基于模擬實驗的建筑自然通風模式研究

王學勇，彭振，張琮，張晉浩，張永超

1.山東農業大學水利土木工程學院，山東泰安271018

2.泰安市建筑設計院有限責任公司，山東泰安271000

基于模擬實驗的建筑自然通風模式研究

王學勇1，彭振2，張琮1，張晉浩1，張永超1

1.山東農業大學水利土木工程學院，山東泰安271018

2.泰安市建筑設計院有限責任公司，山東泰安271000

本文利用PHOENICS軟件建立CFD模型，深度分析了一棟學校建筑的室內溫度、空氣流速和壓力情況，并剖析了含有不同變量的案例。研究表明，建筑開口面積和通風煙囪會對空氣流速和氣壓產生有利的影響，建筑設計以通過合理地增大開敞面積和煙囪高度來優化建筑的自然通風，從而實現建筑的節能以及改善室內空氣質量。

自然通風；煙囪效應；流體模擬

自然通風是提高建筑物室內空氣品質，節約能源的有效途徑，在不同的氣候分區都可采用來提高建筑的通風設計效能［1-2］。可以通過風壓效應、熱壓效應或兩者共同作用來實現［3］。精確設計的自然通風建筑可以通過預留的洞口（門、窗）將新鮮空氣帶入室內，并帶走室內的污濁空氣。

自然通風的建筑無法保證恒定的通風率，不同的氣候條件下，風向和風壓的不斷變化導致建筑內部的溫度和氣流速率也會隨之改變。通常推薦的建筑通風率為10 L/s［4］。因此，如何設計滿足規定的通風率是建筑設計初期的重要問題。其他影響建筑自然通風的因素，如人員密度、功能類別、得熱分布等也應考慮在內［5］。通常應對這些因素的措施包括控制建筑透明部分面積和遮陽構件的方向［6］。過去的數十年中，利用不同的方法預測建筑的通風性能已十分普遍，如分析模型、經驗模型和分區段模型。PHOENICS模擬分析已成為研究通風的重要途徑。CFD模型主要用來研究室內空氣質量和自然通風，這是其他研究方法很難做到的［7］。

本文利用專業的流體力學計算軟件——PHOENICS，測試一棟多層學校建筑使用空間的自然通風情況，包括溫度分布、空氣流速和壓力分布等。使用者和計算機的占地面積為3 m2/人和12 m2/臺。在模擬程序中，為保證模擬分析及運算結果的合理性，首先進行網格迭代分析，確保模擬結果的精確度。然后對不同的建筑通風設計分組進行模擬分析，確定變量對自然通風效能所帶來的影響，并就如何改進自然通風策略提出建議。

1　研究概況

本研究實驗案例是一棟三層的學校建筑，建筑長6 m，寬10 m，室內凈高3.5 m，總面積180 m2，體積630 m3，如圖1所示。右側煙囪高12.5 m，寬2.5 m，建筑和煙囪現有的開啟分別總面積為1.433 m2和2.045 m2。左側編號1、2、3的窗洞對應的面積分別為0.330 m2、0.421 m2和0.682 m2。窗口和通風口的空氣流通率分別為0.27 m3/s和0.81 m3/s。圖2中建筑在原有的基礎上進行鏡像，擴大建筑的內部空間，同時增大通風煙囪的寬度，初始數據與圖1中完全一樣。

圖1　多層教學建筑示意圖Fig.1 The multi-storey teaching building

圖2　鏡像后建筑示意圖Fig.2 The building after mirror image

2　實驗分組與研究方法

為確定不同條件對建筑產生的不同影響，實驗共分為以下五組。

2.1實驗分組1

利用實驗案例建筑初始條件，預測該建筑的氣流和溫度分布情況。本組實驗為參照組，測得的實驗數據為基礎數據。

2.2實驗分組2

本組實驗在第1組實驗的基礎上，調整開啟部分的面積，因建筑依靠內外溫度差壓實現其自然通風，利用下面的公式1，公式2可計算建筑調整后開啟部分面積。

在公式1中，△Ps=內外壓力差（Pa），ρext=室外空氣密度（1.2 kg/m3），Tint=室內溫度（K），Text=室外溫度（K），g=重力加速度（9.8 m/s2），H=壓力平衡面與洞口之間的距離。

在公式2中，Cd=開啟面積有效系數，Cd通常取0.61［8］。A=房間洞口面積（m2），Q=規定空氣流速（m3/s）。

在公式3中，根據英國通風設計手冊CIBSE GUIDE A建議合理的空氣交換率為2/ach-1。為區分不同通風口產生的影響，假定分組2中空氣交換率為3/ach-1，因此公式3中：N=3/ach-1，V=630 m3。因此Q=0.525 m3/s。窗洞1、2、3對應的H值分別是9.15 m，5.65 m和2.15 m。溫差設定為2 K，因此調整后三個洞口開啟部分的面積分別是：A1=0.786 m2，A2=1.000 m2，A3=1.622 m2。通風口處的空氣流通率應為1.575 m3/s，通風口總面積等于4.86 m2。

