黄山市某办公建筑室内外风环境模拟研究

彭人杰，胡浩威,2,3

（1.安徽建筑大学，安徽 合肥 230601；2.安徽省绿色建筑先进技术研究院，安徽 合肥 230601；3安徽建筑大学建筑室内热湿环境重点实验室，安徽 合肥 230601）

0 前言

随着我国社会发展水平的不断提高，建筑业也得到了大规模的发展。目前据统计，我国既有建筑的面积约800亿m。大规模工程建设已进入向乡村开发，建筑存量时代。而据有关资料显示，我国建筑的寿命约有30年，而由于现实使用及环境等多方面因素，往往达不到建筑寿命就难以使用，其中尤属办公建筑损耗最为严重，因此对既有建筑的节能改造研究也是热门方向。

既有办公建筑设计作为一个既有建筑的重要类型之一，随着我国使用的年限的不断发展增加其建筑市场需求能耗也不断增长，逐渐不能满足建筑内办公管理人员的对于办公环境健康、舒适、环保等要求。所以在正常的建筑寿命内，对既有办公建筑进行适当的绿色节能改造，发挥其最大效益是非常必要的。

室内风环境作为既有办公建筑节能改造的重要一环，对于室内工作人员的健康舒适度有重要影响。所谓风便是由高气压的空气向低气压的空气流动而产生的结果，通风也是使用者对建筑的最基本要求之一。空气的流动必须要有动力，建筑物中的通风系统关键问题在于室内外的压力差，即风压与热压。办公建筑的通风有两个目的，一是利用室外新风与办公建筑内的空气形成置换，保持良好的室内热环境和洁净度，二是利用通风来改善室内热压提高热舒适度。

1 模拟软件

在本文中，使用CFD（计算流体动力学）方法来模拟和评估建筑物的风环境。建立建筑的数学物理模型，通过数字风洞模拟实际的气流和通风条件，解出流体流动方程。本次模拟采用绿建斯维尔Vent 2018绿色建筑通风软件，与《建筑通风效果测试与评价标准》（JGJ/T 309—2013）和《既有建筑绿色改造评价标准》（GB/T 51141—2015）既有办公建筑模拟的评价要求相结合，以直观显示室内气流组织分布。

2 风环境模型建立

2.1 项目概况

项目位于黄山市祁门县政务新区5号地块，南邻梅城大道，西临学府路，北与县税务局毗邻，建设周期为2014年2月至2016年12月，总建筑面积4039m。根据项目改造要求，本文结合黄山市本地风速表一等及项目的开窗方式对通风开口进行折算建立模型结合室外风环境图1，项目外窗可开启部分的面积按实际情况设置，对本项目室外风环境及典型平面的室内自然通风进行模拟，选择建筑2层作为自然通风效果的模拟样本如图2。

图1 室外风模型

图2 2层通风室内模型

黄山市风向数据 表1

2.2 数学模型

Vent2018软件利用的是基于物理守恒原理的有限体积法，采用二阶迎风方式对经过压强校正的差分方程进行离散，代入连续性方程建立起的离散公式，求解出压强量。

软件采用不同标准模型对室外风环境及室内风速数据进行一个模拟。

空气湍流可以使用能量方程、动量方程、连续性方程或组件方程来描述。这些方程式都有共同的形式，形如式（1）：

Γgradφ——扩散项；

S——源项；

φ——通用变量；

Γ——扩散系数。

详细方程可见表2。

三维场模型控制方程组 表2

2.3 物理模型

室内自然通风的必要条件为空气在足够的风压差推动下的流动，而足够的风压差基于室外良好的通风环境，而且必须有合理的利于通风的室内空间布局和构造设计。

例如，如图3所示，代表不同建筑的不同的立体剖面，其中a为平屋顶建筑，b为角的屋顶设计建筑，c为角的屋顶设计建筑，d为建筑俯视图。当风吹向建筑物时，碰到建筑物的迎风面会受到阻碍产生压力。我们规定为正压用+表示；而当气流绕过正面阻挡，在建筑背面和侧面也会产生压力，我们规定为负压用—表示。

图3 建筑物在风力作用下的压力分布

建筑的迎风面和背风面之间的空气流通形成的压力要正好符合满足办公建筑室内空气流动的需要，建筑的地理空间位置、建筑的结构特征、建筑与风形成的夹角都能影响形成的压力继而影响空气流动，故合理的室内外构造布局才是实现良好的室内通风保障。

当气流穿过时，遇到不同的阻碍物产生摩擦力，从而使风的能量减少，进而降低风速。所以风速本身也是发生变化，当受到地面的影响，会呈梯度风，根据高度的变化速度也会发生改变其规律满足式（2）：

