數值模擬技術超高層綠色建筑自然通風設計研究

秦硯瑤，戴輝自，吳思睿，劉軍

數值模擬技術超高層綠色建筑自然通風設計研究

秦硯瑤，戴輝自，吳思睿，劉軍

（中煤科工集團重慶設計研究院有限公司 綠色建筑技術中心，重慶 400016）

基于《重慶市建筑節能（綠色建筑）設計標準》（DBJ50-052-2013）對綠色建筑自然通風的要求，通過某超高層綠色建筑項目設計實踐，采用數值模擬分析技術輔助綠色建筑室內自然通風設計，避免常規自然通風效果定性分析的不確定性，既可實現良好的自然通風，又最大限度地降低了幕墻造價。通過本文的研究，為超高層綠色建筑室內自然通風設計提供了新思路，也為其他項目的自然通風設計提供了良好的借鑒。

綠色建筑；數值模擬；自然通風；超高層建筑；幕墻開窗面積；室外梯度風；過渡季；空氣齡

基金論文：該論文為重慶市綠色建筑與建筑節能配套能力建設項目“外墻保溫工程應用質量現狀調查與評估”資助項目論文之一，中煤科工集團重慶設計研究院有限公司青年基金項目“建筑外遮陽設計方法研究”（項目編號：2013QN 040）。

doi：10.3969/j.issn.1671-9107.2015.02.008

0　引言

自然通風作為一種被動式技術，在改善室內熱濕環境的同時可降低建筑能耗，因而得到大力的推廣。但由于設計條件的限制，目前，在工程設計實際中，自然通風的效果多根據經驗進行判定，該判定中更多的是考慮風壓通風，未考慮到室外梯度風［1］。對于超高層建筑，室外風速呈指數分布，在一定高度以上，室外風速遠大于低層，由此引起的室內自然通風效果亦完全不同于底層低風速的狀況，傳統的經驗判定將無法反映實際狀況。本文基于重慶某一綠色超高層項目，采用數值模擬分析技術輔助室內自然通風設計，探求滿足過渡季室內自然通風的幕墻開窗面積要求，在滿足自然通風要求的前提下，盡可能減小幕墻開窗面積，最大限度地降低該建筑幕墻造價。

1　標準中對自然通風的要求

《重慶市建筑節能（綠色建筑）設計標準》DBJ50-052-2013（以下簡稱《標準》）提出：設計應進行下列建筑室內外風環境、室內采光分析，優化建筑空間平面和構造設計：在過渡季典型工況下，90%的房間的平均自然通風換氣次數不應低于2次/h。在無法采用數值模擬分析技術的條件下，一般可按如下進行判定：自然通風房間可開啟外窗凈面積不得小于房間地板面積的4%，建筑內區房間若通過鄰接房間進行自然通風，其通風開口面積應大于該房間凈面積的8%，且不應小于2.3m2（數據源自美國ASHRAE標準62.1）。同時，單側通風房間的進深不超過房間凈高的3倍；穿堂風房間的進深不超過房間凈高的5倍。這一做法主要針對于多層或高層建筑，在超高層建筑中，情況則不盡相同，換言之，考慮到風速隨高度呈指數增長后，在一定高度上，要實現在過渡季典型工況下，90%的房間平均自然通風換氣次數不應低于2次/h，自然通風房間可開啟外窗凈面積并非不得小于房間地板面積的4%［2］。

按照大氣邊界層理論，氣流穿過不同的地區和地形帶時，因產生摩擦力而使風速降低，風能減少，其本身的結構也隨之發生變化，直到達到一定高度，地面粗糙度的影響才可以忽略。一般情況下，地面以上300m（不超過1000m）范圍內均屬于大氣邊界層，在這個范圍以上風速才不受地表的影響。近地面層的風速服從指數分布［3］，如下式所示：

其中：UZ—高度Z處的水平方向風速，m/s；

U0— 參考高度Z0處的風速，m/s；

Z—研究點的高度，m；

Z0—參考高度，m；

α—為由地形粗糙度所決定的冪指數，可按建筑所處的地形條件選取，無量綱。

根據《建筑結構荷載規范》GB 50009，地面粗糙度可分為A、B、C、D四類，該研究中室外地形地貌可按照密集建筑群的城市市區選擇為C類，α值取0.22O［4］。

2　自然通風設計

該研究采用Phoenics流體力學計算軟件。該項目為商業及辦公樓綜合體，整個用地為南北朝向，裙房為商業，塔樓為3個辦公區域，地上32層/地下7層，總建筑面積338308m2，建筑高度地上154.9m。項目地塊北面高差較大，建模時予以考慮。在研究室內自然通風狀況時，需先進行室外自然通風的模擬，而后將室外自然通風的結果作為室內自然通風的邊界條件。該研究主要結合《標準》中7.2.3條第3款的要求，針對重慶典型氣候條件（過渡季節）下研究建筑表面的壓力分布，并將壓力分布作為過渡季室內自然通風的邊界條件。

2.1室內風環境模擬方案及邊界條件

該項目8層及以下為大型商業（見圖1-圖3），根據標準要求，大型商業可不考慮自然通風。

圖1　項目平面圖

圖2　迎風面風壓圖

圖3　建筑背風面風壓圖

9層及以上為塔樓，性質為辦公建筑，需考慮室內自然通風所需的開窗面積比；10層以上皆為標準層，建筑平面相同；9層稍有不同，中間為核心筒，圍繞核心筒一圈為走道，其余為開敞式辦公。根據室外風環境模擬的情況，確定選擇T2塔樓為模擬對象，T2塔樓朝向為東北偏北，T2塔樓平面詳見圖4，建立的計算模型詳圖5所示，根據“中國建筑熱環境用氣象數據集”中的氣象數據統計得到，項目所在地的過渡季節的風向為S（南風），平均風速2.5m/s。標準對于超高層建筑，由于高處風力過大以及安全方面的原因，不再對因自然通風規定而要求外窗和玻璃幕墻開啟面積作具體要求，僅要求第20層及其以下各層的外窗和玻璃幕墻因自然通風要求而開啟，20層以上樓層不作要求。

