CFD技術(shù)在溫和地區(qū)公共建筑復(fù)合通風(fēng)設(shè)計中的應(yīng)用分析

楊 曄 劉智明 馮儒杰

（云南省設(shè)計院集團有限公司 昆明 650228）

0 引言

溫和地區(qū)，特別是溫和A 區(qū)，具有得天獨厚的氣候條件，在進行通風(fēng)、空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計時，通常可利用良好的氣候條件，優(yōu)先采用通風(fēng)系統(tǒng)解決室內(nèi)余熱余濕。復(fù)合通風(fēng)系統(tǒng)作為一種通風(fēng)效率較高、節(jié)能效果顯著的通風(fēng)系統(tǒng)形式，在溫和地區(qū)（溫和A 區(qū)）應(yīng)用較為廣泛。但目前較多設(shè)計僅僅是簡單地采用換氣次數(shù)法計算出機械通風(fēng)風(fēng)量，再根據(jù)機械通風(fēng)量推算出自然通風(fēng)量及自然通風(fēng)窗面積，未對其實際運行效果做進一步深入分析，導(dǎo)致室內(nèi)溫度、空氣質(zhì)量無法達到設(shè)計要求，舒適度差，且不節(jié)能。針對上述問題，本項目通過CFD 技術(shù)建立模型，在不同設(shè)置條件下對室外風(fēng)環(huán)境、室內(nèi)氣流組織分布進行模擬分析，得出最佳的復(fù)合通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計方案及運行策略。

1 項目所在地氣候條件及建筑造型特點

1.1 項目所在地氣候條件

本項目位于云南省玉溪市易門縣，氣候分區(qū)隸屬于溫和地區(qū)5A2 區(qū)，夏無酷暑（CDD26＜10），冬無嚴寒（700＜HDD18＜1200）。當(dāng)?shù)叵摹⒍臼彝馔L(fēng)計算參數(shù)如表1 所示。

表1 室外通風(fēng)計算參數(shù)Table 1 Calculation parameters of outdoor ventilation

由表1 可見，當(dāng)?shù)貧夂驐l件良好。根據(jù)《云南省民用建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》DBJ53/T-39-2020 規(guī)定，處于溫和地區(qū)的公共建筑，應(yīng)優(yōu)先采用自然通風(fēng)排除室內(nèi)的余熱和余濕；當(dāng)自然通風(fēng)不能滿足要求時，應(yīng)設(shè)置機械通風(fēng)系統(tǒng)或自然與機械的復(fù)合通風(fēng)系統(tǒng)。結(jié)合本項目的投資情況，初步考慮采用通風(fēng)的方式解決房間室內(nèi)熱濕環(huán)境。

1.2 建筑立面特點

本項目建筑面積：3614.8m2；建筑高度：21.9m；一層層高：5.1m。建筑整體造型如圖1 所示。

圖1 建筑整體外立面造型Fig.1 Overall exterior facade of the building

建筑南面臨街，通過在外立面設(shè)置較多外窗，二～五層各房間均可利用大面積外窗進行自然通風(fēng)；但建筑一層西、北、東三側(cè)均緊貼其他建筑，一層三個目標(biāo)房間（商鋪）僅能通過“L”形過道兩個敞開端頭實現(xiàn)通風(fēng)，采用自然通風(fēng)顯然效果不佳，無法滿足室內(nèi)熱濕環(huán)境及空氣質(zhì)量要求。

圖2 建筑一層平面圖Fig.2 Floor plan of the building

圖3 建筑一層“L”形過道剖面Fig.3 "L"shaped corridor section on the first floor of the building

根據(jù)建筑的造型及周圍情況特點，同時秉承節(jié)能設(shè)計、節(jié)能運行的原則，本次設(shè)計決定采用以機械通風(fēng)為主，自然通風(fēng)為輔的復(fù)合通風(fēng)系統(tǒng)，解決一層三個目標(biāo)房間室內(nèi)余熱及空氣質(zhì)量問題。

2 室外通風(fēng)環(huán)境分析

2.1 室外通風(fēng)環(huán)境分析

常規(guī)設(shè)計僅參考了建筑所在區(qū)域的年主導(dǎo)風(fēng)向及冬、夏季室外平均風(fēng)速，并不考慮建筑的位置、朝向及周邊建筑物帶來的影響。為保證通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計的有效性，本次設(shè)計運用CFD 模擬技術(shù)，首先對建筑室外通風(fēng)環(huán)境進行模擬。