2.3實驗分組3

實驗分組3的研究針對含有鏡像部分的建筑。由于原有建筑進深加大，建筑可能存在通風不暢帶來室內溫度過高的問題。因此本組實驗有主要研究原有建筑進深加大后的自然通風情況。由公式1，公式2和公式3，H值與A值及溫差值不變，因此空氣流速為0.27 m3/s。

2.4實驗分組4

實驗分組4所用建筑與第三組相同，調整了部分實驗條件。CIBSE GUIDE A建議窗洞的有效空氣交換效率為10/ach-1。假定建筑各層的空氣交換效率為10/ach-1，因此本組實驗中建筑各層的空氣流速可設為1.75 m3/s。又因H值保持不變，所以實驗分組4的壓力差與實驗分組3相等。同理，由公式1，公式2和公式3計算可得，建筑一層至三層的窗洞面積分別為2.621 m2、3.335 m2和5.4m2。每層均有兩組具有相同開啟面積的通風口，所以A1=A6=1.310 m2，A2=A5=1.668 m2和A3=A4=2.7 m2。通風口處的空氣流速應為5.25 m3/s。

2.5實驗分組5

第五組實驗以第四組實驗為基礎，窗面積、換算系數、溫差等參數與分組3、4中保持一致。煙囪高度增加5.5 m。本組實驗旨在研究壓力水平面對通風產生的影響。窗洞口設置與分組4相同，壓力水平面與洞口之間的距離H1=10.9 m，H2=7.4 m，H3=3.9 m。因此空氣流速：Q1=0.77 m3/s，Q2=1 m3/s，Q3=1.29 m3/s。

3　網格分析

為了確保模擬數據的準確性，在精確分析前，對實驗分組1進行了應用網格分析。實驗分組1采用了三種不同規格的網格，如表1所示。網格1為默認值，另兩組網格中在窗洞和使用者周圍布置了更為密集的網格。根據模擬結構的變化率來判斷網格是否達到精確模擬分析的要求。網格靈敏性分析的循環次數取3000。

表1　實驗分組1的三種網格分析Table 1 Analysis on three meshes in case 1

由表2可知，三組模擬實驗結果差值較小，窗洞處的空氣流速大致相等。網格2和網格3更詳盡地記錄了中央渦流區。因此網格2即可滿足模擬分析的要求。

表2　三種網格下實驗分組1的氣流速率Table 2 Airflow rates in three meshes of case 1

4　建立CFD模型

研究中使用通風模擬軟件PHOENICS評價建筑中的空氣流通情況。室外溫度恒定為24℃，假定模型中所有的外表面和室內地面均為忽略了結構厚度的平面，可令軟件計算更精確高效。除此之外，研究中假設墻壁和天花板均絕熱。由于氣流入口附近的壓力和風速均未知，窗洞附近的風速是推理得出的，且都乘以二次折減系數2.69。這種方式替代了線性壓力差邊界條件的形式，且更為準確。折減系數的取值可由1/0.612求得。

在湍流模型方面，標準K-ε模型與RNG K-ε模型相比，后者更適合模擬空氣流動［9］，因此研究中選用了RNG K-ε模型，同時選用布西涅斯克模型作為浮力模型，這也是RNG K-ε模型的一部分。

第一組和第二組實驗中建筑每層容納20人，布置5臺計算機。其余三組實驗中建筑每層均有20人及20臺計算機。假定每人釋放130 W熱量，每臺計算機釋放125 W熱量［10］。前兩組實驗中每5人和1臺電腦編為1組，后三組實驗中每5人和每5臺電腦編為1組。則分組1和分組2中，每組釋放熱量640 W，分組3、4和5中，每組釋放熱量1270 W。為建立合適的網格進行了大量模擬，運用國際收斂標準0.1%誤差得到了較為理想的收斂數據。表3記錄了所有分組中網格和循環的具體情況。

