结构、采暖和空调等设备，以及根据自然通风的原理设置风冷系统等措施，以实现建筑全生命周期的节能减排降耗，达到节水、节电、节能、节材和减少环境污染等目的[1]。在全球面临日益严重的能源危机和环境污染问题的背景下，绿色建筑和节能设计成为了建筑行业的重要发展方向。特别是在夏热冬冷地区的公共建筑，由于气候的特殊性，对空调和暖气的需求极大，能源消耗的增加给节能设计带来了额外的挑战[2-3]。在夏热冬冷地区的绿色建筑节能设计中，室内风环境是重要的考虑因素。良好的室内风环境可以提高建筑内的舒适度和能源利用效率，减少对机械通风的依赖，因此，研究室内风环境的变化对于建设绿色节能设计具有十分重要的现实意义。研究基于绿色建筑理念，依托某社区便民服务中心项目，运用数值模拟手段对建筑内的自然风环境进行模拟分析，研究风环境变化对建筑冬季和夏季的节能效果影响，研究成果为小型公共建筑的节能设计提供参考和借鉴。

1 工程概况

某社区便民服务中心建筑占地面积为202 m2，总建筑面积为990 m2，为4 层框架结构，建筑总高度为15.50 m，建筑立面如图1 所示。首层建筑的结构层高为3 600 mm，2～4 层的建筑结构层高为3 300 mm，屋顶高度为2.0 m。

图1 建筑立面图

场区位于典型的亚热带季风湿润气候，具有独特的气候特征，四季分明，冬冷夏热，无霜期长，降水丰沛，雨热同季。区域年平均气温17 ℃，极端最高气温40.2℃，极端最低气温-5.4℃；年平均降雨量962 mm；年日照时数1 443.3 h；无霜期338 d。2022年对建筑场区内温度和湿度进行实测，结果如图2 所示。从图2中可以看出，建筑场区的空气湿度表现为春季和冬季大、秋季和夏季小的特点，春季和冬季的空气湿度在70%左右剧烈变化，而夏季的湿度在65%左右，秋季的湿度在55%左右，这是因为场区周边地形以浅丘陵为主，盆地底部和周边山地形成的坝址容易在春季和冬季积累空气湿度，而温度则表现为夏季和秋季高、春季和冬季低的特点，冬半年（11月至次年4月）主要吹偏北风，温度相对较低，空气平均风速约3.0 m/s，而夏半年（5～10月）主要吹偏南风，温度相对较高，空气平均风速约4.0m/s，同时受到季风气候的影响，气温和降雨在时间上基本一致，具有时间分布不均的特性，表现为3～7月降雨量约为全年总降雨量的50%～70%，而7～9月降雨量则逐月减小。

图2 场区全年空气温度和空气湿度变化情况

2 小型公共建筑室内外风环境数值模拟方法

为了充分提高小型公共建筑节能效率，利用自然风是行之有效的方法，借助数值模拟软件，模拟室外风环境与室内自然通风的流体场，认识风场的流动规律，充分利用室外自然冷源，增加空气的流通，降低夏季室内环境的问题，进而改善室内环境，保证室内空气品质和室内活动人员的热舒适性，减少空调及降温设备导致的能源消耗[4-5]。通过小型公共建筑室内外风场环境的数值模拟，可以为建筑自然通风及节能设计提供相应的技术指导。

基于空气流体动力学（CFD）基本理论，研究选用具有良好数据可视化及强大前后处理功能的数值模拟软件（PHOENICS 2019 通用流体分析软件）作为计算工具，计算自主生成模型网格，并对风场环境数学模型进行迭代求解，输出风场压力、风场速度等云图[6]。结合建筑物的平面图和周边环境，研究确定室外场地的计算范围为1 000 m（长）×1 000 m（宽）×400 m（高），采用结构网格进行划分，网格空间大小为150 m（长）×150 m（宽）×50 m（高），根据实际测试的风速环境，取最不利风场环境进行计算，设定地面的粗糙度为A 类，参考高度（空气中距离地面1.5 m 位置）冬季风速和夏季风速分别为3.0 m/s、4.0 m/s，风速轮廓呈幂指数分布规律，如公式（1）所示。

