基于CFD的某高层建筑室内自然通风的数值模拟

徐 俊， 穆正勇， 殷子文， 许江豪

(1.合肥城市学院, 合肥 238076； 2.中国科学技术大学 火灾科学国家重点实验室, 合肥 230031； 3.安徽建筑大学 环境科学与能源工程学院, 合肥 230601)

0 引 言

高层住宅逐渐成为住宅建筑的主流形式，和低层、多层住宅建筑相比，高层住宅所要考虑的问题更多，其中最为突出的就是风环境问题，而室外的风环境问题会进一步影响室内的自然通风、热舒适[1]和健康问题。2019年末突然爆发的新冠疫情，举国上下共同抗击新冠病毒，清华大学的江亿院士指出，我们个人在防疫中要做到经常开窗进行自然通风，使得室内空气保持清洁等，更突显了通风的重要性[2]。

Larsen等[3]利用风洞模拟了具有单侧开洞的住房的自然通风特性，结果表明，在热压和风压的协同作用下，除了气流的方向会对自然通风造成影响外，风压和热压之比更是起到了关键作用。成镭[4]利用CFD软件对某建筑在受到不同风向的气流作用下的室内自然通风情况做了模拟研究，结果表明，在改变室内的窗户开启面积或其他洞口大小的情况下可以改变室内的自然通风效果。

1 自然通风的分类与热舒适

1.1 类型与影响因素

自然通风驱动力主要可分为风压、热压、风压与热压共同作用3类。多数情况下，建筑自然通风的驱动力来源同时包含风压与热压[5]。

影响建筑自然通风的因素有很多，如空气湿度、温度、太阳辐射、室外风向、风速等气候因素；如塔式建筑、板式建筑等不同的建筑形式也会对室内自然通风产生影响；还有建筑群不同的布局方式，如行列式、自由式、错列式布局等都会对室内的自然通风产生影响[6]。

1.2 风速对人体热舒适性的影响

空气温度、空气湿度、辐射温度、室内风速、人员衣着及活动量是影响人体热舒适的主要因素[7]。一方面,空气流速决定着人体的对流散热量；另一方面,它还影响着空气的蒸发力,从而影响蒸发散热。当空气温度低于皮肤温度时,流速增大,产生散热效果；当空气温度高于皮肤温度时,流速增加不仅造成较高的对流换热加热人体,而且提高了蒸发散热效率。因此，空气速度对人体的热舒适性有着较大的影响[8]。本研究用室内平均风速来衡量热舒适的好坏，当室内风速在0.25～0.5 m/s时，人是处于自然通风的热舒适区。

2 实 验

使用Fluent模拟不同窗户开启面积下的室内风速及空气龄，以此评价自然通风效果及室内热舒适。

2.1 房间模型

选取研究对象为一幢板式18层住宅的顶楼主卧,为方便计算研究，对模型进行了一定简化，如图1所示。其主卧长3.7 m，宽3.5 m，高3.0 m，外窗为推拉窗如图2所示，长1.8 m，宽1.8 m，窗户距地板0.6 m，最大开启面积为窗户最大面积的一半，门高2.1 m，宽0.9 m，左右门缝2.0 mm，上门缝2.0 mm，下门缝5.0 mm。

图1 主卧平面Fig. 1 Master bedroom plan

图2 推拉窗示意Fig. 2 Schematic of sliding window

2.2 边界条件

窗户开启部分定义为速度进口，进口速度为3 m/s，门缝(门)处为压力出口，出口静压为0，壁面条件为无滑移壁面，选用不可压缩理想气体模型与标准k-epsilon湍流模型。

2.3 工况设置

模拟选用合肥市全年主导风向——东风，主卧门关闭并做留缝处理，另有一组主卧门全开为对照组，设置如表1所示不同的外窗开启比例为不同工况。

表1 不同工况下外窗开启比例

3 结果与分析

3.1 风速

取主卧1.2 m(呼吸区高度)高度处进行模拟[9]。图3为主卧内1.2 m处不同开窗面积下的室内风速云图。由图3可知，气流从外窗射入到对面墙壁的区域内风速较大，两边风速较小，各工况下不同位置风速如表2所示。

表2 各工况下不同位置风速

Table 2 Wind speeds at different positions under

each condition

工况v/m·s-1射入区域两边11.8～2.70～1.821.35～2.70～1.3530.9～2.70～0.940.75～2.70～0.7550.948～3.00～0.948

