某城际铁路工程控制中心通风环境模拟分析

杨 波,卢春丽,郑双七,庙诗祥

(1.安徽职业技术学院 建工学院,安徽 合肥 230011;2.安徽省建筑科学研究设计院 绿色建筑研究院,安徽 合肥 230001)

0 引言

我国在工程建造领域已经取得巨大成就,但建造过程仍存在高耗能和高污染的问题。随着国家对节能减排、环境保护等问题日益重视,为达到四节一环保的要求,国家大力发展绿色建筑,并制定绿色建筑评价标准与认证体系[1]。建筑物通风是绿色建筑设计的重要内容,室外通风主要研究风环境是否有利于行人室外行走、是否活动舒适、是否有风漩涡及是否存在无风区等因素。室内通风主要研究自然通风对室内温度调节及能源消耗的影响。随着计算机仿真技术发展日新月异,CFD(计算流体力学)软件经常被用来模拟室内外真实气流环境,分析气流对建筑物的影响[2-6]。以某工程控制中心为例,软件模拟了该建筑在室内外通风状态下的通风效果。

1 工程概况

滁宁城际铁路一期工程位于安徽省滁州市东部,线路长度为33.181 km,设站8座(预留2座)均为高架站,在徽州路与扬子路交汇处东南角设置工程控制中心1处,控制中心主楼地上21层,裙楼5层,地下车库2层。建筑占地面积为4 138.8 m2,建筑高度96.2 m.用地面积15 017.3 m2.总建筑面积57 826.0 m2,地上建筑面积44 589.4m2,地下车库及设备用房13 236.6 m2,绿地率为30%,容积率为3.5,绿色建筑设计级别为二星级。

2 通风环境分析

2.1 室外通风环境分析

高层建筑物的室外通风主要是指外围风场对建筑物本身的影响,影响的区域主要包括出入口、露台和通道等位置。风速过大不仅影响人体舒适度,还会造成建筑外围构件的损坏,如外围幕墙、外窗和雨棚等。夏季和过渡季节通风好有利于降低空调能耗。冬季则应采取防风措施以减少外部气流对建筑物的渗透,节约采暖能耗。室外通风需要利用建筑物的朝向、形状、位置等特点减少风环境的不利影响,以提高行人室内外活动的舒适度。室外风场模拟时选择离地高度1.5 m处的风场室外风环境,分别对夏季、过渡季节和冬季三种通风工况进行研究分析。

2.2 室内通风环境分析

建筑物中室内通风环境的影响因素有很多,如空气龄、窗开口大小、风速风向等。这些因素影响室内通风效果，从而影响人体舒适度。评价室内通风效果时,空气龄是指房间内的某点空气在房间里滞留了多长时间,反映了空气的新鲜程度,是评价空气品质和衡量房间内部通风换气效果的重要指标。风速是衡量人体舒适度的评价指标。模拟选择离地高度1.2 m处风场室内风环境,对室内空气龄和室内风速等影响因素研究分析[7]。

3 软件模拟分析

3.1 室外通风模拟

3.1.1软件选用与边界条件

室外风环境模拟采用计算流体动力学(CFD)的分析方法,具体原理见文献[8]。选择的模拟软件PHOENICS是英国CHAM公司提供的建筑及暖通空调专业设计的CFD专用模块,该模块能与专业图像处理软件Tecplot 相结合,能实现模拟结果数据可视化。判别风环境边界条件时,利用风玫瑰图,选择频率最多风向的风速情况确定为目标建筑地理位置的风向和风速。再查阅《中国建筑热环境分析专用气象数据集》附录2,所选不同工况下风环境如表1所示。

表1 不同工况下风环境Table 1 Wind environment under different working conditions

3.1.2模型网格划分

在PHOENICS 软件中,以不影响建筑群边界气流流动为准,选择的模型外场尺寸计算尺寸为 1 015.0 m×1 029.0 m×300.0 m(长×宽×高),高度最高处为96.2 m,沿Y轴正方向设置为北向,在整个模拟区域划分结构网格,并对目标建筑区域网格局部加密,如图1所示。

图1 模型网格划分(横向)Fig.1 Model meshing (horizontal)

3.1.3不同工况下模拟结果分析

1)夏季工况模拟结果。图2、图3分别为2.40 m/s 的SSE风场下夏季风速矢量图和风速云图,目标建筑周边基本无遮挡,人行区域风速流动均匀。虽然背风处出现小范围涡流,但整体通风状况良好。未出现无风区,不影响建筑的空气品质。建筑周边人行区域涡流处风速达到最大值2.81 m/s.图4为夏季风速放大系数图,风速放大系数最大值为1.78.满足室外出行的舒适性要求。

