基于COMSOL软件下办公建筑室内通风研究

杨 琳

厦门大学嘉庚学院（363105）

0 前言

办公建筑室内通常使用了大量建筑装饰材料，同时人员和办公设施较多，需要保证室内通风良好，以便使各种污染物得到及时清除。因此，加强建筑自然通风设计，能够优化室内空气环境，降低建筑能耗，从而营造良好的室内环境。但自然通风需要凭借风压、热压作用，通风效果与气候条件、室内布局、窗户结构等因素密切相关，需要借助仿真软件对室内空气流动效果展开分析，为建筑通风设计提供科学依据。

1 COMSOL软件概述

办公建筑室内通常使用了大量建筑装饰材料，COMSOL软件是面向研发中心、实验室、技术性企业等机构人员开发的产品，集验证、仿真、优化设计功能为一体，能够通过模拟真实世界中各种物理场现象为产品设计和技术开发提供各类辅助工具[1]。COMSOL Multiphysics首个版本在1998年发布，之后不断增加力学、电磁场、流体、传热等各领域模块，能够与CAD、MATLAB等常用软件实现接口对接和工具无缝集成。

作为高级数值仿真软件，COMSOL将有限元法当成是基础，能够实现单场或多场物理现象仿真分析，可以帮助用户快速建立模型，轻松定义常数、函数等边界条件，凭借数学方法求解问题。COMSOL在四面体网格划分模型基础上增设了六面体和棱柱体，可以在Linux Solar-is等系统平台搭载，获得强大运算求解能力，并且可以实现双向直接耦合分析，能够保证分析得到的数据拥有较高精度[2]。而内嵌CAD建模等工具能够直接输入CAD文件，在软件中进行二维和三维模型的建立，从而为产品设计提供便利。

2 办公建筑室内通风设计思路

2.1 建筑概况

某高层办公建筑总面积3.8万m2，共22层，3～18层属于办公区，上层为高层会议室及会客厅。建筑标准层平面尺寸为45 m×25 m，以核心筒为中心，筒体面积占总体22%～25%，环绕四周进行办公区域布局。内部功能空间包含独立办公室、敞开办公室、会议室和卫生间等辅助用房。项目位于夏热冬冷地区，属于亚热带季风性湿润气候，年均气温15.7℃，平均相对湿度77%。为了减少建筑夏季空调能耗，需要加强自然通风设计。

2.2 通风设计

从自然通风形成过程来看，风在遭遇建筑阻碍后，将向上方和两侧移动，使迎风侧气压稍高，在建筑表面形成风压力差，通过在任意两点开口可以形成气流驱动力。风压力差的形成，与室内布局和通风构件等多项因素有关。

在方案设计阶段，需要结合场地条件进行朝向选择，同时避免迎风面过大导致回流风产生，使室内进风量受到影响。针对不同功能区域，还要结合需求进行室内排布。根据室内通风原理，核心筒位于中心位置将造成背风面较大，对通风产生较大影响，因此需要进行结构布局优化，通过调整核心筒位置并做好流线组织设计，减少通风遮挡。

建筑立面采用玻璃幕墙采光，容易造成夏季室内温度过高，无法利用风压带走，需加强热压通风设计。设置立面窗户，夏季开启后将加热后的室内空气通过高侧窗排出，将室内余热带走，并引入新鲜空气。考虑到建筑处于夏热冬冷地区，为保证冬季室内温度，同时满足建筑结构设计要求，应保证窗户结构尺寸合适，不仅可以加强自然通风利用率，还能保证室内舒适性。

在通风构件设计上，可以选择平开窗、悬开窗、推拉窗等不同窗扇，其中平开窗通风效果最佳，但风速过大。作为高层建筑，为保证安全通常采用悬开窗，通过调节开启角度改变室内进风角度，闭合时可以产生较强密封性。但悬开窗分为上悬窗、中悬窗和下悬窗，因此要结合开窗结构进行合理选择。

通过上述分析可知，影响建筑室内通风因素较多，按照传统设计方法，单纯凭借理论和经验提出设计方案，难以取得最优通风效果，因此需要通过数值模拟进行自然通风分析。采用COMSOL软件对标准层室内流场和温度场进行模拟预测，分析相同条件下不同布局结构、窗户结构和通风构件设计给室内通风带来的影响，能够为室内通风的优化设计提供可靠的数据。

3 办公建筑室内通风模拟分析

3.1 模型设置

在对建筑室内通风进行模拟分析时，窗口朝向为东南，将窗和门分别当成进风口和出风口。结合建筑所在地区气候条件可知，通常在夏季7-8月频繁使用空调，采用COMSOL软件的CFD模型进行不同设计方案比对时，可以对7月建筑室内通风效果进行预测。室内空气流动为复杂过程，渉及温度场和流场，需要采用k-ε(spf)方程作为模型，保持较小数值计算波动的同时，获得结果精度较高[3]。结合建筑条件，需要假设入口拥有均匀风速和温度，室内相对湿度保持为81%，并且人员静止不动。在模型中引入湍流，并利用瞬态方程对模型进行计算，从室内结构布局、窗户结构、通风构件角度实现通风优化设计。