工况1～3表现出了相似规律，紧贴墙壁的四周区域，空气流速很小，接近0；从外窗到对面墙壁的射流区因外窗开启面积不同而有范围及风速的变化，开启面积越大，射流区域越大，门缝区域内风速较其他非射流区都有明显增大，符合预期。

工况4中，因其外窗开启面积只有1/9，所以射流区域前半段范围较小且流速明显较大，窗口处接近3 m/s，左下角和右下角处有较大的静风区，此区域风速近乎为0；射流区域后半段较工况1～3有明显扩散，门缝处风速依然明显增大。

电-气互联综合能源系统多时间尺度动态优化调度//梅建春,卫志农,张勇,马洲俊,孙国强,臧海祥//(13):36

图3 风速云图Fig. 3 Cloud chart of wind speed

工况5中，因为卧室门全开，室内空气流动区域分布广泛，风速分布更为均匀，室内最大风速为3.16 m/s，分布于外窗到对面墙壁的射流区域及门附近的出口区域；墙壁四周区域风速接近于0；虽然卧室内门全开，但并未形成大范围的气流通路，来自窗外的气流依然有很大一部分撞在墙上，回流在室内形成气流旋涡，所以会在云图左侧形成一大块蓝色的区域，风速在0.31～0.94 m/s之间。

上述工况模拟风速结果见表3。其中， 大风速区位于窗口到窗对面的墙和门缝旁的区域，小风速区位于紧贴墙壁四周及中心区左侧的区域内，中心区中部为窗口到对面墙壁的主要射流区域。

表3 风速分析

上述模拟结果表明，在工况1～4中，当其他各种条件相同，只有外窗开启面积不同时，主卧内空气流速满足舒适性要求 ，除了房间的4个拐角及墙壁处，其他地方的风速大多大于0.25 m/s。工况5中，由于门是打开的，空气流动范围较大，流速更加均匀，整体舒适性更好。

在高层住宅中，由于室外风速较大，即使开窗较小，室内的风速也可以满足人体的热舒适需求。

设定外窗到对面墙壁固定区域为整体射流区域，根据模拟结果，可得到在卧室内门关闭时不同外窗开启面积与整体射流区域平均风速的关系，如表4所示。

表4 不同开窗面积下的平均风速

从表4可以看出，整体射流区域内平均风速是随着开窗面积的减小而减小的，由最大的2.5 m/s到最小的0.8 m/s。

3.2 开启面积

通过室内空气龄的大小来判断卧室内自然通风的优劣[10]，图4为卧室内不同的开窗面积下室内的空气龄云图。

图4 空气龄云图Fig. 4 Cloud chart of air age

表5 空气龄

工况1～4空气龄分布基本符合风速分布规律。工况1～4空气龄最大值依次为15.7、33.9、37.7、120 s。整体上，工况1空气龄情况最优，工况4最差。

工况5中，空气龄最大值为16.6 s，空气龄最大值位于左下角区域；射流区域空气龄在0～5 s之间；内门区域处的空气龄在8.34～12.5 s之间。整体优于工况1～4，符合空气流动规律。表6为工况1～5空气龄分析表。其中， 大空气龄区位于墙角、墙壁、门和窗旁的区域，小空气龄区位于窗口到窗对面墙的这一区域内，中心区中部为窗口到对面墙壁的主要射流区域。

表6 空气龄分析

工况1～4情况下，主卧空气龄都较小，室内的自然通风状况良好。

工况1与工况5对比分析显示，在其他条件不变的情况下，当卧室门关闭从门缝出流空气时，与卧室的门全开，房间内的空气龄分布及空气龄最值非常接近。这是因为高层住宅的室外风速较大，当风由窗户吹进室内时，使得室内压强变大，且卧室外的大门也是关闭的，所以卧室内压力减小缓慢，进而导致卧室的门关与开差别很小。

表7为不同外窗开启面积与整体射流区域内平均空气龄的关系。

表7 不同开窗面积下的平均空气龄

由表7可知，整体射流区域内平均空气龄随着开窗面积的减小而增大。

4 结 论

(1)高层住宅卧室内的平均风速随着开窗面积的增大而增大，平均空气龄随着开窗面积的增大而减小。

(2)因一般高层住宅建筑卧室面积普遍较小，且无遮挡，室外风速相对较高，高层住宅室内窗户开启1/9及以上时，射流中心部位风速0.8 m/s以上，平均空气龄小于42 s，自然通风均满足室内通风要求。