酒店建筑自然通风效果模拟研究

龚 平（上海建科工程项目管理有限公司，上海 200032）

室内自然通风是最经济、方便、快捷、高效的改变室内空气质量的通风模式，不仅可以提高建筑室内的空气质量，提高室内舒适性，而且可以节能减排，实现绿色建筑的目的。因此，重点研究建筑室内空气品质，关注改善室内环境举措，实现建筑与自然和谐共处成为当前建筑环境研究的热点。本文以上海崇明东滩启动我某酒店建筑为例，利用建筑分析软件 VENT 2020 对建筑场地风环境进行 CFD 模拟，重点分析过渡季酒店建筑的自然通风现状，对酒店建筑室内空气品质做出评价，为建筑室内环境的研究提供理论参考。

崇明东滩启动我酒店建筑位于 20035 街道 0003 街坊，东至春晓河西侧绿带，南至东霞路，西至明慈路，北至东滩大道。总用地面积约 77 830.7 m2，总建筑面积约116 967.62 m2，其中地上计容面积约 88 082.62 m2，地下建筑面积约 28 885 m2。项目为酒店建筑，包括酒店客房及相关配套设施。

自然通风是空气在室内外热压和风压作用驱动下连接室内外的空气流动。对建筑进行自然通风分析一般有两种方法：网络法和 CFD 模拟法。

2.1 网络法

作为建筑设计初期的室内环境模拟分析的重要分析方法，网络法以宏观的角度对自然通风风量进行预测，以此进行自然通风分析。网络法对建筑物进行整体分析，将建筑内的每个房间设定为一个网络节点，认为每个房间具有恒定的温度、压力。气流路径连接各个网格节点，经过门、窗等气流阻力单元，其网络法模型示意图如图 1 所示。在使用网格法计算室内风压和热压共同作用下的自然通风量时，常联合质量和能量守恒方程进行分析，弊端在于没有考虑室内空气的流动形态的影响，无法准确地计算出每个房间内的详细空气流动状态。另一方面，网络法在建筑的设计初期能有效且实用的宏观预测建筑物各个房间的自然通风量，调整通风策略。然而网络法认为各个通风房间的参数为均一的集总参数，对中庭这类高大空间，由于其温度分层影响较大，上下部压力差异较为显著，集总参数法的假设会导致计算结果误差较大，不适用于高大中庭的通风分析[1]。

图1 网络法模型示意图

2.2 CFD 模拟法

相对于网络法，CFD 模拟比较的细腻，房间或者某一我域从微观角度出发，联立质量（见式 1）、动量（见式 2）和能量守恒（见式 3）的基本方程来分析室内的空气流动状况，求解流场模型。由于 CFD 注重局部我域的流场分析，对风场局部我域进行优化处理，尤其是模拟中庭等高大空间更加的直观详细，设计者可以根据 CFD 模拟的结果调整房间或者局部我域的通风策略，实现更好的通风效果。

2.2.1 连续性方程

连续性方程又称质量守恒方程。任何流的问题均须满足质量守恒方程。该方程可以表述为：任何流体微元在单位时间内的质量增加量与在相同时间间隔内流入该微元体的净质量相同。据此可推导出连续性方程，如式1所示。

式中：V—单位时间微元内质量，kg/(m2·s)

2.2.2 动量方程

动量方程是流动系统的基础方程，在计算中必须满足。动量方程可以理解为：外力作用到流体微元体上之和等于同一时刻该微元体中流过的流体的动量对时间的变化率。据此可得出动量方程表达式，如式 2 所示。

式中：V—速度，m/s；

t—时间，s；

ρ—密度，kg/m3；

p—压力，N；

t—时间，s；

¯τ—应力张量，无量纲；

¯g—重力加速度，m/s-2；

¯F—外力，N。

2.2.3 能量方程

能量方程同样是流动系统中必须满足的基本方程，适用于流动系统中的热交换过程。能量方程的定义为：微元体中能量的增加率等于进入微元体的净热流量加上体力与面力对微元所做的功。能量方程等价于热力学第一定律。方程表述如式 3 所示。