由于該復(fù)合通風(fēng)系統(tǒng)在夏季運行頻率較高，故以夏季運行工況作為研究分析對象。模擬得出室外通風(fēng)環(huán)境模擬及“L”形通風(fēng)走道的氣流方向及通風(fēng)量，結(jié)果如圖4、圖5 所示。

圖4 夏季室外通風(fēng)環(huán)境氣流分布圖Fig.4 Air distribution diagram of outdoor ventilation environment in summer

圖5 夏季L 型走道氣流分布圖Fig.5 Air flow distribution of L-shaped corridor in summer

根據(jù)模擬結(jié)果得出，“L”形走道夏季氣流方向均為從南向流至東向，南向開口作為進風(fēng)口，整個“L”形走道平均氣流流速在2m/s～4m/s 范圍內(nèi)；通過“L”形走道的新風(fēng)量約為145000m3/h～280000m3/h，氣流穩(wěn)定且風(fēng)量遠遠大于三個目標(biāo)房間所需自然進風(fēng)量。

2.2 復(fù)合通風(fēng)方式及進、排風(fēng)口的確定

根據(jù)“L”型走道氣流分布圖，本次設(shè)計擬采用機械排風(fēng)為主、自然進風(fēng)為輔的復(fù)合通風(fēng)方式，三個目標(biāo)房間共設(shè)置一套機械排風(fēng)系統(tǒng)，每個房間與“L”形走道的隔墻處設(shè)置一定面積的可開啟外窗作為自然進風(fēng)窗，將機械排風(fēng)系統(tǒng)的出風(fēng)口設(shè)置于“L”形走道的下風(fēng)向側(cè)。系統(tǒng)設(shè)置初步方案如圖6 所示。

圖6 復(fù)合通風(fēng)系統(tǒng)初步方案Fig.6 Preliminary scheme of compound ventilation system

3 房間通風(fēng)量計算及室內(nèi)氣流組織分布情況分析

3.1 房間邊界條件及通風(fēng)量計算

（1）邊界條件設(shè)置

房間外墻、外窗均按穩(wěn)態(tài)邊界考慮，其余內(nèi)墻及樓板不考慮臨室溫差傳熱，其他熱邊界條件如表2 所示。

表2 熱邊界條件表Table 2 Thermal boundary conditions

（2）根據(jù)各房間通風(fēng)負荷熱平衡公式計算得出三個目標(biāo)房間的計算排風(fēng)量，排風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)機風(fēng)量按計算排風(fēng)量的1.1 倍取值，具體結(jié)果如表3 所示。

表3 通風(fēng)系統(tǒng)計算表Table 3 Ventilation system calculation table

根據(jù)排風(fēng)量及適當(dāng)?shù)娘L(fēng)口風(fēng)速（≤3m/s），選擇大小合適的排風(fēng)口，單個排風(fēng)口尺寸600mm×600mm，設(shè)置在房間內(nèi)側(cè)上部，風(fēng)口底部距地3.8m；自然進風(fēng)窗面積按自然進風(fēng)風(fēng)速≤1m/s 計算得出，房間內(nèi)氣流組織為側(cè)進上排。

3.2 房間氣流組織分析及自然進風(fēng)口位置的確定

常規(guī)通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計中，當(dāng)確定風(fēng)量及風(fēng)口初步位置后，僅通過簡單理論計算或經(jīng)驗判斷確定氣流組織，并未考慮室內(nèi)空氣齡參數(shù)及系統(tǒng)運行時的效果，難以保證系統(tǒng)的合理、高效。

再次運用PHOENICS 軟件，并結(jié)合《民用建筑綠色設(shè)計規(guī)范》JGJ/T229-2010 第6.4.1 條的規(guī)定，分別在不同的自然進風(fēng)窗設(shè)置條件下，對三個目標(biāo)房間室內(nèi)風(fēng)環(huán)境進行模擬分析，通過觀察室內(nèi)空氣齡變化情況，得出最佳方案。模擬結(jié)果如下：

設(shè)置條件一：自然進風(fēng)窗設(shè)置在靠近房間頂部的位置，模擬結(jié)果如圖7 所示。

圖7 設(shè)置條件一情況下空氣齡變化分析圖Fig.7 Analysis diagram of air age change under condition 1

