曲 藝

（同圓設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司煙臺(tái)分公司，山東 煙臺(tái) 264003）

綠色建筑理念強(qiáng)調(diào)在建筑設(shè)計(jì)和建造過程中，充分利用太陽能、風(fēng)能等可再生能源，采用節(jié)能建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)、采暖和空調(diào)等設(shè)備，以及根據(jù)自然通風(fēng)的原理設(shè)置風(fēng)冷系統(tǒng)等措施，以實(shí)現(xiàn)建筑全生命周期的節(jié)能減排降耗，達(dá)到節(jié)水、節(jié)電、節(jié)能、節(jié)材和減少環(huán)境污染等目的[1]。在全球面臨日益嚴(yán)重的能源危機(jī)和環(huán)境污染問題的背景下，綠色建筑和節(jié)能設(shè)計(jì)成為了建筑行業(yè)的重要發(fā)展方向。特別是在夏熱冬冷地區(qū)的公共建筑，由于氣候的特殊性，對空調(diào)和暖氣的需求極大，能源消耗的增加給節(jié)能設(shè)計(jì)帶來了額外的挑戰(zhàn)[2-3]。在夏熱冬冷地區(qū)的綠色建筑節(jié)能設(shè)計(jì)中，室內(nèi)風(fēng)環(huán)境是重要的考慮因素。良好的室內(nèi)風(fēng)環(huán)境可以提高建筑內(nèi)的舒適度和能源利用效率，減少對機(jī)械通風(fēng)的依賴，因此，研究室內(nèi)風(fēng)環(huán)境的變化對于建設(shè)綠色節(jié)能設(shè)計(jì)具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。研究基于綠色建筑理念，依托某社區(qū)便民服務(wù)中心項(xiàng)目，運(yùn)用數(shù)值模擬手段對建筑內(nèi)的自然風(fēng)環(huán)境進(jìn)行模擬分析，研究風(fēng)環(huán)境變化對建筑冬季和夏季的節(jié)能效果影響，研究成果為小型公共建筑的節(jié)能設(shè)計(jì)提供參考和借鑒。

1 工程概況

某社區(qū)便民服務(wù)中心建筑占地面積為202 m2，總建筑面積為990 m2，為4 層框架結(jié)構(gòu)，建筑總高度為15.50 m，建筑立面如圖1 所示。首層建筑的結(jié)構(gòu)層高為3 600 mm，2～4 層的建筑結(jié)構(gòu)層高為3 300 mm，屋頂高度為2.0 m。

圖1 建筑立面圖

場區(qū)位于典型的亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候，具有獨(dú)特的氣候特征，四季分明，冬冷夏熱，無霜期長，降水豐沛，雨熱同季。區(qū)域年平均氣溫17 ℃，極端最高氣溫40.2℃，極端最低氣溫-5.4℃；年平均降雨量962 mm；年日照時(shí)數(shù)1 443.3 h；無霜期338 d。2022年對建筑場區(qū)內(nèi)溫度和濕度進(jìn)行實(shí)測，結(jié)果如圖2 所示。從圖2中可以看出，建筑場區(qū)的空氣濕度表現(xiàn)為春季和冬季大、秋季和夏季小的特點(diǎn)，春季和冬季的空氣濕度在70%左右劇烈變化，而夏季的濕度在65%左右，秋季的濕度在55%左右，這是因?yàn)閳鰠^(qū)周邊地形以淺丘陵為主，盆地底部和周邊山地形成的壩址容易在春季和冬季積累空氣濕度，而溫度則表現(xiàn)為夏季和秋季高、春季和冬季低的特點(diǎn)，冬半年（11月至次年4月）主要吹偏北風(fēng)，溫度相對較低，空氣平均風(fēng)速約3.0 m/s，而夏半年（5～10月）主要吹偏南風(fēng)，溫度相對較高，空氣平均風(fēng)速約4.0m/s，同時(shí)受到季風(fēng)氣候的影響，氣溫和降雨在時(shí)間上基本一致，具有時(shí)間分布不均的特性，表現(xiàn)為3～7月降雨量約為全年總降雨量的50%～70%，而7～9月降雨量則逐月減小。

