馮薇，劉臣厚

（1.中國建筑設(shè)計研究院有限公司，北京 100044；2.北京格力中央空調(diào)工程有限公司，北京 100055）

1 前言

為了貫徹落實(shí)關(guān)于加強(qiáng)節(jié)能減排工作的戰(zhàn)略部署，建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會，推動綠色建筑與建筑節(jié)能相關(guān)工作，指導(dǎo)本地區(qū)綠色建筑與建筑節(jié)能的設(shè)計、施工，打造綠色建筑與建筑節(jié)能模式，國家出臺了《綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》，要求“新建國家機(jī)關(guān)辦公建筑、大型公共建筑（單體建筑面積2萬平方米以上）學(xué)校、醫(yī)院、建筑面積15萬平方米以上的住宅小區(qū)、土建和裝修一體化設(shè)計和施工的建筑應(yīng)當(dāng)按照綠色建筑標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行規(guī)劃、設(shè)計及建設(shè)”。

自然通風(fēng)作為一種有效的被動式節(jié)能策略，不僅能利用可再生能源最大限度地降低不可再生能源的消耗，而且能改善室內(nèi)空氣品質(zhì)，更大限度地為人們提供健康舒適的室內(nèi)環(huán)境，符合綠色建筑的發(fā)展趨勢，已經(jīng)被越來越多的人所接受。

2 項目概況

2.1 建筑概況

本項目為北京某實(shí)驗樓，項目地點(diǎn)位于北京懷柔區(qū)。建筑面積8500㎡，地上二層，建筑高度14.6m。主要建筑功能為實(shí)驗室及附屬用房（圖1）。

圖1 實(shí)驗樓效果圖

2.2 氣候狀況

工程所處地區(qū)按中國建筑氣候區(qū)劃為Ⅱ級區(qū)北緯39°57'，屬寒冷地區(qū)。最冷月平均氣溫-4.6℃；最熱月平均氣溫25.8℃。相對濕度最冷月平均45%；最熱月平均78%。平均年總降水量627.6mm，最大積雪深度24cm，最大凍土深度85cm。年雷暴日數(shù)35.7，主導(dǎo)風(fēng)向夏季為南偏西，冬季主導(dǎo)風(fēng)向為北偏西。

2.3 通風(fēng)概述

自然通風(fēng)是利用風(fēng)壓和熱壓(煙囪效應(yīng))兩種驅(qū)動力進(jìn)行的通風(fēng)，是當(dāng)今綠色建筑所普遍應(yīng)用的一項重要技術(shù)措施。人們利用自然通風(fēng)主要是利用其兩大功能：一是通風(fēng)降溫（除濕），借以改變室內(nèi)熱環(huán)境（熱舒適）狀態(tài)；二是通風(fēng)換氣，借以改善室內(nèi)空氣質(zhì)量狀態(tài)（如增新風(fēng)、排除各種有害氣體等）。

（1）風(fēng)壓產(chǎn)生的自然通風(fēng)。當(dāng)風(fēng)壓的作用遠(yuǎn)大于熱壓作用，如當(dāng)室外風(fēng)速很大時，可只考慮風(fēng)壓作用。建筑迎風(fēng)面和背風(fēng)面的風(fēng)壓差促使空氣從處于迎風(fēng)面的風(fēng)口進(jìn)入室內(nèi)而從背風(fēng)面的風(fēng)口排出，從而形成風(fēng)力驅(qū)動的自然通風(fēng)。建筑物周圍的風(fēng)壓分布與建筑的幾何形狀和室外風(fēng)向有關(guān)。風(fēng)向一定時，建筑物外圍結(jié)構(gòu)上某一點(diǎn)的風(fēng)壓值可用式（1）表示：

式中，fP為風(fēng)壓值，aP，k為空氣動力系數(shù)，與建筑形狀和風(fēng)向相對應(yīng)，通常由風(fēng)洞模型實(shí)驗確定；wρ為室外空氣密度，kg/m3；vw為未受擾動來流速度，m/s。

由于風(fēng)速在近地層隨高度有較大的變化，平均風(fēng)速隨高度變化的規(guī)律可用指數(shù)函數(shù)來描述，其表達(dá)式如式（2）所示。

式中，vw為高度H處的風(fēng)速，m/s；H為任一點(diǎn)的高度，m；v10為標(biāo)準(zhǔn)高度(常取 10m)處的平均風(fēng)速，m/s；α為地面粗糙系數(shù)，其值根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB 50009—2012，地面粗糙度可分為A、B、C、D四類：A類指近海海面和海島、海岸、湖岸及沙漠地區(qū)，指數(shù)為0.12；B類指田野、鄉(xiāng)村、叢林、丘陵以及房屋比較稀疏的鄉(xiāng)鎮(zhèn)，指數(shù)為0.16；C 類指有密集建筑群的城市市區(qū)，指數(shù)為0.22；D類指有密集建筑群且房屋較高的城市市區(qū)，指數(shù)為0.30。

