北京工业大学 杜泽强，樊洪明
【摘 要】伴随中国城市化进程和经济发展，中国办公建筑能耗快速增长，办公建筑节能议题受到越来越多人的重视。本文以北京某回字形高层办公楼为研究对象，通过实地调研系统分析该地区高层建筑自然通风特点和问题，提出设计方案：在办公楼三层东西两侧各开通一跨作为室外空间，通过开启该处外窗的大小，调节内庭院通风。根据建筑基本数据建立相关物理模型，采用scsTREAM软件，在考虑太阳辐射和室外环境的影响下进行数值模拟，探究开通三层窗户通道前后的自然通风改善效果。
【关键词】自然通风；高层建筑；数值模拟；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
伴随中国城市化进程和经济发展，中国办公建筑能耗快速增长，办公建筑节能议题受到越来越多人的重视。在我国建筑能耗中，空调的能耗已经成为建筑能耗中的一个主体，大约占据建筑总能耗的70％。
建筑中典型的主动式设计是空调系统的采用，其能源消耗约占建筑相关消耗的 50%[1]，同时也加剧了城市热岛效应。为降低能耗，应充分利用被动式中的自然通风，给建筑使用者提供舒适的热环境和健康的室内环境。相关研究表明，自然通风比机械通风的办公建筑节能达 30%~40%[2]。可见自然通风的采用既能降低能耗、减少污染，以取代或部分取代空调，也能实现节能的目的。而中庭类建筑在自然通风方面有着得天独厚的优势，越来越多的中庭也被应用在公共建筑中，并且中庭这种建筑内部形式的作用也越来越重要，不仅起到了调节室内空间微气候的作用，还能提高空间内活动区域环境的舒适性[3]。
中庭是建筑室内外空间自然气候相交换的场所，室外环境的变化先作用于中庭，通过中庭空间的过渡，再作用于建筑内部的其余使用空间，这样既能减缓室内外的热量交换速度，也能够降低建筑物的热损失[4]。中庭的形状和大尺寸也决定了特有的自然现象：烟囱效应。烟囱效应是由于太阳辐射和温度梯度的共同作用，导致密度小的热空气向上移动，密度大的冷空气向下移动，中庭出现上层温度升高，底层空气温度偏低的情况[5]。应充分的利用中庭空间存在的特点与自然通风相结合，达到室内空间舒适以及建筑节能的目的。
本文对寒冷地区北京某回字形高层办公楼进行调研分析，采用scSTREAM数值模拟软件，根据实测数据建立相关模型。在考虑太阳辐射和室外环境的影响下进行数值模拟，探究开通三层窗户通道前后的自然通风改善效果，分析三层窗户关闭或打开对高层建筑中庭区域内气流组织的影响。
1 项目概况
本研究选取北京市某回字形办公楼为研究对象，整体结构如图1所示，共11层，总高度44.4m，其中首层层高一层二层总高度8.3米，三至十一层层高3.9米。东西方向跨度118米，南北方向总共86米。
图1 办公楼外观示意图
2 数值仿真模拟
2.1 研究目标
为了分析三层窗户通道开启或关闭对中庭区域气流组织的影响，确立了本文的研究目标。在夏季，考虑到太阳辐射对办公楼半透明外围护结构的影响，选取七月份为典型工况月份以及相关室外边界条件，分别模拟开启通道及关闭通道两种工况下的气流组织、温度场，分析室外温度和室外风速风向对中庭区域自然通风的影响。
通过仿真结果，探讨中庭区域速度场、温度场的分布特点，研究三层通道开启或关闭对中庭区域内气流组织的影响，对办公楼中庭环境进行优化，探讨数值模拟对办公楼自然通风优化设计的合理性与可行性。
2.2 办公楼数值模型建立
模型根据CAD图纸尺寸建立。共11层，总高度44.4米，其中首层层高一层二层总高度8.3米，三至十一层层高3.9米。东西方向跨度118米，南北方向总共86米。关闭三层窗户通道的模型立体图如图2，打开三层窗户通道的模型立体图如图3。
图2 三层窗户通道关闭模型图 图3 三层窗户打开模型图
2.3 边界条件
根据已有的设计参数以及查找相关文献，各边界条件设置如下：
（1）气象边界条件：项目地点位于北京市，选取夏季的室外平均风速和室外平均温度为进风口的边界条件，出风口为自由出流。根据《采暖通风与空气调节设计规范》
北京市夏季最多风向为SW向，室外平均风速为2.1m/s，通风计算温度为29.7℃。
（2）壁面边界条件：太阳辐射强度取南墙及屋顶500W/m2，将各壁面定义为source condition，并按照太阳辐射量结果分别赋予壁面的发热量（W/m2）。
2.4 网格独立性检验
运用CFD分析计算室内热环境时，模型网格的数量、质量对计算结果的影响至关重要[6]。收敛时间随网格数量的增加而增加。但网格数较少时，其计算值与模型试验对比误差较大。且当网格数量增加到一定程度后，再继续增加网格时对于精度的提高影响甚微，却大幅度增加了计算时间，造成计算资源的浪费。因此，非常重要的一点便是对网格独立性进行检验，从而在保证数值计算结果准确性的前提下尽可能地提高计算机的运算效率。网格独立性检验即检测数值计算结果与网格密度无关，通常的方法是以某一比例让网格数量增加到一定数值后，再增加网格数量，使计算结果变化将越来越小甚至不再变化。故网格独立性检验在一定程度上弥补了无试验数据支撑的缺陷[7]。