表3　各分組實驗的循環次數及網格數Table 3 Meshes and cycles in all cases

5　結果與分析

主要從室內溫度分布、空氣流速以及壓力三個方面對模擬結果進行討論分析，表4總結了各分組的對比情況。

表4　實驗結果分組對比Table 4 Comparisons among different simulation cases

5.1溫度分布

實驗中所有分組的溫度分布情況相似，三層的溫度略高于二層和一層，建筑窗洞口附近的溫度略低于建筑的其他部分。特別指出的是，由于人和計算機釋放的熱量，使用者周圍空間的溫度略高于建筑通風口附近溫度。比較分組1和分組2可得，增大建筑開口面積是降低建筑室內溫度的有效方式。分組1中室內最高溫度約32℃，比室外溫度高近8℃。室內平均溫度30.4℃，仍比室外溫度高6°。而且右側使用部分的溫度比左側高出3°。分組2中，最大溫差為4℃左右，平均溫度比分組1低3.2℃。比較第一組實驗和第三組實驗，其平均溫度達33℃，最高溫度可達36℃，使用者能明顯感受到室內高溫。根據過熱標準：室溫超過28℃的時間不得持續120 h以上，且溫差不得超過5℃。室內有人時，室溫不得超過32℃。由于建筑通風不暢，污濁熱空氣在室內滯留時間過長，因此建筑的所有房間都存在過熱問題。第四組實驗中的建筑與第三組相同，但室內最高溫度29℃，較實驗3中的最高溫度低7℃。室內平均溫度接近室外溫度，對使用者來說，該溫度體感較舒適。使用空間的溫度為27℃，只比室外溫度高3℃。第五組實驗的最高溫度29℃，平均溫度26℃，高于室外溫度2℃。以上所有分組實驗中，第四組實驗的新風面積最廣、污濁空氣面積最小。第三組實驗的室內溫度最不舒適。且第三、四、五組試驗中，新建部分的建筑溫度高于原有建筑的溫度。

5.2空氣流速

所有分組測得的空氣流速分布皆相對合理，實驗結果統計可見表5、6、7。

由表5、6、7可知，實驗分組1中的平均空氣流速最低，其次由低至高分別是實驗分組3、2、4和5。實驗分組1中空氣流速較低，污濁空氣在室內滯留的時間長于其他實驗分組。第二組實驗中，建筑的窗面積較大，因此空氣流速高于第一組實驗，空氣快速進入室內，又快速排至室外。實驗分組3與實驗分組1中的窗洞面積相等，平均空氣流速低于實驗分組2、4和5。實驗分組3由于增加了寬度，其空氣流速仍高于實驗1，但該流速不能滿足建筑對于通風的要求。實驗分組4、5中增大了窗洞面積，增加了煙囪高度，因此提高了空氣流速。比較實驗分組4、5，煙囪高度將影響建筑通風率。實驗分組4和實驗分組5的通風模式相似，且無風區的面積最小。隨著煙囪高度的增加，壓力平衡面也升高至另一水平面。因此實驗分組4和實驗分組5中的通風最為有效。

5.3空氣壓力

模擬結果顯示，除實驗分組5外，前四組實驗的壓力面一致，零壓力面與NPL面相接近。但在一些分組實驗中，壓力平衡面與設定位置不同。實驗分組2的室內平均壓力最高，是-0.804765 pa。實驗分組3的室內壓力最低。通過比較實驗分組1和實驗分組2發現，適當增加建筑的窗洞面積可減小室內外壓力差。實驗分組3、4建筑的壓力趨勢相同，實驗3的壓力差更大。實驗分組5中，由于高起的煙囪能聚集更多的暖空氣，煙囪處的壓力高于建筑其他部分。

6　結論

通過實驗結果的對比和分析，實驗分組2、4、5的通風是有效的，舒適度優于實驗分組1和實驗分組3。實驗分組3中原有建筑和新建建筑皆存在室內溫度過高的問題。實驗分組1和實驗分組3的氣流速率較低。因風速較小，實驗分組4和實驗分組5的氣流分布情況相似，速率較快，通風情況較好，這表明增大開窗面積、增加煙囪高度可以有效解決建筑物室內溫度過高的問題，提高自然通風的效能。

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Study on the Natural Ventilation Model of a Multi-storey Building Basedon Simulation

WANG Xue-yong1，PENG Zhen2，ZHANG Cong1，ZHANG Jin-hao1，ZHANG Yong-chao1
1.College of Water Conservancy and Civil Engineering/Shandong Agricultural University，Tai'an 271018，China
2.Shandong Tai'an Architecture Design Group Co.，Ltd.Tai'an 271000，China

This paper established a CFD model with PHOENICS software and deeply analyzed the temperatures in doors，airflow speed and pressure distributions in a multi-storey building in a school and investigated a case containing different variables.The results showed that opening area and ventilation window were advantageous for airflow and air pressure，therefore the natural ventilation was improved by reasonable enlargement for opening area and smokestack height so as to realize the energy conservation and improve air quality in buildings.

Stack ventilation；natural ventilation；CFD simulation

［TU834.5+7］

A

1000-2324（2016）02-0299-05

2014-05-20

2014-05-30

泰安市大學生科技創新行動計劃項目（2014D006）

王學勇（1970-），男，副教授，主要從事建筑節能、生態建筑以及傳統民居保護研究.E-mail：wxy199@163.com