基于COMSOL軟件下辦公建筑室內通風分析

王鳳華，劉衍香

(閩南理工學院，福建泉州 362700)

在提倡“節能減排”的社會大環境下，建筑設計多要求以“節約能源，提高室內環境質量”為基本準則。良好的自然通風可以代替機械通風，保證房間的正常氣候條件和空氣新鮮。自然通風在節約能源、改善室內空氣品質、提高環境舒適度等方面有著至關重要的作用。

1 自然通風

1.1 自然通風原理及影響因素

建筑物中的自然通風，是由于建筑物開口處存在空氣壓差而產生空氣流動。自然通風雖可帶來許多益處，但若不注重影響通風的不利因素，通風效果將難以保證。目前，建筑設計中影響自然通風的因素主要有建筑朝向、窗戶尺寸、開窗面積比例、窗戶高度和室內氣流組織方式等。

1.2 傳統自然通風設計與COMSOL Multiphysics數值模擬的區別

在傳統的建筑設計中，設計師在進行通風設計時，大多依靠自身的經驗及理論基礎，分析風玫瑰圖，進行自然通風設計。這種做法雖簡單且有一定的準確性，卻無法精確反映室內微環境。相較之下，隨著計算機技術的發展而興起的數據模擬技術則克服了這一缺點。COMSOL Multiphysics建模，以模擬真實條件形成的直觀數據為依據，具有建模速度快，運算能力強，可視化的分析結果等優勢，大大提高了設計的科學性[1]。

本研究將使用COMSOL Multiphysics數據模擬，采用同一辦公室內不同窗戶尺寸、開窗面積比例、窗戶高度設置對室內流場、溫度場等進行模擬預測，對比在相同條件下，不同窗戶尺寸、開窗面積比例、窗戶高度對室內微環境的影響，以期為建筑的設計優化提供可靠的參考數據。

2 模型建立

2.1 氣象條件與建筑基本條件設置

本研究對象為石獅市某教學樓辦公室，寬為3.2 m，長為5.2 m，高為3.2 m，其中以東西向為長，南北向為寬，以東西向為x方向，南北向為y方向，高為z方向，建筑(窗口)朝向為東南朝向，模型見圖1。假設辦公室以窗口為進風口，門為出風口。

石獅市位于福建泉州，屬于亞熱帶季風氣候地區，夏熱冬冷，四季分明。其夏季受海陸氣溫差異影響，氣候高溫多雨，室外平均風速為4.97 m/s，多為東南風，與建筑物迎風面垂直。冬季受來自西伯利亞的寒風影響，吹西北風，濕冷刺骨，冬季室外平均風速為7.9 m/s，多為東北風。一般來說，只有在夏季7-8月空調使用較多，在室外風環境允許的情況下，為節約能源，應盡量應用自然通風。本研究主要分析夏季7月辦公室內自然通風條件?？諝庠谑覂鹊牧鲃邮且粋€復雜的物理過程，涉及室內微環境的流場、溫度場等多方面內容，此選用湍流，k-ε(spf)方程為模型的基礎進行研究。

假設條件:1)室內人員靜止不動；2)模型入口風速及溫度均勻；3)夏季室內環境相對濕度為81%；4)模型引用湍流，k-ε(sf)瞬態方程模擬計算。

圖1 教學樓辦公室模型圖Fig.1 Office model of the teaching building

2.2 邊界條件

辦公室模擬計算進風口風向垂直吹入室內，風速為4.97 m/s，且入口空氣溫度為299.15 K；室內墻體為無滑移速度、絕熱邊界，室內壁面溫度為307.15 K。

3 模擬計算與分析

對窗戶不同開口大小及不同窗臺高度分別進行模擬計算，分為兩階段，共計6次模擬計算。

圖2至圖4表示室內窗戶尺寸為600 mm×1200 mm時，窗臺高分別為800、1000、1100 mm時的室內流場及速度場分布情況。當窗臺高度為800 mm時，主要使用區域風速為3～4 m/s，沙發左側流線集中且風速大，可沙發右側卻基本沒有流線，辦公桌區域流線也分布較少，另外考慮到辦公桌文件較多的問題，800 mm高的窗臺在風吹入室內時容易吹亂桌面的文件，不利于辦公；圖3、圖4室內流線分布大致相同，其在人員活動的主要區域流線分布較為均勻，且風速大致為3～4.5 m/s，較圖2流線分布均勻，當風吹入室內時基本能吹過室內絕大部分區域，死角較少，并且窗臺高度在1000 mm以上，高過辦公桌面200 mm，不易對辦公造成不利影響，但圖2至圖4均存在沙發右側基本沒有流線這一問題。