圖4　塔樓模擬標準層室內建筑布局圖

圖5　建筑室內自然通風模型

為滿足過渡季90%的房間建筑設計，標準中要求的最低比例為4%，在建筑高度較高時，考慮到梯度風的影響，當開窗面積比例不滿足4%時，有可能90%的房間面積滿足2次/h的換氣次數要求。模擬方案采用從1%～4%，按照1%的有效開窗面積逐級遞增。選取3個不同高度（低9層、15層、21層）的房間過渡季的室外自然通風狀況。根據《幕墻工程技術規范》JGJ102-2003，幕墻懸窗開啟角度小于30°，且開啟距離小于300mm，其有效開啟面積比例按照消防規范要求，懸窗開啟時的2倍側投影面積與正投影面積之和。選擇的幕墻開窗洞口為寬600，高2000mm，考慮采用寬600，高2000mm上懸窗，有效凈面積面積為0.78m2。因此，制訂如下的模擬技術方案，詳細開窗狀況見表1。

表1　各開窗面積比下各層的開窗狀況

2.2室內風環境研究模擬結果

通過對項目的9層在過渡季不通過開窗面積下的室內自然通風模擬研究發現：開窗面積比依次為1%、2%、3%時，9層過渡季節室內自然通風滿足2次/h的面積比例分別為74.6%、83.0%、91.1%、100%。因此，考慮選擇開窗面積比為3%。衡量通風換氣效果可采用換氣次數，PHOENICS軟件內置的計算功能為計算某點的平均空氣齡，由于空氣齡是指空氣質點自進入房間至到達室內某點所經歷的時間，換氣次數與平均空氣齡存在相互轉換關系。當某點的平均空氣齡小于1800s時，該點的換氣次數大于2次/h（見圖6-圖8）。

圖6　L9層不同開窗下的室內空氣齡云圖，開窗面積比依次為1%、2%、3%、4%

圖7　L15層不同開窗下的室內空氣齡云圖，開窗面積比依次為1%、2%、3%、4%

圖8　L21層不同開窗下的室內空氣齡云圖，開窗面積比依次為1%、2%、3%、4%

15層過渡季節室內自然通風滿足2次/h的面積比例分別為86.5%%、100%、100%、100%。因此，考慮選擇開窗面積比為2%。

21層過渡季節室內自然通風滿足2次/h的面積比例分別為89.5%、100%、100%、100%。因此，考慮選擇開窗面積比為2%。

從梯度風的角度而言，在同一地點的豎向高度上，高度越高，風速越大，風壓一般也越大，在相同建筑室內平面布局下，風壓越大，室內自然通風效果愈強，室內各點的空氣齡降低，這與圖3.6～3.8的趨勢一致。在同一層，由于室內外風壓已經確定，當開窗面積增大后，室內通風面增大，自然通風效果增強，室內各點的空氣齡亦降低，這與圖3.6～3.8的變化趨勢亦一致。

2.3室內自然通風設計

根據室外梯度風的關系，隨著建筑高度的遞增，室內自然通風效果越強，因此，9～15層采用3%的開窗面積比，15～20層采用2%的開窗面積比，21層以上采用2%的開窗面積比，兼顧了超高層建筑辦公室自然排煙的要求。較原來每層4%的開窗面積比要求，整個項目幕墻可開啟面積減少近1/3，大幅度降低了幕墻五金件的造價，推進了整個項目的工期。

3　結論

通過對某綠色超高層項目的研究，在過渡季典型氣象條件下，因梯度風的影響，要實現90%以上功能房間換氣次數2次/h以上，并非均需滿足4%的開窗面積要求，通過采用數值模擬分析技術輔助室內自然通風設計，可以有效提高室內自然通風效果，降低綠色建筑造價。

［1］張艷輝.超高層建筑結構旋轉風荷載效應研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業大學，2013.

［2］重慶市工程建設標準.DBJ50-052-2013重慶市建筑節能（綠色建筑）設計標準［S］.重慶市城鄉建設委員會，2013.

［3］朱穎心.建筑環境學：第三版［M］.北京：中國建筑工業出版社，2004.

［4］中華人民共和國國家標準.GB 50009建筑結構荷載規范［S］.北京：中國建筑工業出版社，2012.

責任編輯：孫蘇，李紅

Study on Numerical Simulation Technology in Natural Ventilation Design for Ultra High-rise Green Building

Based on the natural ventilation requirements in Design Standards on Public Building Energy Saving（Green Buildings）（DBJ50-052-2013），and a practical case，numerical simulation technology is applied to assist indoor natural ventilation design for green buildings to avert the uncertainty of common natural ventilation，which can achieve good natural ventilation result，and offer some favorable references for other natural ventilation designs.

green building；numerical simulation；natural ventilation；ultra high-rise building；windows acreage of curtain wall；outdoor gradient flow；transition season；air age

TU972+.9

A

1671-9107（2015）02-0008-03

2014-12-13

秦硯瑤（1982-），女，重慶人，碩士，工程師，主要從事綠色建筑技術研究。

戴輝自（1988-），男，江西吉安人，碩士，工程師，主要從事綠色建筑技術研究。