王鳳華，劉衍香

(閩南理工學院，福建泉州 362700)

在提倡“節(jié)能減排”的社會大環(huán)境下，建筑設計多要求以“節(jié)約能源，提高室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量”為基本準則。良好的自然通風可以代替機械通風，保證房間的正常氣候條件和空氣新鮮。自然通風在節(jié)約能源、改善室內(nèi)空氣品質(zhì)、提高環(huán)境舒適度等方面有著至關重要的作用。

1 自然通風

1.1 自然通風原理及影響因素

建筑物中的自然通風，是由于建筑物開口處存在空氣壓差而產(chǎn)生空氣流動。自然通風雖可帶來許多益處，但若不注重影響通風的不利因素，通風效果將難以保證。目前，建筑設計中影響自然通風的因素主要有建筑朝向、窗戶尺寸、開窗面積比例、窗戶高度和室內(nèi)氣流組織方式等。

1.2 傳統(tǒng)自然通風設計與COMSOL Multiphysics數(shù)值模擬的區(qū)別

在傳統(tǒng)的建筑設計中，設計師在進行通風設計時，大多依靠自身的經(jīng)驗及理論基礎，分析風玫瑰圖，進行自然通風設計。這種做法雖簡單且有一定的準確性，卻無法精確反映室內(nèi)微環(huán)境。相較之下，隨著計算機技術的發(fā)展而興起的數(shù)據(jù)模擬技術則克服了這一缺點。COMSOL Multiphysics建模，以模擬真實條件形成的直觀數(shù)據(jù)為依據(jù)，具有建模速度快，運算能力強，可視化的分析結(jié)果等優(yōu)勢，大大提高了設計的科學性[1]。

本研究將使用COMSOL Multiphysics數(shù)據(jù)模擬，采用同一辦公室內(nèi)不同窗戶尺寸、開窗面積比例、窗戶高度設置對室內(nèi)流場、溫度場等進行模擬預測，對比在相同條件下，不同窗戶尺寸、開窗面積比例、窗戶高度對室內(nèi)微環(huán)境的影響，以期為建筑的設計優(yōu)化提供可靠的參考數(shù)據(jù)。

2 模型建立

2.1 氣象條件與建筑基本條件設置

本研究對象為石獅市某教學樓辦公室，寬為3.2 m，長為5.2 m，高為3.2 m，其中以東西向為長，南北向為寬，以東西向為x方向，南北向為y方向，高為z方向，建筑(窗口)朝向為東南朝向，模型見圖1。假設辦公室以窗口為進風口，門為出風口。

石獅市位于福建泉州，屬于亞熱帶季風氣候地區(qū)，夏熱冬冷，四季分明。其夏季受海陸氣溫差異影響，氣候高溫多雨，室外平均風速為4.97 m/s，多為東南風，與建筑物迎風面垂直。冬季受來自西伯利亞的寒風影響，吹西北風，濕冷刺骨，冬季室外平均風速為7.9 m/s，多為東北風。一般來說，只有在夏季7-8月空調(diào)使用較多，在室外風環(huán)境允許的情況下，為節(jié)約能源，應盡量應用自然通風。本研究主要分析夏季7月辦公室內(nèi)自然通風條件?？諝庠谑覂?nèi)的流動是一個復雜的物理過程，涉及室內(nèi)微環(huán)境的流場、溫度場等多方面內(nèi)容，此選用湍流，k-ε(spf)方程為模型的基礎進行研究。

假設條件:1)室內(nèi)人員靜止不動；2)模型入口風速及溫度均勻；3)夏季室內(nèi)環(huán)境相對濕度為81%；4)模型引用湍流，k-ε(sf)瞬態(tài)方程模擬計算。

圖1 教學樓辦公室模型圖Fig.1 Office model of the teaching building

2.2 邊界條件

辦公室模擬計算進風口風向垂直吹入室內(nèi)，風速為4.97 m/s，且入口空氣溫度為299.15 K；室內(nèi)墻體為無滑移速度、絕熱邊界，室內(nèi)壁面溫度為307.15 K。

3 模擬計算與分析

對窗戶不同開口大小及不同窗臺高度分別進行模擬計算，分為兩階段，共計6次模擬計算。

圖2至圖4表示室內(nèi)窗戶尺寸為600 mm×1200 mm時，窗臺高分別為800、1000、1100 mm時的室內(nèi)流場及速度場分布情況。當窗臺高度為800 mm時，主要使用區(qū)域風速為3～4 m/s，沙發(fā)左側(cè)流線集中且風速大，可沙發(fā)右側(cè)卻基本沒有流線，辦公桌區(qū)域流線也分布較少，另外考慮到辦公桌文件較多的問題，800 mm高的窗臺在風吹入室內(nèi)時容易吹亂桌面的文件，不利于辦公；圖3、圖4室內(nèi)流線分布大致相同，其在人員活動的主要區(qū)域流線分布較為均勻，且風速大致為3～4.5 m/s，較圖2流線分布均勻，當風吹入室內(nèi)時基本能吹過室內(nèi)絕大部分區(qū)域，死角較少，并且窗臺高度在1000 mm以上，高過辦公桌面200 mm，不易對辦公造成不利影響，但圖2至圖4均存在沙發(fā)右側(cè)基本沒有流線這一問題。