圖2 窗臺高800 mm流線Fig.2 Streamline of window sill with height of 800 mm

圖3 窗臺高1000 mm流線Fig.3 Streamline of window sill with height of 1000 mm

圖4 窗臺高1100 mm流線Fig.4 Streamline of window sill with height of 1100 mm

圖5至圖7表示室內窗戶尺寸為900 mm×1500 mm時，窗臺高分別為800、1000、1100 mm時的室內流場及速度場分布情況。當窗臺高度為800 mm時，主要使用區域的風速為3～5 m/s，室內流線主要分布在沙發區域，室內流線分布較不均勻；圖6、圖7室內流線分布均勻，且主要使用區域風速大致為3～4 m/s，當風吹入室內時基本能吹過室內所有區域，并且由于窗臺高度在1000 mm以上，高過辦公桌面200 mm，不易對辦公桌文件造成不利影響。但圖5較圖6流線分布集中且紊亂。

圖5 窗臺高800 mm流線Fig.5 Streamline of window sill with height of 800 mm

圖6 窗臺高1000 mm流線Fig.6 Streamline of window sill with height of 1000 mm

圖7 窗臺高1100 mm流線Fig.7 Streamline of window sill with height of 1100 mm

經過圖2至圖4的對比和圖5至圖7的對比，可知，選用窗臺高度為1100 mm時，比較符合辦公室通風及辦公標準。經過圖2與圖5、圖3與圖6、圖4與圖7的對比，可知窗戶尺寸為900 mm×1500 mm時，室內流線更均勻。

選用窗臺高度為1100 mm，窗戶尺寸為600 mm×1200 mm和900 mm×1500 mm的房間進行室內通風溫度場變化研究。對比圖8至圖11可看出，夏季辦公室使用自然通風時，室內溫度基本保持在300K左右，大約為27 ℃，符合人體舒適度標準。而室內墻體溫度也基本保持在299～301K，得到了有效的降溫，起到了很好的節能效果。對比圖8與圖9、圖10與圖11可看出開窗面積越大，室內溫度分布越均勻，降溫較好。在不同開窗比例下，室內流線也產生了不同變化。當開窗比例為20%時，室內流線分布不均，大部分區域無法得到有效通風，且靠窗位置流線紊亂，部分區域甚至產生了小旋風；而當滿窗情況下，由圖9與圖11可見，室內流線分布均勻，不僅吹過室內幾乎所有區域，且基本不存在小區域的旋風現象。

綜上所述，可見窗戶尺寸為900 mm×1500 mm，窗臺高1100 mm，滿窗通風的方案最為符合辦公室自然通風要求。

圖8 600 mm×1200 mm 20%開窗溫度場、流線Fig.8 X Temperature field and streamline of 20% open-window(600×1200 mm)

圖9 600 mm×1200 mm滿窗溫度場、流線Fig.9 Temperature field and streamline of full-window(600×1200 mm)

圖10 900 mm×1500 mm 20%開窗溫度場、流線Fig.10 Temperature field and streamline of 20% open-window(900×1500 mm)

圖11 900 mm×1500滿窗溫度場、流線Fig.11 Temperature field and streamline of full-window(900 mm×1500 mm)

4 結論

本研究使用COMSOL Multiphysics軟件對尺寸為3.2 m×5.2 m×3.2 m的辦公室進行了夏季室內自然通風數值模擬。主要通過模擬不同開窗面積、窗臺高度、開窗比例的室內流場及溫度場分布情況，初步得出以下結論：1)在相同的窗戶尺寸下，開窗高度高于1000 mm時，室內的風速、流線分布較均勻，通風效果較好。2)在相同的開窗高度下，窗戶尺寸為900 mm×1500 mm時，室內的風速、流線分布較均勻，通風效果較好。3)在相同的窗戶尺寸及開窗高度的條件下，開窗比例的大小對室內通風效果有著顯著影響，開窗比例越小，越容易造成室內流場分布不均，風進入室內速度急，流線、溫度分布不均勻，存在死角區域，通風效果差，出現小旋風等問題。反之則風速平緩，流線、溫度分布均勻，通風效果較好。