北京工業大學  杜澤強，樊洪明

       【摘  要】伴隨中國城市化進程和經濟發展，中國辦公建筑能耗快速增長，辦公建筑節能議題受到越來越多人的重視。本文以北京某回字形高層辦公樓為研究對象，通過實地調研系統分析該地區高層建筑自然通風特點和問題，提出設計方案：在辦公樓三層東西兩側各開通一跨作為室外空間，通過開啟該處外窗的大小，調節內庭院通風。根據建筑基本數據建立相關物理模型，采用scsTREAM軟件，在考慮太陽輻射和室外環境的影響下進行數值模擬，探究開通三層窗戶通道前后的自然通風改善效果。

       【關鍵詞】自然通風；高層建筑；數值模擬；CFD

Abstract: With the process of urbanization and economic development in China, the energy consumption of office buildings in China has grown rapidly, and the issue of energy efficiency in office buildings has received more and more attention. This paper takes a high-rise office building in Beijing as the research object, systematically analyzes the characteristics and problems of natural ventilation of high-rise buildings in this area through field research, and puts forward a design scheme: open a span on the east and west sides of the third floor of the office building as the outdoor space, and adjust the ventilation of the inner courtyard by opening the size of the outer window.Establish relevant physical models based on basic building data, use scsTREAM software to conduct numerical simulations under the consideration of the influence of solar radiation and outdoor environment to explore the improvement effect of natural ventilation before and after opening the window passage of the third floor.

Key words: Natural ventilation;High-rise building; Numerical simulation;CFD

0 引 言

       伴隨中國城市化進程和經濟發展，中國辦公建筑能耗快速增長，辦公建筑節能議題受到越來越多人的重視。在我國建筑能耗中，空調的能耗已經成為建筑能耗中的一個主體，大約占據建筑總能耗的70％。

       建筑中典型的主動式設計是空調系統的采用，其能源消耗約占建筑相關消耗的 50%^[1]，同時也加劇了城市熱島效應。為降低能耗，應充分利用被動式中的自然通風，給建筑使用者提供舒適的熱環境和健康的室內環境。相關研究表明，自然通風比機械通風的辦公建筑節能達 30%~40%^[2]?？梢娮匀煌L的采用既能降低能耗、減少污染，以取代或部分取代空調，也能實現節能的目的。而中庭類建筑在自然通風方面有著得天獨厚的優勢，越來越多的中庭也被應用在公共建筑中，并且中庭這種建筑內部形式的作用也越來越重要，不僅起到了調節室內空間微氣候的作用，還能提高空間內活動區域環境的舒適性^[3]。

       中庭是建筑室內外空間自然氣候相交換的場所，室外環境的變化先作用于中庭，通過中庭空間的過渡，再作用于建筑內部的其余使用空間，這樣既能減緩室內外的熱量交換速度，也能夠降低建筑物的熱損失^[4]。中庭的形狀和大尺寸也決定了特有的自然現象：煙囪效應。煙囪效應是由于太陽輻射和溫度梯度的共同作用，導致密度小的熱空氣向上移動，密度大的冷空氣向下移動，中庭出現上層溫度升高，底層空氣溫度偏低的情況^[5]。應充分的利用中庭空間存在的特點與自然通風相結合，達到室內空間舒適以及建筑節能的目的。

       本文對寒冷地區北京某回字形高層辦公樓進行調研分析，采用scSTREAM數值模擬軟件，根據實測數據建立相關模型。在考慮太陽輻射和室外環境的影響下進行數值模擬，探究開通三層窗戶通道前后的自然通風改善效果，分析三層窗戶關閉或打開對高層建筑中庭區域內氣流組織的影響。

1 項目概況

       本研究選取北京市某回字形辦公樓為研究對象，整體結構如圖1所示，共11層，總高度44.4m，其中首層層高一層二層總高度8.3米，三至十一層層高3.9米。東西方向跨度118米，南北方向總共86米。