图2 夏季1.5 m高风速矢量图Fig.2 Vector diagram of 1.5 mhigh wind speed in summer

图3 夏季1.5 m高风速云图 Fig.3 The 1.5 m high wind speed cloud map in summer

图4 夏季1.5 m高风速放大系数(WAMP)云图Fig.4 Cloud map of 1.5 m high wind speed amplification factor (WAMP) in summer

2)过渡季节工况模拟结果。图5、图6分别为夏季建筑迎风立面和背风立面风压云图,从图中可以看出,夏季工况下,建筑迎风面表面风压在 0～9.00 Pa 之间,背风面建筑表面风压在-7.62～0 Pa 范围内,建筑高度越高所受风压越大,建筑前后风压差超过1.50 Pa,有利于建筑内部空气流通。

图5 夏季建筑迎风立面风压云图Fig.5 Wind pressure cloud diagram on the windward facade of the building in summer

图6 夏季建筑背风立面风压云图Fig.6 Wind pressure cloud diagram on theleeward facade of the building in summer

图7、图8分别为2.20 m/s 的NE风场下过渡季节风速矢量图和风速云图。建筑周边人行区域流场分布较为均匀,整体通风状况良好,场地内未出现漩涡。周边风速最大值为 2.81m/s,图9为过渡季节室外风速放大系数云图,风速放大系数最大值为1.88,不影响行人外出活动。

图7 过渡季节1.5 m高风速矢量图Fig.7 Vector diagram of high wind speed ata height of 1.5 m in the transition season

图8 过渡季节1.5 m高风速云图Fig.8 Diagram of wind speed cloud diagramat a height of 1.5 m in the transition season

图9 过渡季节1.5 m高室外风速放大系数云图Fig.9 Cloud map of magnification coefficient of outdoor wind speed at a height of 1.5 m in the transition season

图10、图11分别为过渡季节迎风立面风压图和背风立面风压图,建筑迎风面表面风压在0 Pa～8.00 Pa之间,背风面建筑表面风压基本在-5.50 Pa～0 Pa 范围内,建筑前后风压差超过1.50 Pa,有利于过渡季节的良好通风。

图10 过渡季节迎风立面风压云图Fig.10 Wind pressure cloud diagram onthe windward facade in the transition season

图11 过渡季节背风立面风压云图Fig.11 Wind pressure cloud diagram on theleeward facade in the transition season

3)冬季工况模拟结果。图12、图13分别为冬季1.5 m高风速矢量图和风速云图,在冬季室外最多风向平均风速为 3.20 m/s 的 ENE 风场下,最大风速不超过 4.38 m/s.图14为冬季室外风速放大系数云图,风速放大系数最大值不超过1.88,满足室外出行舒适度要求。

图12 冬季1.5 m高风速矢量图Fig.12 Vector diagram of 1.5 m high wind speed in winter

图13 冬季1.5 m高风速云图 Fig.13 Cloud map of 1.5 m high wind speed in winter

图14 冬季1.5 m高室外风速放大系数云图Fig.14 Cloud map of outdoor wind speed magnification factor at a height of 1.5 m in winter

图15、图16分别表示冬季建筑迎风立面风压云图和背风立面风压云图。从图中看出,在冬季室外主导风向的工况下,建筑迎风面表面风压在0～15.00 Pa 之间,背风面表面风压在-16.68～0 Pa 之间,局部迎风与背风面压差超过5.00 Pa,随着高度增加压差越大,不利于建筑防风节能,建议在建筑周边种植树木或在室内增加围挡以防止热量因风吹而流失。

图15 冬季建筑迎风立面风压云图Fig.15 Wind pressure cloud diagram on the windward facade of the building in winter

图16 冬季建筑背风立面风压云图Fig.16 Wind pressure cloud diagramon the leeward facade of the building in winter

综上,在冬季(风向ENE、风速3.20 m/s)、夏季(风向SSE、风速2.40 m/s)以及过渡季节(风向 NE、风速 2.20 m/s)主导风向的风场下,目标建筑室外风速以及风速放大系数满足《绿色建筑评价标准》GB/T 50378-2019中“建筑物周围人行区的风速小于5.00 m/s,且室外风速放大系数不应大于 2”的规定。