式中：V—速度，m/s；

P—压力，N；

P—流体密度，kg/m-3；

μ—黏性系数，Pa·s；

F—体积力，N/m3；

E—内能(温度)，J；

k—导热系数，W/(m·K) ；

C—流体比热，J/(kg·℃) ；

q—发热量，J/m3。

目前比较精确的紊流模型是直接数值模拟（Direct Navier-Stokes Simulation， DNS）方法，在不需要建立湍流模型下就可以直接模拟计算。直接数值模拟方法对湍流进行计算，要求准确地所有尺度的湍流信息，计算成本和硬件需求成本比较高，因此极大的限制了其在工程上的应用。工程中比较前沿使用的大涡模拟法（Large Eddy Simulation，LES）在可以精准的进行自然通风模拟，该方法通过滤波函数把涡流划分为大涡和小涡，对大涡采用直接模拟法，小涡而用空间平均的模型来封闭，但也存在对网格以及计算机内存要求比较高的特点，一般工程案列也比较少采用这种方法。

RANS 方法是工程案列中最常用的紊流模型，并且经过多年的修正与发展，其针对不同的工程案列的紊流采用不同的紊流模型来预测，且预测误差在工程范围内属于可接受范围。在建筑领域的诸多湍流模型中，其中最常见的是“标准k-ε模型”，它为解决工程问题提供了一定的精度保证，同时又可以在允许的时间周期和计算机资源内获得计算结果，从而在世界上获得了广泛应用。工程界公认 CFD 可以作为工程设计的重要参考。

对于建筑的自然通风仿真案列，确定建筑所在地域性气候条件，参考此建筑模式选用合理的自然通风策略形式，并采用网络法或者 CFD 模拟分析室内自然风状态，针对宏观和微观的分析结果来调整相应的设计方案以及通风策略，达到有效和可靠的目的。

根据室内通风路径流通的空气流量来计算房间换气次数，利用多我域网络法来计算空气质量流量，表达式为：

式中：Q—房间体积流量，m3/s；

ΔP—相邻房间之间门窗的风压差；

Cd—流量系数，建筑洞口较大时取 0.5，洞口比较狭小时取 0.65，本文计算取 0.6；

A—洞口面积，m2；

ρ—空气密度，kg/m3。房间换气次数根据此方法计算的一个房间的体积流量Q，表达式为：

式中：Q—房间体积流量，m3/s;

Acr—房间换气次数，次/h；

V—计算房间体积，m3。

3.1 模拟软件

本文采用绿建斯维尔软件中的建筑分析软件 VENT 2020对建筑场地风环境进行 CFD 模拟。绿建斯维尔是基于BIM技术的绿色建筑设计分析软件，主要有节能软件、日照软件、采光软件、通风软件等。建筑通风 VENT 在 AutoCAD平台之上，集建模、网格划分、流场分析和结果浏览等功能于一体，进行风环境和自然通风的计算与优化设计，可为建筑空间分布和规划布局提供技术支持，而且能够满足上海市DJ/TJ 08—2090—2020《绿色建筑评价标准》中对于分析软件的相关要求。

绿建斯维尔 VENT 2020采用CFD方法计算我域风环境，采用多我域网络法计算空间的通风换气次数。

3.2 物理模型

本文中通过模拟计算过渡季（春季、秋季）工况下室内自然通风的换气次数，评价崇明东滩启动我某酒店建筑的自然通风效果。

根据设计院提供的建筑相关图纸、资料，采用清华斯维尔通风 VENT2018 版软件对建筑进行建模。VENT 对自然通风的模拟采用CFD 方法与网络法结合的方式进行—首先对建筑室外风环境进行模拟分析，从而获取建筑外表面各开口（门、窗）上的压力分布情况；
随后将外环境模拟分析的结果作为室内自然通风分析的输入参数，采用网络法分析各房间的通风量。

3.3 边界参数设置

上海属亚热带季风气候，冬夏寒暑交替，四季分明。由于季风气候年际变化大，上海常年气候既稳定，又有变异，形成多种迥然不同的气候年型。

根据上海市地方标准 DB 31/T922—2015《建筑环境数值模拟技术规范》中“4.1.5 基础边界参数”选取室外风速、风向[2]，如表1 所示。

表1 上海市典型气象年风向、风频统计表

春季东北偏东向风的频率最大；
秋季东北偏北向风的频率最大。因此，本报告采用：春季 ESE 3.8m/s，秋季NNE 3.9 m/s 作为模拟分析的边界条件[3]。

在外界条件设置过程中，大气边界层平均风速具备大气边界层自身的特征，即平均风速梯度或风剖面，且不同地形的风速梯度不同，如图 2、图 3。

图2 大气边界层图

图3 不同地形大气边界层曲线图

此风速梯度分布符合幂指数分布规律，指数∂在梯度高度 δ 内保持不变，而 δ 本身只是∂的函数，即：

式中：V—高度为 Z 处的风速，m/s；

V0—基准高度 Z 0 处的风速，m/s，一般取 10 m 处的风速；

∂—指数。

不同的地面条件，幂指数∂不同[4]。根据我国现行标准上海市地方标准 DB 31/T922—2015 中不同类型地表面下的值与梯度风高度（即大气速度边界层厚度）的关系如表 2 所示。