圖2 場區(qū)全年空氣溫度和空氣濕度變化情況

2 小型公共建筑室內(nèi)外風(fēng)環(huán)境數(shù)值模擬方法

為了充分提高小型公共建筑節(jié)能效率，利用自然風(fēng)是行之有效的方法，借助數(shù)值模擬軟件，模擬室外風(fēng)環(huán)境與室內(nèi)自然通風(fēng)的流體場，認(rèn)識風(fēng)場的流動(dòng)規(guī)律，充分利用室外自然冷源，增加空氣的流通，降低夏季室內(nèi)環(huán)境的問題，進(jìn)而改善室內(nèi)環(huán)境，保證室內(nèi)空氣品質(zhì)和室內(nèi)活動(dòng)人員的熱舒適性，減少空調(diào)及降溫設(shè)備導(dǎo)致的能源消耗[4-5]。通過小型公共建筑室內(nèi)外風(fēng)場環(huán)境的數(shù)值模擬，可以為建筑自然通風(fēng)及節(jié)能設(shè)計(jì)提供相應(yīng)的技術(shù)指導(dǎo)。

基于空氣流體動(dòng)力學(xué)（CFD）基本理論，研究選用具有良好數(shù)據(jù)可視化及強(qiáng)大前后處理功能的數(shù)值模擬軟件（PHOENICS 2019 通用流體分析軟件）作為計(jì)算工具，計(jì)算自主生成模型網(wǎng)格，并對風(fēng)場環(huán)境數(shù)學(xué)模型進(jìn)行迭代求解，輸出風(fēng)場壓力、風(fēng)場速度等云圖[6]。結(jié)合建筑物的平面圖和周邊環(huán)境，研究確定室外場地的計(jì)算范圍為1 000 m（長）×1 000 m（寬）×400 m（高），采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行劃分，網(wǎng)格空間大小為150 m（長）×150 m（寬）×50 m（高），根據(jù)實(shí)際測試的風(fēng)速環(huán)境，取最不利風(fēng)場環(huán)境進(jìn)行計(jì)算，設(shè)定地面的粗糙度為A 類，參考高度（空氣中距離地面1.5 m 位置）冬季風(fēng)速和夏季風(fēng)速分別為3.0 m/s、4.0 m/s，風(fēng)速輪廓呈冪指數(shù)分布規(guī)律，如公式（1）所示。

計(jì)算中，空氣的流動(dòng)為不可壓縮的低速湍流，其運(yùn)動(dòng)控制方程滿足空氣動(dòng)力學(xué)連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、湍流動(dòng)能方程和耗散率方程，計(jì)算方法如公式（2）～公式（5）所示。

考慮到建筑物與氣流之間的接觸形成限制流，空流流速在進(jìn)口和出口之間存在速度差，因此，模型的邊界條件設(shè)立非穩(wěn)態(tài)紊流邊界，室內(nèi)外空氣為理想流體，入口冬季送風(fēng)速度和夏季送風(fēng)速度分別為3.0 m/s、4.0 m/s，出口壓力為0 Pa，建筑無墻體設(shè)置為絕熱無滑移邊界條件，建筑物窗戶開啟為50%首層窗戶打開。

3 小型公共建筑室內(nèi)外風(fēng)環(huán)境數(shù)值模擬結(jié)果分析

圖3 為建筑物室內(nèi)外風(fēng)場壓力分布計(jì)算云圖。從圖3 中可以看出，在室外自然風(fēng)作用下，建筑物室內(nèi)外的風(fēng)壓場呈現(xiàn)明顯的南北向差異，表現(xiàn)為南側(cè)迎風(fēng)面為正壓強(qiáng)，而北側(cè)背風(fēng)面為負(fù)壓強(qiáng)，正壓強(qiáng)的壓力值范圍為8～9 Pa，負(fù)壓強(qiáng)的壓力值范圍為-3～-4 Pa，因此，南北之間的風(fēng)壓力差大達(dá)到11～13 Pa，為自然通風(fēng)的形成提供了有利條件，室內(nèi)的風(fēng)場壓力也由于室外大環(huán)境的風(fēng)環(huán)境壓強(qiáng)變化、建筑物南北窗戶的通透性而產(chǎn)生變化。

圖3 建筑物室內(nèi)外風(fēng)場壓力分布計(jì)算云圖

圖4 為建筑物室內(nèi)外風(fēng)場速度分布計(jì)算云圖。從圖4 中可以看出，室外自然風(fēng)在傳播的過程，由于建筑物為自然障礙，阻擋了自然風(fēng)的傳播路徑，使得自然風(fēng)在空間上分布不均勻，南北向的風(fēng)速差異巨大。在南側(cè)迎風(fēng)面的自然風(fēng)風(fēng)速存在局部的速度低值，而穿過建筑物后，北側(cè)背風(fēng)面存在大區(qū)域的速度低值，風(fēng)場環(huán)境為紊流狀態(tài)，局部呈現(xiàn)渦流，在速度低值外圍則出現(xiàn)明顯的速度高值邊界，建筑物室內(nèi)的風(fēng)場速度也發(fā)生了明顯的變化。