3.2 边界条件

在边界条件设置上，在对平面布局对通风效果带来的影响展开分析时，为排除窗口结构等条件干扰，在四个朝向立面按照1.8 m的间隔开设2.4 m×2 m窗口。按照15°步长设置工况，需要在进风与建筑南向夹角分别为30°、45°、60°和75°时进行室内通风模拟。将网格精度设定为0.1 m，进行1 000次迭代。选择2级内的风速进行分析，可以利用距离地面10 m位置2.4 m/s梯度模型完成风速边界条件设置。采用k-ε标准模型引入湍流，并利用DO模型进行辐射和结构热工参数设定，能够完成模拟分析。

分析窗户结构和通风构件给室内通风带来的影响，需要将夏季主导风设定为22.5°南偏西，室外初始风速为2.9 m/s。网格精度同样为0.1 m，完成1 000次迭代计算。将出风口当成自由流出边界条件，可以根据不同高度对进风口平均风速进行设定，能够得到:

式中:v——z对应平均风速，v0——基准高的平均风速，z——任意距离的地面高度，z0——距离地面10 m的标准高度，α——地面粗糙度，取值0.2。在对功能区通风效果进行评价时，需要将人员坐姿头部位置当成是截面，舒适风速在0.25~1.0 m/s。

3.3 模拟结果

3.3.1 室内布局分析

结合模拟分析结果可知，按照原本方案在平面中心位置布置核心筒，将造成50%以上自然通风受阻。将核心筒向西移动，能够减小风影响区面积。在来风方向下风两侧位置布置核心筒，能够取得最好通风效果。西北方向为不利朝向，优先考虑办公区域太阳辐射问题，需要在西北角布置核心筒。在各功能区布局调整上，由于封闭办公室同样会产生阻挡室内通风的问题，结合模拟分析结果来看，为减小风影响区面积，在迎风面两侧进行办公室布局。在西向不利朝向，布置边庭作为休闲区域。通过将办公区和休闲区隔开设置，能够避免人员办公受到干扰，并实现空间延伸，通过垂直交通直接从一侧进入办公区，从而加强自然通风和采光，同时作为缓冲空间减少能耗。增设边庭后，通高按照两层一个单元设计。

对边庭设置前后工况进行分析，增加边庭能够使室内拥有流畅的流线组织。通过发挥空间热压通风效果，能够使室内风环境的死流区面积缩小。实际高层办公建筑难以单纯通过风压带走夏季室内全部热量，因此需要设计中庭空间，配置导风构件增加出风口压力差，加强室内通风换热，形成内、外气流循环。

3.3.2 窗户结构分析

在窗户结构设计上，需要分别对建筑立面开窗和边庭开窗结构通风效果进行模拟分析。按照原本设计方案，立面开窗为方形洞口，尺寸为0.9 m×1.8 m。在该条件下，分析不同窗台高给通风效果带来的影响，可以发现窗台高800 mm时办公区域风速在3～5 m/s，流线分布较少，并且分布紊乱，不利于人员办公。在窗台高达到1 000 mm时，室内流线分布均匀，风速在2～4 m/s，可以达到办公标准。对开窗尺寸进行优化，需要增加2.6 m×1.8 m工况，从模拟结果来看增加窗扇宽度能够起到减少死流区的效果，在宽度达到2.6 m时死流区面积减少8.2%，室内风环境得到有效优化。

在边庭空间窗户结构设计上，结合开窗位置和形式，提出两种设计方案。方案一是设计长条大开窗，尺寸为11 m×0.2 m。在方案二中，需要设计四个小窗扇，尺寸均为1.1 m×0.5 m。从仿真模拟效果来看，设计大开窗能够取得较好通风效果。在保持进风口面积一致的情况下，对出风口尺寸进行调节，分别对11 m×0.4 m、11 m×0.3 m、11 m×0.2 m的工况展开分析，发现在11 m×0.3 m工况条件下室内通风量最大，能够取得较好的通风排热效果。

3.3.3 通风构件分析

在通风构件选择上，对上悬窗、中悬窗和下悬窗开窗通风效果进行比较，需要将开启角度设定为30°，然后对室内通风效果进行模拟分析。从分析结果来看，中悬窗在办公室内截面风速平均能够达到0.17 m/s，上、下悬窗分别达到0.19 m/s和0.16 m/s。分析原因可知，采用中、下悬窗对气流产生了一定阻挡作用，造成进风面积有所缩小。相比较而言，上悬窗对外开启，能够对下部气流产生导向作用，风速较大，有助于室内通风。在0.25～1.0 m/s风速区间，上悬窗风速占比达到19.7%，中悬窗为16.9%，下悬窗为9.3%。中悬窗通风效果比下悬窗好，这与其能够形成穿堂风有关，可以增加走廊等位置的空气流动。从室内死流区面积情况来看，采用上悬窗较中悬窗能够减少4%，因此最终设计采用上悬窗增强室内通风。

结合室内通风模拟分析结果可知，由于舒适风速面积依然无法达到维持室内舒适的条件，除了采用自然通风方法，还要增加机械通风方式改善室内空气品质。从主被动结合角度进行通风构件优化，需要在中庭安装窗式通风器等主动通风设备，带动各层气流完成热交换，从而达到除湿排热效果。

4 结语

结合办公建筑的特点，从理论层面提出建筑平面布局和窗户结构设计方案后，利用COMSOL软件对室内自然通风效果进行数值模拟分析:不同结构布局和窗户结构将带来不同通风效果。同时从减少自然通风受阻的角度进行布局优化，并采用上悬窗外开方式减少死流区面积，最终能够取得理想通风效果。