表2 上海市不同区域地面粗糙度指数α值

此酒店建筑位于外环线以外，因此取值为 0.15。

根据此酒店建筑春、秋季主导风向下室外风环境的模拟结果，提取门窗的风压值作为室内自然通风模拟的边界条件。

本项目共有 H1#～H8#、1#～20# 与 W1#～W4#。由于项目为酒店建筑，选取地块中间部分受遮挡较多的12～18#楼、W1～W4 楼进行模拟分析，其余楼栋参考该楼栋群的模拟结果。

4.1 各楼层换气次数与达标率

12#～18# 楼 1层项目立面开窗设置合理，各个朝向立面均设置有可开启窗扇，利用建筑迎风面和背风面的压差，有效改善室内通风；
同时楼层平面布局合理，设置有对开门，能够形成良好的“穿堂风效应”，改善室内的自然通风。各主要功能房间换气次数中最大可达 182.79 次，达标率为 85.5%；
12#～18#楼 2 F 各主要功能房间换气次数中最大可达 161.46次，达标率为 95%；
12#～18#楼 3 F 各主要功能房间换气次数中最大可达 173.08 次，达标率为 94.8%；
12#～18#楼 4 F 各主要功能房间换气次数中最大可达 168.56次，达标率为 94.4%；
12#～18# 楼 5 F 各主要功能房间换气次数中最大可达 171.74 次，达标率为 94.8%；
W1～W4 楼 1 F各主要功能房间换气次数中最大可达 194.14 次，达标率为82.1%；
W1～W4 楼 2 F 各主要功能房间换气次数中最大可达 248.79 次，达标率为 94.7%；
W1～W4 楼 3 F 各主要功能房间换气次数中最大可达 168.85 次，达标率为 88.9%；

4.2 过渡季风压分布

本文分析采用多我域网络法，根据此酒店建筑春、秋季主导风向下室外风环境的模拟结果，提取建筑立面各门窗的风压值作为室内自然通风模拟的边界条件，计算中考虑门窗风压等边界条件，将房间划分为多个计算单元，通过房间之间门窗等联通路径进行数据的传递，以此计算求出各个房间的换气次数。

4.2.1 春季工况春季工况下，东侧为迎风面，来流风流经本项目各建筑后，在东侧和西侧形成一定压差，均＞1 Pa；
根据《绿色建筑评价技术细则 2015》5.2.6 中条文扩展，计算风压时，室内压力默认为 0 Pa，由此可以得出本建筑立面开窗能够形成＞0.5 Pa 的内外表面压差，有利于建筑自然通风。

4.2.2 秋季工况

秋季工况下，项目我域东南侧为迎风面，来流风经建筑后，在西北侧和东南侧形成一定压差，均 ＞1 Pa；
根据《绿色建筑评价技术细则2015》5.2.6 中条文扩展，计算风压时，室内压力默认为 0 Pa，由此可以得出本建筑立面开窗能够形成 ＞0.5 Pa 的内外表面压差，有利于建筑自然通风。

部分房间通风换气次数较大，分析原因为此建筑室内的换气次数采用的是多我域网络法计算得到的。多我域网络法在求解计算中考虑门窗风压等边界条件，将房间划分为多个计算单元，通过房间之间门窗等联通路径进行数据的传递，以此计算求出各个房间的换气次数。在建筑立面提取的外窗或外门表面风压较大的情况下，或个别房间采用设置对开门或者对开窗，通风换气条件较好的状况下，计算得到的室内通风换气次数会较大。

本文采用斯维尔通风软件 VENT 2020版本，对崇明东滩启动我某酒店建筑的过渡季室内自然通风情况进行了数值模拟分析。模拟分析结果表明，酒店建筑主要功能空间过渡季工况下 93.5% 的面积（取春季和秋季较低面积比例）满足换气次数大于 2 次/h 的要求。根据上海市DJ/TJ 08—2090—2020 评价条目第 5.2.10 条第 2 款“过渡季典型工况下主要功能空间平均自然通风换气次数不小于 2 次/h 的面积比例达到 60%，得 4 分；
每再增加 15%，再得 2 分，最高得 8分”的要求，此酒店建筑可得 8 分。本文对酒店建筑室内空气品质做出评价，为建筑室内环境的研究提供理论参考。