圖4 建筑物室內(nèi)外風(fēng)場速度分布計(jì)算云圖

圖5 為建筑物室內(nèi)首層平面風(fēng)場壓力分布計(jì)算云圖。從圖5 中可以看出，房間的風(fēng)場壓力隨著室外環(huán)境風(fēng)壓的變化而變化，風(fēng)壓逐漸從南側(cè)房間由正值向北側(cè)房間傳遞，風(fēng)場壓力的梯級分布有利于形成自然穿堂風(fēng)，同時(shí)在南側(cè)房間中間部位形成較大的正壓，風(fēng)壓壓差超過了自然通風(fēng)形成所需的10 Pa臨界條件，因此，在夏季可以在非空調(diào)時(shí)段，通過開啟窗戶的手段，利用夏季自然風(fēng)場獲取良好的自然通風(fēng)，降低室內(nèi)熱環(huán)境，提高室內(nèi)活動(dòng)人員的舒適度。

圖5 建筑物室內(nèi)首層平面風(fēng)場壓力分布計(jì)算云圖

圖6 為建筑物室內(nèi)首層平面風(fēng)場速度分布計(jì)算云圖。從圖6中可以看出，在自然風(fēng)條件下，室內(nèi)風(fēng)場速度分布范圍為2.5～4.71 m/s，南北房間各個(gè)區(qū)域均有自然風(fēng)達(dá)到，氣流組織較好，室內(nèi)通風(fēng)狀態(tài)良好，無明顯氣流盲區(qū)現(xiàn)象存在。

圖6 建筑物室內(nèi)首層平面風(fēng)場速度分布計(jì)算云圖

圖7 為建筑物室內(nèi)5s 時(shí)刻空氣齡分布計(jì)算云圖?？諝恺g是指空氣質(zhì)點(diǎn)自進(jìn)入房間至到達(dá)室內(nèi)某點(diǎn)所經(jīng)歷的時(shí)間，反映了房間排除污染物能力和室內(nèi)空氣的新鮮程度，可以綜合衡量房間的通風(fēng)換氣效果，是評價(jià)室內(nèi)空氣品質(zhì)的重要指標(biāo)。室內(nèi)平均空氣齡小的房間，去除污染物的能力越強(qiáng)，說明該房間的空氣越新鮮，空氣品質(zhì)就越好。從圖7 中可以看出，在自然通風(fēng)作用下，空氣氣流均能到達(dá)每個(gè)房間，但在北側(cè)面積最大的房間存在空氣齡較大的現(xiàn)象，導(dǎo)致空氣滯留時(shí)間較長，因此，可以通過將其門位置適當(dāng)居中，與南側(cè)最大房間的門形成對應(yīng)關(guān)系，或者在北側(cè)加設(shè)一扇窗戶，增加空氣的對流。

圖7 建筑物室內(nèi)5 s 時(shí)刻空氣齡分布計(jì)算云圖

4 結(jié)語

以某社區(qū)便民服務(wù)中心為研究對象，運(yùn)用數(shù)值模擬的手段，對建筑物室內(nèi)外的風(fēng)場環(huán)境進(jìn)行計(jì)算，研究室內(nèi)外風(fēng)場風(fēng)壓、風(fēng)速和風(fēng)齡的變化規(guī)律，得到以下幾個(gè)規(guī)律。

（1）在室外自然風(fēng)作用下，表現(xiàn)為南側(cè)迎風(fēng)面為正壓強(qiáng)。

（2）室外自然風(fēng)在傳播的過程中，由于建筑物為自然障礙，使得自然風(fēng)在南側(cè)迎風(fēng)面的自然風(fēng)風(fēng)速存在局部的速度低值，而穿過建筑物后，北側(cè)背風(fēng)面存在大區(qū)域的速度低值。

（3）房間的風(fēng)場壓力隨著室外環(huán)境風(fēng)壓的變化而變化，風(fēng)壓逐漸從南側(cè)房間由正值向北側(cè)房間傳遞，風(fēng)場壓力的梯級分布有利于形成自然穿堂風(fēng)。