（2）熱壓產(chǎn)生的自然通風(fēng)。當(dāng)風(fēng)壓作用比熱壓作用弱，例如，當(dāng)室外風(fēng)速很小而室內(nèi)外溫差很大時，可只考慮熱壓作用。當(dāng)室內(nèi)外空氣存在密度差時，密度小的空氣向上運(yùn)動，密度大的空氣向下運(yùn)動而形成的自然通風(fēng)，稱熱壓作用的自然通風(fēng)。在建筑內(nèi)，由人體、燈光、設(shè)備、太陽輻射等產(chǎn)生大量的熱，當(dāng)室外空氣溫度低于室內(nèi)溫度時，可以利用熱壓的抽吸作用或煙囪效應(yīng)將室外空氣引入室內(nèi)。熱壓是由室內(nèi)外密度差引起的。熱空氣上升從建筑上部風(fēng)口排出，室外新鮮的冷空氣從建筑底部被吸人，熱壓作用與進(jìn)排風(fēng)口高度差的關(guān)系可以用式（3）表示。

式中，heatPΔ 為熱壓作用，Pa；0ρ為室外空氣密度，kg/m3；H為進(jìn)排風(fēng)口高度差，m；β為空氣膨脹系數(shù)；Ti，T0分別為室內(nèi)外溫度平均值，K。

（3）綜合作用下的自然通風(fēng)。利用風(fēng)壓和熱壓來進(jìn)行自然通風(fēng)往往是互為補(bǔ)充，密不可分的。目前，為了更準(zhǔn)確地預(yù)測風(fēng)壓和熱壓什么時候加強(qiáng)什么時候削弱，熱壓和風(fēng)壓綜合作用下的自然通風(fēng)機(jī)理還在探索中。通?？捎霉剑?）來計算綜合作用時的通風(fēng)量。

式中，Q為綜合作用時的通風(fēng)量，m3/s；Qw為風(fēng)壓單獨(dú)作用下通風(fēng)量，m3/s；Qh為熱壓單獨(dú)作用下通風(fēng)量，m3/s。

根據(jù)項目室外風(fēng)環(huán)境模擬結(jié)果可知，本實(shí)驗樓各季節(jié)的建筑前后壓差都較有利于室內(nèi)利用自然通風(fēng)，故本項目主要考慮風(fēng)壓通風(fēng)，通過設(shè)置外窗開啟扇實(shí)現(xiàn)被動式通風(fēng)節(jié)能。

3 技術(shù)路線

本模擬研究主要對該實(shí)驗樓室內(nèi)主要功能房間的室內(nèi)空氣的流速進(jìn)行模擬分析，驗證其室內(nèi)自然通風(fēng)效果是否滿足《綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》DB11/T825-2015第8.2.10條對自然通風(fēng)設(shè)計提出了明確的相關(guān)要求，模擬分析時根據(jù)本項目室外風(fēng)環(huán)境模擬計算結(jié)果設(shè)定邊界條件。

3.1 分析方法

建筑室內(nèi)通風(fēng)的預(yù)測方法目前主要有區(qū)域模型、模型實(shí)驗以及計算流體力學(xué)方法。

區(qū)域模型是將房間劃分為一些有限的宏觀區(qū)域，認(rèn)為區(qū)域內(nèi)的相關(guān)參數(shù)如溫度、濃度相等，通過建立各區(qū)域的質(zhì)量和能量守恒方程得到房間的溫度分布以及流動情況，實(shí)際上模擬得到的還只是一種相對“精確”的集總結(jié)果，且在機(jī)械通風(fēng)中的應(yīng)用還存在較多問題。

模型實(shí)驗屬于實(shí)驗方法，需要較長的實(shí)驗周期和昂貴的實(shí)驗費(fèi)用，搭建實(shí)驗?zāi)Ｐ秃馁Y很大，且對于不同的條件，可能還需要多個實(shí)驗，耗資更多，周期也長達(dá)數(shù)月以上，難以在工程設(shè)計中廣泛采用。而且，為了滿足所有模型實(shí)驗要求的相似準(zhǔn)則，其要求的實(shí)驗條件可能也難以實(shí)現(xiàn)。

CFD模擬是從微觀角度，針對某一區(qū)域或房間，利用質(zhì)量、能量及動量守恒等基本方程對流場模型進(jìn)行求解，分析其空氣流動狀況。采用CFD對自然通風(fēng)模擬，主要用于自然通風(fēng)風(fēng)場布局優(yōu)化和室內(nèi)流場分析，以及對象中庭這類高大空間的流場模擬，通過CFD提供的直觀詳細(xì)的信息，便于設(shè)計者對特定的房間或區(qū)域進(jìn)行通風(fēng)策略調(diào)整，使之更有效地實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng)。

本研究采用CFD技術(shù)對該實(shí)驗樓室內(nèi)主要功能房間的自然通風(fēng)效果進(jìn)行模擬。研究中綜合考慮流場、風(fēng)速以及空氣齡對項目室內(nèi)自然通風(fēng)狀況進(jìn)行分析評價。

3.2 湍流模型

模擬中采用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型求解實(shí)驗樓室內(nèi)自然通風(fēng)狀況，涉及的控制方程主要包括連續(xù)性方程、動量方程、能量方程，可以寫成如下通用形式（5）：