在夏季和过渡季节主导风向的风场下,满足评价标准中“场地内人活动区不出现漩涡或无风区,50%以上可开启外窗室内外表面的风压差大于 0.50 Pa”的规定。

在冬季主导风向的风场下,当建筑迎风面与背风面表面局部压差大于5.00 Pa时,可采取防风措施降低采暖能耗。

3.2 室内通风环境模拟

3.2.1软件选用与公式

室内自然通风是在压差推动下形成的空气流动,根据压差形成机理,又分为风压作用通风下和热压作用下通风[9]。利用CFD软件PHOENICS模拟室内自然通风环境,具体物理数学原理见文献[10].模拟了1.00 m/s自然风速下建筑各区域风速、空气龄等参数,计算了室内空气换气次数。计算公式如式1所示。

(1)

式中：n为换气次数,次/h;v为垂直于进风口的风速,m/s;A为进出口面积,m2;V为房间体积,m3.

3.2.2模拟工况与网格划分

模拟目标建筑室内通风时,把目标建筑分为主体结构和塔楼结构两个部分,选择初始条件为1.00 m/s的自然风速,与指北针夹角345度风向,命名为工况1,如表2所示。划分的模拟网格最小尺寸为50 mm×50 mm×50 mm.最大尺寸为150 mm×150 mm×150 mm.主体结构所用网格数为261.07万个,塔楼结构所用网格数为41.63万个。如表3所示。

表2 工况1Table 2 Working condition 1

表3 计算模型范围及网格尺寸设置Table 3 Calculation model range and grid size setting

3.2.3模拟结果分析

1)室内风速分布情况。图17、图18、图19分别表示目标建筑主体结构1.2 m高度处标准层平面图、风速云图和空气龄云图。从图17可知主体结构共有28个普通办公室,经模拟计算,从图18可知有17个房间风速不大于1.00 m/s,达标率60.7%.从图19可知有26个房间平均空气龄小于1 800 s.达标比率92.8%.经式(1)计算有27个房间换气次数不小于2次/h,对应房间面积为1 648.55 m2,房间总面积为1 681.85,换气次数达标面积比例为98.02%.

图17 主体结构标准层平面图Fig.17 Plan view of the standard floor of the main structure

图18 主体结构1.2 m高平面风速云图 Fig.18 Wind speed cloud diagram ofthe main structure at a height of 1.2 m

图19 主体结构1.2 m高平面空气龄云图Fig.19 The air age cloud diagram ofthe main structure at a height of 1.2 m

图20、图21、图22分别表示塔楼结构1.2 m高度标准层平面图、风速云图和空气龄云图。从图20可知塔楼共有6个普通办公室,经模拟计算,从图21可知6个房间风速均不大于1.00 m/s,达标率100%.从图22可知6个房间的平均空气龄均小于1 800 s,达标率100%.经式(1)计算有6个房间换气次数大于2次/h,对应房间面积855.05 m2,房间总面积855.05 m2,达标率100.00%.

图20 塔楼结构标准层平面图Fig.20 The standard floor plan of the tower structure

图21 塔楼结构1.2 m高平面风速云图 Fig.21 The wind speed cloud diagram of the tower structure at a height of 1.2 m

图22 塔楼结构1.2 m高平面空气龄云图Fig.22 The air age cloud diagram ofthe tower structure at a height of 1.2 m

综上,目标建筑室内风速不大于1.00 m/s的房间比例为67.6%,空气龄不大于1 800 s的房间比例为94.1%.房间换气次数大于2 次/h 的面积比例为98.69%,大于《绿色建筑评价标准》GB/T 50378-2019规范限值60%,说明目标建筑室内通风效果良好。

4 结论及建议

以城际铁路工程控制中心为例,经过利用CFD软件对室外通风环境和室内自然通风环境模拟与计算,通风效果均满足《绿色建筑评价标准》GB/T 50378-2019要求,达到“绿色建筑设计级别为二星级”标准。从节约能耗的角度,对于室外通风,应在建筑周边种植树木或在室内增加围挡以防止热量因风吹而流失。对于室内自然通风:1)采取朝向主导风向的建筑布局布置,可以增加通风量和提高换气次数;2)在建筑空间设计中,采取在主导风向的迎风面和背风面设置通风窗口,并增加窗口面积,或在屋面增开天窗等方式,形成穿堂风;3)对于地面以下场地通风效果不佳时,可以采取添加机械设备的方法促进气流顺通,改善通风效果。