圖2 窗臺高800 mm流線Fig.2 Streamline of window sill with height of 800 mm

圖3 窗臺高1000 mm流線Fig.3 Streamline of window sill with height of 1000 mm

圖4 窗臺高1100 mm流線Fig.4 Streamline of window sill with height of 1100 mm

圖5至圖7表示室內(nèi)窗戶尺寸為900 mm×1500 mm時，窗臺高分別為800、1000、1100 mm時的室內(nèi)流場及速度場分布情況。當窗臺高度為800 mm時，主要使用區(qū)域的風速為3～5 m/s，室內(nèi)流線主要分布在沙發(fā)區(qū)域，室內(nèi)流線分布較不均勻；圖6、圖7室內(nèi)流線分布均勻，且主要使用區(qū)域風速大致為3～4 m/s，當風吹入室內(nèi)時基本能吹過室內(nèi)所有區(qū)域，并且由于窗臺高度在1000 mm以上，高過辦公桌面200 mm，不易對辦公桌文件造成不利影響。但圖5較圖6流線分布集中且紊亂。

圖5 窗臺高800 mm流線Fig.5 Streamline of window sill with height of 800 mm

圖6 窗臺高1000 mm流線Fig.6 Streamline of window sill with height of 1000 mm

圖7 窗臺高1100 mm流線Fig.7 Streamline of window sill with height of 1100 mm

經(jīng)過圖2至圖4的對比和圖5至圖7的對比，可知，選用窗臺高度為1100 mm時，比較符合辦公室通風及辦公標準。經(jīng)過圖2與圖5、圖3與圖6、圖4與圖7的對比，可知窗戶尺寸為900 mm×1500 mm時，室內(nèi)流線更均勻。

選用窗臺高度為1100 mm，窗戶尺寸為600 mm×1200 mm和900 mm×1500 mm的房間進行室內(nèi)通風溫度場變化研究。對比圖8至圖11可看出，夏季辦公室使用自然通風時，室內(nèi)溫度基本保持在300K左右，大約為27 ℃，符合人體舒適度標準。而室內(nèi)墻體溫度也基本保持在299～301K，得到了有效的降溫，起到了很好的節(jié)能效果。對比圖8與圖9、圖10與圖11可看出開窗面積越大，室內(nèi)溫度分布越均勻，降溫較好。在不同開窗比例下，室內(nèi)流線也產(chǎn)生了不同變化。當開窗比例為20%時，室內(nèi)流線分布不均，大部分區(qū)域無法得到有效通風，且靠窗位置流線紊亂，部分區(qū)域甚至產(chǎn)生了小旋風；而當滿窗情況下，由圖9與圖11可見，室內(nèi)流線分布均勻，不僅吹過室內(nèi)幾乎所有區(qū)域，且基本不存在小區(qū)域的旋風現(xiàn)象。

綜上所述，可見窗戶尺寸為900 mm×1500 mm，窗臺高1100 mm，滿窗通風的方案最為符合辦公室自然通風要求。

圖8 600 mm×1200 mm 20%開窗溫度場、流線Fig.8 X Temperature field and streamline of 20% open-window(600×1200 mm)

圖9 600 mm×1200 mm滿窗溫度場、流線Fig.9 Temperature field and streamline of full-window(600×1200 mm)

圖10 900 mm×1500 mm 20%開窗溫度場、流線Fig.10 Temperature field and streamline of 20% open-window(900×1500 mm)

圖11 900 mm×1500滿窗溫度場、流線Fig.11 Temperature field and streamline of full-window(900 mm×1500 mm)

4 結(jié)論

本研究使用COMSOL Multiphysics軟件對尺寸為3.2 m×5.2 m×3.2 m的辦公室進行了夏季室內(nèi)自然通風數(shù)值模擬。主要通過模擬不同開窗面積、窗臺高度、開窗比例的室內(nèi)流場及溫度場分布情況，初步得出以下結(jié)論：1)在相同的窗戶尺寸下，開窗高度高于1000 mm時，室內(nèi)的風速、流線分布較均勻，通風效果較好。2)在相同的開窗高度下，窗戶尺寸為900 mm×1500 mm時，室內(nèi)的風速、流線分布較均勻，通風效果較好。3)在相同的窗戶尺寸及開窗高度的條件下，開窗比例的大小對室內(nèi)通風效果有著顯著影響，開窗比例越小，越容易造成室內(nèi)流場分布不均，風進入室內(nèi)速度急，流線、溫度分布不均勻，存在死角區(qū)域，通風效果差，出現(xiàn)小旋風等問題。反之則風速平緩，流線、溫度分布均勻，通風效果較好。