該式中的φ可以是速度、湍流動能、湍流耗散率以及溫度等。針對不同的方程，其具體表現(xiàn)形式如表1。

表1 計算流體力學(xué)的控制方程

表1中的常數(shù)如下：

盡管室內(nèi)自然通風(fēng)流速較低，但在復(fù)雜的邊界條件下，室內(nèi)氣流呈現(xiàn)為湍流狀態(tài)。本報告采用k-ε湍流模型，該模型已經(jīng)得到了大量工程應(yīng)用的驗證，可靠性高。

自然對流中，浮升力起主導(dǎo)作用，所以動量方程中密度的變化采用Boussinesq假設(shè)處理，即輸入一個空氣的膨脹系數(shù)，近似認(rèn)為密度的變化與溫度的變化成線性關(guān)系，滿足式（6）：

其中，為β膨脹系數(shù)。

3.3 幾何模型

幾何計算模型圖如圖2所示。

圖2 幾何計算模型圖

本研究根據(jù)建筑設(shè)計圖紙以及其他相關(guān)資料建立該實(shí)驗樓室內(nèi)自然通風(fēng)模擬模型，模型中通風(fēng)開口尺寸按照可開啟部分有效面積設(shè)置。

本次研究主要分析實(shí)驗樓的典型層室內(nèi)氣流組織，主要分析辦公、實(shí)驗室等主要功能空間，衛(wèi)生間、電梯等非主要功能空間不在本次分析范圍內(nèi)。

3.4 邊界條件

根據(jù)室外風(fēng)環(huán)境分析結(jié)果確定目標(biāo)建筑表面門窗風(fēng)壓，作為室內(nèi)通風(fēng)分析的邊界條件。

4 模擬分析

S1室內(nèi)自然通風(fēng)計算分析：

（1）流場。圖3～4距樓面1.2m（坐姿呼吸區(qū)）高度處的流場分布情況。圖中可見，建筑兩側(cè)風(fēng)口位置的分布利于“穿堂風(fēng)”的形成，部分位置氣流受內(nèi)墻阻擋產(chǎn)生渦流，大部分區(qū)域氣流分布均勻?？傮w上說，各主要功能房間室內(nèi)氣流都較強(qiáng)，通風(fēng)效果較好。

圖3 距一層樓面1.2m高度流場分布

（2）風(fēng)速。圖5～6為距樓面1.2m（坐姿呼吸區(qū)）高度處的風(fēng)速分布情況。圖中可見，局部風(fēng)速較大，其他部分區(qū)域的風(fēng)速相對較小?？傮w上看，風(fēng)速較大區(qū)域，可以通過調(diào)節(jié)外窗的開口大小減小風(fēng)速，避免不適感的產(chǎn)生，以達(dá)到 非空調(diào)情況下室內(nèi)舒適風(fēng)速的要求。

圖4 距二層樓面1.2m高度流場分布

圖5 距6層樓面1.2m高度風(fēng)速分布

圖6 距9層樓面1.2m高度風(fēng)速分布

表2 通風(fēng)量情況分析

圖8 距9層樓面1.2 m高度空氣齡分布

（3）空氣齡。圖7～8各層樓面1.2m（坐姿呼吸區(qū)）高度處的空氣齡分布情況。圖中可見，各層建筑平面區(qū)域空氣齡在500s以內(nèi)?？傮w上看，各層區(qū)域均能保證室內(nèi)的空氣質(zhì)量，主要功能房間通風(fēng)效果相對較優(yōu)。

圖7 距6層樓面1.2m高度空氣齡分布

（4）通風(fēng)量。經(jīng)統(tǒng)計，在門窗可開啟部分均開啟時，各樓層室內(nèi)主要功能空間的整體通風(fēng)量情況見表3，各層均滿足在自然通風(fēng)條件下保證主要功能房間換氣次數(shù)不低于2 次/h的要求。

5 結(jié)語

本次研究通過對北京實(shí)驗樓室內(nèi)主要功能空間在夏季主導(dǎo)風(fēng)向平均風(fēng)速條件下的自然通風(fēng)狀況進(jìn)行模擬分析，得出以下結(jié)論：

本實(shí)驗樓兩側(cè)風(fēng)口位置的分布利于“穿堂風(fēng)”的形成，部分位置氣流受內(nèi)墻阻擋產(chǎn)生渦流，大部分區(qū)域氣流分布均勻。

在夏季主導(dǎo)風(fēng)向平均風(fēng)速邊界條件下，該實(shí)驗樓樓的人體活動區(qū)域部分位置風(fēng)速在1.4m/s以上，可通過控制外窗開啟來調(diào)節(jié)室內(nèi)風(fēng)速以滿足非空調(diào)情況下室內(nèi)舒適風(fēng)速要求。

在夏季主導(dǎo)風(fēng)向平均風(fēng)速邊界條件下，實(shí)驗樓室內(nèi)主要功能空間的換氣效率均在2次/h以上，面積達(dá)97%，滿足在自然通風(fēng)條件下保證主要功能房間的平均自然通風(fēng)換氣次數(shù)不小于2次/h的面積比例達(dá)到60%的要求。