以目標(biāo)房間一剖面進行分析，模擬結(jié)果如圖8所示。

圖8 設(shè)置條件一情況下目標(biāo)房間1 剖面空氣齡變化分析圖Fig.8 Analysis diagram of air age change in section 1 of target room under condition 1

由模擬結(jié)果得出，當(dāng)自然進風(fēng)窗設(shè)置在房間上部時，房間新風(fēng)僅在房間上部區(qū)域流動，房間人員活動區(qū)域內(nèi)空氣齡均在588s 左右，最大達到了594s；人員活動區(qū)內(nèi)空氣停留時間過長，新風(fēng)無法及時送至人員活動區(qū)域，而室內(nèi)余熱及污濁空氣又不能及時排除，通風(fēng)效果不佳，系統(tǒng)效率低下，室內(nèi)空氣質(zhì)量難以保障。

設(shè)置條件二：自然進風(fēng)口設(shè)為多個外窗，設(shè)置在房間中下部的位置（下沿距地1.7m），模擬結(jié)果如圖9 所示。

圖9 設(shè)置條件二情況下空氣齡變化分析圖Fig.9 Analysis diagram of air age change under condition 2

同樣以目標(biāo)房間一剖面進行分析，模擬結(jié)果如圖10 所示。

圖10 設(shè)置條件二情況下目標(biāo)房間1 剖面空氣齡變化分析圖Fig.10 Analysis diagram of air age change in section 1 of target room under condition 2

由模擬結(jié)果得出，當(dāng)自然進風(fēng)窗設(shè)置于房間中下部（下沿距地1.7 米）時，房間內(nèi)空氣在熱壓及風(fēng)壓的作用下自下而上流動，室內(nèi)空氣齡分布約為88s～134s，室內(nèi)空氣齡分布較設(shè)置條件一的模擬結(jié)果縮短近5 倍。在此設(shè)置條件下，氣流分布均勻，流向穩(wěn)定，機械排風(fēng)系統(tǒng)及時排除室內(nèi)余熱；同時新風(fēng)能快速送至人員活動區(qū)域，室內(nèi)氣流組織良好，室內(nèi)空氣質(zhì)量及室內(nèi)溫度得以保障，舒適度明顯提高。

3.3 三個目標(biāo)房間復(fù)合通風(fēng)系統(tǒng)最終方案確定

基于CFD 技術(shù)建立模型對三個目標(biāo)房間的復(fù)合通風(fēng)系統(tǒng)初步方案的分析論證，最終確定其復(fù)合通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計方案按設(shè)置條件二實施，如圖11 所示。

圖11 復(fù)合通風(fēng)系統(tǒng)最終方案Fig.11 Final scheme of compound ventilation system

本次復(fù)合通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計方案，充分利用當(dāng)?shù)亓己玫臍夂驐l件，應(yīng)用CFD 技術(shù)在不同條件下對方案進行模擬；同時結(jié)合建筑平面設(shè)計、空間組織及門窗位置與開啟方式，在不影響建筑美觀的前提下，實現(xiàn)房間內(nèi)舒適的空氣環(huán)境。

3.4 復(fù)合通風(fēng)系統(tǒng)運行策略

為配合復(fù)合通風(fēng)系統(tǒng)有效運行，同時結(jié)合《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》GB 50736-2012 中對復(fù)合通風(fēng)系統(tǒng)的相應(yīng)規(guī)定，本項目考慮設(shè)置CO2檢測傳感器、機械排風(fēng)系統(tǒng)排風(fēng)機設(shè)變頻裝置、自然進風(fēng)窗戶設(shè)聯(lián)動系統(tǒng)等一系列監(jiān)測、調(diào)節(jié)機制，根據(jù)不同使用季節(jié)、時段等因素設(shè)定相應(yīng)的運行策略，及時調(diào)節(jié)機械排風(fēng)量及自然進風(fēng)窗開啟面積，在保證室內(nèi)熱濕環(huán)境及空氣質(zhì)量的同時，實現(xiàn)節(jié)能減排。

4 結(jié)語

運用CFD 模擬技術(shù)，對設(shè)計過程中的初步方案進行模擬、分析，在一定程度上保證了最終系統(tǒng)設(shè)計方案的有效性及可實施性。特別對于復(fù)合通風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)用廣泛的溫和地區(qū)，避免了盲目增加系統(tǒng)，或是使用效果不理想造成的投資及使用功能、成本的浪費。以CFD 模擬技術(shù)輔助工程設(shè)計的方式可作為未來的發(fā)展方向，值得大力推廣。