某新建建筑過渡季室內自然通風CFD模擬對比分析

張艷宇++劉豐榕

摘 要：幼兒園作為兒童生活學習的主要場所，確定合理可行的自然通風方案十分重要：良好的自然通風不僅可有效降低室內空氣污染物濃度，保證幼兒身體健康；而且可減少過渡季空調開啟時間，降低建筑能耗。

關鍵詞：幼兒園；過渡季；自然通風；數值模擬

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.24.072

0 引言

自然通風可以提高居住者的舒適感，并有利于健康，當室外氣象條件良好時，加強自然通風有助于縮短空調設備的運行時間，降低空調能耗。《托兒所、幼兒園建筑設計規范》（JGJ 39-2016）[1]第6.2.11條規定：托兒所、幼兒園建筑應優先采用有組織的自然通風設施；當采用換氣次數確定室內通風量是，活動室、寢室和多功能活動室的換氣次數不應小于3次/小時。

在建筑方案階段，很難通過實驗手段對建筑室內風環境進行預測評價。隨著計算機技術的發展，CFD技術已得到很好的發展，目前CFD技術應用于建筑環境分析已經比較廣泛，成為建筑風環境分析的有效手段[2]。本文以計算流體力學軟件PHOENICS為模擬仿真工具，對某幼兒園的2種建筑設計方案過渡季室內風環境進行模擬比較分析。

1 工程概況及方案

1.1 氣候條件

幼兒園位于夏熱冬冷地區，屬亞熱帶濕潤季風氣候。根據當地氣象資料，幼兒園所在地過渡季氣象資料如表1所示。

1.2 地形條件

本項目幼兒園周邊區域場地地勢平坦，因此在建模時做簡化處理，忽略地形高程，按同高程處理。

1.3 建筑方案

本項目幼兒園方案1采用圍合結構，將幼兒活動室、寢室布置在有南向窗的位置，走廊沿北側布置并形成環形通道，方案1的標準層平面圖如圖1所示。

本項目幼兒園方案2采用“工”字型結構，將幼兒活動室、寢室通過單側走廊的形式全部布置在南側，輔助用房分布在中間區域，通過南北交通空間鏈接南北功能區域，方案2的標準層平面圖如圖2所示。

2 數值計算方法

本文運用PHOENICS軟件先對幼兒園過渡季場地風環境進行模擬，得到幼兒園2個方案的建筑物表面的壓力分布，再結合2個方案建筑標準層平面布局對2個方案室內風環境進行模擬，得到建筑物室內平均風速及空氣齡，來判斷過渡季室內自然通風效果較優的建筑設計方案。

2.1 數學模型的選取

數值模擬控制方程包括連續性方程、動量方程、能量方程，通用形式[3]如下式所示：

該式中的Φ可以是速度、湍流動能、湍流耗散率以及溫度等。湍流模型采用標準k-ε方程。

2.2 計算方法及邊界條件

本文室外風環境及室內風環境模擬均采用有限容積法的離散方法，二階迎風的離散格式。來流邊界采用速度邊界（根據表1取值），出流邊界設置為自由邊界，計算域建筑表面、地面和上表面均按照無滑移壁面設定。

幼兒園室外風環境模擬計區域尺寸取446m×416m×162m（長×寬×高），網格劃分如圖3所示。通過對125×98×34、189×143×44、375×260×80數量網格進行獨立解檢驗，選用189×143×44網格進行計算分析。

幼兒園方案1室內風環境模擬計區域尺寸為76m×58m×3.6m，網格劃分如圖4所示。通過對152×116×8、228×174×12、304×232×16數量網格進行獨立解檢驗，選用304×232×16網格進行計算分析。

幼兒園方案2室內風環境模擬計區域尺寸為80m×52m×3.6m，網格劃分如圖5所示。通過對160×104×8、240×156×12、320×208×16數量網格進行獨立解檢驗，選用320×208×16網格進行計算分析。

3 模擬分析及評價

3.1 建筑表面風壓力分布

通過對幼兒園2個方案室外風環境模擬，得到方案1建筑物表面迎風面與背風面的風壓分布如圖3所示，方案2建筑物表面迎風面與背風面的風壓分布如圖4所示。經對比可知，方案2迎風面風壓大于方案1迎風面風壓。

3.2 方案1建筑物室內風環境

幼兒園方案1室內自然通風模擬結果如圖5～圖6所示：室內平均風速為0.18m/s，室內平均空氣齡為776.74s。

3.3 方案2建筑物室內風環境

幼兒園方案2室內自然通風模擬結果如圖7～圖8所示：室內平均風速為0.20m/s，室內平均空氣齡為152.42s。

3.4 比較分析

通過對幼兒園2個方案室內自然通風模擬分析，得到方案1室內自然通風情況下，室內平均風速為0.18m/s，小于方案2室內平均風速0.20m/s；方案1室內空氣齡為776.74s，大于方案2室內空氣齡152.42s。

4 結論

本文采用PHOENICS對某新建幼兒園2個建筑方案過渡季室內自然通風狀況進行了模擬計算，對比分析了2個方案在過渡季室內平均風速及空氣齡圖。結果表明方案1過渡季室內平均風速大于方案2的，方案1過渡季室內空氣齡小于方案2的，即方案2過渡季自然通風狀況優于方案1，故從室內自然通風及室內空氣質量角度出發，建議采用方案2的設計。

參考文獻：

[1]中華人民共和國住房和城鄉建設部.JGJ39-2016，托兒所、幼兒園建筑設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社.

作者簡介：張艷宇（1989-），女，江蘇宿遷人，碩士研究生，助教，研究方向：暖通空調、室內空氣品質。