式中：

V—h米处的风速，单位m/s；

V—h米处的风速，单位m/s；此处取10m处；

n—指数；

通常情况下，空旷地区或临海地区n取0.14；市区取0.2～0.5，故本次取值为0.2。下面是遇到阻碍物时梯度风示意图（图4）。

图4 梯度风示意图

考虑到实际情况，以大数据的季节性风速平均值为准，故以表1内的参数作为入流边界条件，计算域的边界按照此设定。

3 数值模拟及结果分析

绿建斯维尔Vent2018利用时间最长的过渡季节室外风，采用门窗的风压围室内风的边界条件，模拟得到以下结果，室内二层的风速云图（图5）、风速矢量图（图6）及空气龄云图（图7）。

图5 二层风速云图

图6 二层风速矢量图

图7 二层空气龄云图

通过模拟结果可以发现二层房间面积较大的房间风速0.3m/s～0.4m/s所占比例较多，房间面积偏小尤其是靠中间的房间风速普遍在0.1m/s～0.2m/s，过道的平均风速明显高于房间内。可见即使是同一面墙大致相同的风压对室内的空气流动影响，由于室内面积以及布局影响，产生的差异还是不小的。仅仅通过风速来判断风环境的好坏是不合适的，下面通过计算换气次数来做分析。

自然通风换气次数是指单位时间内通过房间空气体积量与房间体积的比值，单位次/h。根据《既有建筑绿色改造评价标准》（GB/T 51141—2015） 其中4.2.9条对公共建筑的室内自然通风效果的评价规定：过渡季典型工况下公共建筑室内主要功能房间内不低于60%的面积；自然通风平均换气次数不小于2次/h。通过模拟计算得到2层换气次数大于2次/h的占总面积比例，如表3所示，各个不同房间的换气次数情况如表4所示。关于建筑室内风环境的评价方法，目前较常用的就是通过数据的定量分析，根据评价标准给出定性的分数判断好坏。本文也是如此通过改造后的风环境换气次数进行客观评价分析。

换气次数统计 表4

各个房间的换气次数 表5

经模拟分析，由彩图和分析数据可以看出本项目主要功能房间的换气次数大于2次/小时的面积比例大于75%，项目整体的通风效果较好，在设计保障开启率的情况下，通过开窗换气，可以使建筑物在室内获得良好的空气质量。

而室外风环境除了风速，对建筑最直接的影响就是风压，下面进行对建筑物周围风压的模拟分析。

风压的产生是因为建筑物阻挡后，建筑周围静压升高降低动压下降上升，侧面和背面形成涡流。根据标准规定过渡季、夏季正常风速下办公建筑周围人活动的地方不出现无风区或涡旋满足要求；冬季典型风速风向条件下办公建筑周围人活动的地方距地1.5m高的地方，要求风速小于5m/s且风速放大系数小于2满足要求。故下面模拟结果都是为在人活动范围区域1.5m高处所得效果云图、矢量图、风压图。见图8～图19。

图8 冬季风速云图

图9 冬季风速矢量图

图10 冬季正向风压图

图11 冬季反向风压图

图12 夏季风速云图

图13 夏季风速矢量图

图14 夏季正向风压图

图15 夏季反向风压图

图16 过渡季风速云图

图17 过渡季风速矢量图

图18 过渡季正向风压图

图19 过渡季反向风压图

综上所述，从仿真结果的分析可以看出，大楼周边步行区的最大风速为2.27m/s，满足标准规定要求。室外风速放大系数最大处位于项目东南角，大约为1.47，满足标准规定要求。场地内建筑迎风面风压小于2.45Pa，背风面风压大于－2.03Pa，两者压差小于5Pa，满足标准规定要求。各项要求均满足，则可说明该建筑冬季风环境符合使用需求。

从夏季场地风环境模拟结果来看，本项目室外平均风速大小适宜，整体风环境质量较为良好，结合评价标准，对于外窗的表面风压差，从建筑物的局部地图可以看出，外窗内外的风压差可大于0.5Pa的50%以上。从风矢量图可以看出，建筑物周围没有涡流区，提高了人在该处的舒适度。

从场地过渡季的风环境来看，整体通风效果良好，从矢量图局部图中未发现明显的涡旋或无风区域，同时从建筑表面的迎风压和背风压来看，50%以上开启面积风压差大于0.5Pa，因此整体上良好。

4 结论

本文通过绿建斯维尔对既有改造后的办公建筑风环境进行模拟分析，得出的主要结论有：

①项目整体的通风效果较好，在设计保障开启率的情况下，通过开窗换气，可使建筑室内获得良好的空气品质而且不增加经济成本；

②从场地冬季、夏季以及过渡季的风环境质量标准上来看，整体环境较为良好，满足人员活动相关要求，根据室外风环境分析，在开窗情况下可有效地改善室内空气质量，达到通风换气效果，室外活动场地布置在风速较为均衡且适宜区域，可以优化人群在户外活动的体验。