2.5 计算区域设定及网格划分
建筑风环境模拟的计算区域一般取较大的范围空间，以使得来流充分发展，根据文献[8]，确定风环境模拟计算域的长度、宽度、高度分别为建筑物高度的10倍，10倍和4倍。即:建筑覆盖区域占计算域区域的比例≤3%，建筑上方计算区域≥3倍的建筑物高度，水平计算区域以目标建筑为中心的半径为5倍的建筑物高度范围，如图4所示。
图4 计算区域示意图
网格划分采取分区划法，在不同的区域采取不同的网格密度。在办公楼三层通道处和建筑物外表面附近的网格进行局部加密，提高计算速度和计算精度。结果显示网格数量控制在407万左右即可满足本文模拟中庭自然通风效果的计算要求。网格划分如图5所示。
图5 网格划分设置
3 数值模拟结果和分析
3.1 数值模拟结果
三层通道关闭时回字形高层办公楼中庭区域的速度场和温度场模拟结果如图6-10所示。
图6三层中间位置截面风速云图 图7纵切面风速云图
图8纵切面风速矢量图 图9三层中间位置截面温度云图
图10纵切面温度云图
三层通道打开时回字形高层办公楼中庭区域的速度场和温度场模拟结果如图11-17所示。
图11三层中间位置截面风速云图 图12纵切面风速云图
图13纵切面风速矢量图图 图14三层中间位置截面温度云图
图15中间切面温度云图
3.2 数值模拟结果分析
在没有三层窗户通道引导空气流动时，从速度场云图、矢量图可以发现，风进入中庭后，中庭开口和中间位置风速较大，室内风环境波动剧烈，但随着层高的增加逐渐减小，风最终从顶层开口处流出。从温度云图可以看出，在壁面处受到太阳辐射的影响附近的温度会比中庭里侧高一些。
在开启三层窗户通道后，在热压和风压的共同作用下，室内风环境波动增大。中庭三层中间位置的风速对比未开通前明显增大，各层的风速相对也有所增加，中庭内部的气流则由原来的不规则涡流变为有规则的由西向东流入，自下而上流出，中庭风速变大，温度也相应降低。风压和热压共同作用可以有效的降低中庭内温差，减小“烟囱效应”，提高室内舒适度。
4 结论
4.1 CFD模拟技术在自然通风研究上的优点
（1）通过前文内容我们可以看到，采用CFD可以对回字形高层办公楼的自然通风效果进行具体仿真，不但能得出更为准确的设计参数，也可以针对模拟结果进行室内的优化，数值仿真可为设计提供良好的数据支持，对于高层建筑中庭的设计，借助CFD工具可设计的更加合理。
（2）CFD技术具有方便、省时、成本低和运用范围广等优点, 应用于自然通风领域可以对建筑内部气流组织、温度场等参数进行准确地预测与分析。
4.2 总结与讨论
自然通风利用风压、热压进行通风，不仅能提高室内空气质量，还能有效降低建筑空调能耗。利用自然通风降低办公建筑空调能耗，是办公建筑节能的重要手段。办公楼中庭可作为交通区域还兼备休息、休闲功能，但其本身的形状与大尺寸产生了烟囱效应这种特殊的现象，带来空气品质差等问题，影响了室内舒适度。如今为了解决此问题往往依赖于空调系统等能耗高的阶段，而忽视了自然通风这个被动式节能手段的使用。
本文模拟的两种工况的目的是在于分析三层通道的开启或关闭对中庭区域自然通风效果的影响，对高层办公内部自然通风环境进行优化设计，并且探讨数值模拟对高层建筑自然通风研究的合理性和可行性。
对比两种工况的模拟结果，三层通道的开启增强了自然通风效果，降低了中庭内部的温差，并使得中庭内部气流组织更为均匀，综合来看，开启三层通道的优化设计方案可行。
参考文献
[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] 刘敬龙.基于数值模拟的大空间中庭形态对自然通风的影响研究[D]. 昆明理工大学, 2014.
[4] 陈旻.热缓冲技术在建筑节能方面的应用[J].建筑技术,2010,41(07):638-640.
[5] 谢君琳.广州地区可通风中庭热环境模拟与实测研究[D].华南理工大学, 2011.
[6] 郝胜昌.基于数值仿真的某候车厅分层空调设计方案优化研究[D].西安建筑科技大学硕士论文,2017:1-91.
[7] 胡宇,黄晨,蔡宁.大空间建筑及其相似放大建筑的室内热环境模拟分析[J].流体机械, 2012,40(9):67-71.
[8] 黄河. 北方高层住宅自然通风评价方法研究[D].清华大学,2013
备注：本文收录于《建筑环境与能源》2021年4月刊 总第42期（第二十届全国暖通空调模拟学术年会论文集）。版权归论文作者所有，任何形式转载请联系作者。