圖1 辦公樓外觀示意圖

2 數值仿真模擬

       2.1 研究目標

       為了分析三層窗戶通道開啟或關閉對中庭區域氣流組織的影響，確立了本文的研究目標。在夏季，考慮到太陽輻射對辦公樓半透明外圍護結構的影響，選取七月份為典型工況月份以及相關室外邊界條件，分別模擬開啟通道及關閉通道兩種工況下的氣流組織、溫度場，分析室外溫度和室外風速風向對中庭區域自然通風的影響。

       通過仿真結果，探討中庭區域速度場、溫度場的分布特點，研究三層通道開啟或關閉對中庭區域內氣流組織的影響，對辦公樓中庭環境進行優化，探討數值模擬對辦公樓自然通風優化設計的合理性與可行性。

       2.2 辦公樓數值模型建立

       模型根據CAD圖紙尺寸建立。共11層，總高度44.4米，其中首層層高一層二層總高度8.3米，三至十一層層高3.9米。東西方向跨度118米，南北方向總共86米。關閉三層窗戶通道的模型立體圖如圖2，打開三層窗戶通道的模型立體圖如圖3。

圖2 三層窗戶通道關閉模型圖                          圖3 三層窗戶打開模型圖

       2.3 邊界條件

       根據已有的設計參數以及查找相關文獻，各邊界條件設置如下：

       （1）氣象邊界條件：項目地點位于北京市，選取夏季的室外平均風速和室外平均溫度為進風口的邊界條件，出風口為自由出流。根據《采暖通風與空氣調節設計規范》

       北京市夏季最多風向為SW向，室外平均風速為2.1m/s，通風計算溫度為29.7℃。

       （2）壁面邊界條件：太陽輻射強度取南墻及屋頂500W/m²，將各壁面定義為source condition，并按照太陽輻射量結果分別賦予壁面的發熱量（W/m²）。

       2.4 網格獨立性檢驗

       運用CFD分析計算室內熱環境時，模型網格的數量、質量對計算結果的影響至關重要[6]。收斂時間隨網格數量的增加而增加。但網格數較少時，其計算值與模型試驗對比誤差較大。且當網格數量增加到一定程度后，再繼續增加網格時對于精度的提高影響甚微，卻大幅度增加了計算時間，造成計算資源的浪費。因此，非常重要的一點便是對網格獨立性進行檢驗，從而在保證數值計算結果準確性的前提下盡可能地提高計算機的運算效率。網格獨立性檢驗即檢測數值計算結果與網格密度無關，通常的方法是以某一比例讓網格數量增加到一定數值后，再增加網格數量，使計算結果變化將越來越小甚至不再變化。故網格獨立性檢驗在一定程度上彌補了無試驗數據支撐的缺陷^[7]。

       2.5 計算區域設定及網格劃分

       建筑風環境模擬的計算區域一般取較大的范圍空間，以使得來流充分發展，根據文獻[8]，確定風環境模擬計算域的長度、寬度、高度分別為建筑物高度的10倍，10倍和4倍。即:建筑覆蓋區域占計算域區域的比例≤3%，建筑上方計算區域≥3倍的建筑物高度，水平計算區域以目標建筑為中心的半徑為5倍的建筑物高度范圍，如圖4所示。

圖4 計算區域示意圖

       網格劃分采取分區劃法，在不同的區域采取不同的網格密度。在辦公樓三層通道處和建筑物外表面附近的網格進行局部加密，提高計算速度和計算精度。結果顯示網格數量控制在407萬左右即可滿足本文模擬中庭自然通風效果的計算要求。網格劃分如圖5所示。