计算中，空气的流动为不可压缩的低速湍流，其运动控制方程满足空气动力学连续性方程、动量方程、湍流动能方程和耗散率方程，计算方法如公式（2）～公式（5）所示。

考虑到建筑物与气流之间的接触形成限制流，空流流速在进口和出口之间存在速度差，因此，模型的边界条件设立非稳态紊流边界，室内外空气为理想流体，入口冬季送风速度和夏季送风速度分别为3.0 m/s、4.0 m/s，出口压力为0 Pa，建筑无墙体设置为绝热无滑移边界条件，建筑物窗户开启为50%首层窗户打开。

3 小型公共建筑室内外风环境数值模拟结果分析

图3 为建筑物室内外风场压力分布计算云图。从图3 中可以看出，在室外自然风作用下，建筑物室内外的风压场呈现明显的南北向差异，表现为南侧迎风面为正压强，而北侧背风面为负压强，正压强的压力值范围为8～9 Pa，负压强的压力值范围为-3～-4 Pa，因此，南北之间的风压力差大达到11～13 Pa，为自然通风的形成提供了有利条件，室内的风场压力也由于室外大环境的风环境压强变化、建筑物南北窗户的通透性而产生变化。

图3 建筑物室内外风场压力分布计算云图

图4 为建筑物室内外风场速度分布计算云图。从图4 中可以看出，室外自然风在传播的过程，由于建筑物为自然障碍，阻挡了自然风的传播路径，使得自然风在空间上分布不均匀，南北向的风速差异巨大。在南侧迎风面的自然风风速存在局部的速度低值，而穿过建筑物后，北侧背风面存在大区域的速度低值，风场环境为紊流状态，局部呈现涡流，在速度低值外围则出现明显的速度高值边界，建筑物室内的风场速度也发生了明显的变化。

图4 建筑物室内外风场速度分布计算云图

图5 为建筑物室内首层平面风场压力分布计算云图。从图5 中可以看出，房间的风场压力随着室外环境风压的变化而变化，风压逐渐从南侧房间由正值向北侧房间传递，风场压力的梯级分布有利于形成自然穿堂风，同时在南侧房间中间部位形成较大的正压，风压压差超过了自然通风形成所需的10 Pa临界条件，因此，在夏季可以在非空调时段，通过开启窗户的手段，利用夏季自然风场获取良好的自然通风，降低室内热环境，提高室内活动人员的舒适度。

图5 建筑物室内首层平面风场压力分布计算云图

图6 为建筑物室内首层平面风场速度分布计算云图。从图6中可以看出，在自然风条件下，室内风场速度分布范围为2.5～4.71 m/s，南北房间各个区域均有自然风达到，气流组织较好，室内通风状态良好，无明显气流盲区现象存在。

图6 建筑物室内首层平面风场速度分布计算云图

图7 为建筑物室内5s 时刻空气龄分布计算云图。空气龄是指空气质点自进入房间至到达室内某点所经历的时间，反映了房间排除污染物能力和室内空气的新鲜程度，可以综合衡量房间的通风换气效果，是评价室内空气品质的重要指标。室内平均空气龄小的房间，去除污染物的能力越强，说明该房间的空气越新鲜，空气品质就越好。从图7 中可以看出，在自然通风作用下，空气气流均能到达每个房间，但在北侧面积最大的房间存在空气龄较大的现象，导致空气滞留时间较长，因此，可以通过将其门位置适当居中，与南侧最大房间的门形成对应关系，或者在北侧加设一扇窗户，增加空气的对流。

图7 建筑物室内5 s 时刻空气龄分布计算云图

4 结语

以某社区便民服务中心为研究对象，运用数值模拟的手段，对建筑物室内外的风场环境进行计算，研究室内外风场风压、风速和风龄的变化规律，得到以下几个规律。

（1）在室外自然风作用下，表现为南侧迎风面为正压强。

（2）室外自然风在传播的过程中，由于建筑物为自然障碍，使得自然风在南侧迎风面的自然风风速存在局部的速度低值，而穿过建筑物后，北侧背风面存在大区域的速度低值。

（3）房间的风场压力随着室外环境风压的变化而变化，风压逐渐从南侧房间由正值向北侧房间传递，风场压力的梯级分布有利于形成自然穿堂风。