圖5 網格劃分設置

3 數值模擬結果和分析

       3.1 數值模擬結果

       三層通道關閉時回字形高層辦公樓中庭區域的速度場和溫度場模擬結果如圖6-10所示。

圖6三層中間位置截面風速云圖                                    圖7縱切面風速云圖

圖8縱切面風速矢量圖                                   圖9三層中間位置截面溫度云圖

圖10縱切面溫度云圖

       三層通道打開時回字形高層辦公樓中庭區域的速度場和溫度場模擬結果如圖11-17所示。

圖11三層中間位置截面風速云圖                                    圖12縱切面風速云圖

圖13縱切面風速矢量圖圖                        圖14三層中間位置截面溫度云圖

圖15中間切面溫度云圖

       3.2 數值模擬結果分析

       在沒有三層窗戶通道引導空氣流動時，從速度場云圖、矢量圖可以發現，風進入中庭后，中庭開口和中間位置風速較大，室內風環境波動劇烈，但隨著層高的增加逐漸減小，風最終從頂層開口處流出。從溫度云圖可以看出，在壁面處受到太陽輻射的影響附近的溫度會比中庭里側高一些。

       在開啟三層窗戶通道后，在熱壓和風壓的共同作用下，室內風環境波動增大。中庭三層中間位置的風速對比未開通前明顯增大，各層的風速相對也有所增加，中庭內部的氣流則由原來的不規則渦流變為有規則的由西向東流入，自下而上流出，中庭風速變大，溫度也相應降低。風壓和熱壓共同作用可以有效的降低中庭內溫差，減小“煙囪效應”，提高室內舒適度。

4 結論

       4.1 CFD模擬技術在自然通風研究上的優點

       （1）通過前文內容我們可以看到，采用CFD可以對回字形高層辦公樓的自然通風效果進行具體仿真，不但能得出更為準確的設計參數，也可以針對模擬結果進行室內的優化，數值仿真可為設計提供良好的數據支持，對于高層建筑中庭的設計，借助CFD工具可設計的更加合理。

       （2）CFD技術具有方便、省時、成本低和運用范圍廣等優點, 應用于自然通風領域可以對建筑內部氣流組織、溫度場等參數進行準確地預測與分析。

       4.2 總結與討論

       自然通風利用風壓、熱壓進行通風，不僅能提高室內空氣質量，還能有效降低建筑空調能耗。利用自然通風降低辦公建筑空調能耗，是辦公建筑節能的重要手段。辦公樓中庭可作為交通區域還兼備休息、休閑功能，但其本身的形狀與大尺寸產生了煙囪效應這種特殊的現象，帶來空氣品質差等問題，影響了室內舒適度。如今為了解決此問題往往依賴于空調系統等能耗高的階段，而忽視了自然通風這個被動式節能手段的使用。

       本文模擬的兩種工況的目的是在于分析三層通道的開啟或關閉對中庭區域自然通風效果的影響，對高層辦公內部自然通風環境進行優化設計，并且探討數值模擬對高層建筑自然通風研究的合理性和可行性。

       對比兩種工況的模擬結果，三層通道的開啟增強了自然通風效果，降低了中庭內部的溫差，并使得中庭內部氣流組織更為均勻，綜合來看，開啟三層通道的優化設計方案可行。

參考文獻

       [1] prez-Lombard L.,Ortiz J.,Pout C.A review on buildings energy consumption information[J].Energy and Buildings,2008,40(3):394-398.
       [2] Schulze T, Eicker U. Controlled natural ventilation for energy efficient buildings[J].Energy and Buildings, 2013, 56: 221-232. 
       [3] 劉敬龍.基于數值模擬的大空間中庭形態對自然通風的影響研究[D]. 昆明理工大學, 2014.
       [4] 陳旻.熱緩沖技術在建筑節能方面的應用[J].建筑技術,2010,41(07):638-640. 
       [5] 謝君琳.廣州地區可通風中庭熱環境模擬與實測研究[D].華南理工大學, 2011. 
       [6] 郝勝昌.基于數值仿真的某候車廳分層空調設計方案優化研究[D].西安建筑科技大學碩士論文,2017:1-91.
       [7] 胡宇,黃晨,蔡寧.大空間建筑及其相似放大建筑的室內熱環境模擬分析[J].流體機械, 2012,40(9):67-71.
       [8] 黃河. 北方高層住宅自然通風評價方法研究[D].清華大學,2013

       備注：本文收錄于《建筑環境與能源》2021年4月刊 總第42期（第二十屆全國暖通空調模擬學術年會論文集）。版權歸論文作者所有，任何形式轉載請聯系作者。