数值仿真技术在高层建筑热环境的研究与应用

曾宪坤， 李宗蔚， 卢柯

（中建三局第一建设安装有限公司）

1 引言

近年来，为了增加城市的土地利用率，加快城市现代化进程，一座座的百米高楼拔地而起，而这些高层建筑的通风问题、热环境、健康问题、能耗问题等也越来越受到人们的关注[1]。尤其在武汉、上海、深圳等南方大城市，夏季温度高、湿度大，热岛效应使城中心高层室外温度快速升高，空调能源消耗大幅增加，相关研究[2]显示热岛效应每升高1℃会使得办公和住宅建筑夏季空调能耗分别提高17.5%和10.2%。加之由于多联机室外机进出风气流短路等原因，可能导致高层建筑通风系统进风温度过高（按行业标准一般设置为42℃），引起多联机制冷效率下降从而引发高温报警、宕机等问题，更有甚者可能会直接引起火灾，带来无法挽回的后果，这是高层建筑建造设计和运营过程中不可忽视的重要问题[3]。

2 项目背景

本案例大楼位于湖北武汉，用地面积约1.8 万㎡，总建筑面积约7万㎡，地上面积5万㎡，建筑高度为92.1m，地上21层，地下2层，以建设“近零碳、近零能耗、健康、智慧、绿建三星”建筑为目标，致力提供绿色低碳行业发展样板。该地区属北亚热带季风性气候，冬冷夏热，四季分明，日照强度大，夏季空调制冷时长约150天，冬季供暖时长约95天，所以空调系统的能耗巨大，合理的通风设计对节能减排有重大意义。

本文以此项目为研究基础，利用FEM技术对大楼通风进行CFD数值仿真与分析，为大楼的设计、建造和运营提供决策支持。

3 仿真建模与条件设定

3.1 仿真建模

按大楼设计文件数据，采用CFD 数字仿真技术对总部大楼室外机布置方案进行热环境模拟分析，重点确定进风口、出风口位置、朝向、规格等参数，参照“形体生成（form generation）—性能评估（performance evaluation）—优化设计（optimization）”框架[4]，按FEM 技术原理进行建模、空间网格划分，在设计早期进行环境性能优化，效果图如图1所示。

图1 FEM仿真建模效果图

3.2 工况及边界条件设置

通过查询湖北省气象数据，武汉市夏季室外最多风向为C（静风v<0.2m/s），出现频率为28%，风向ENE（东北偏东）出现频率为8%，夏季室外最多风向的平均风速为2.3m/s，夏季室外通风计算温度为32℃，极端高温39.3℃，工况设置参数如表1所示。

表1 工况设置

边界条件设置如表2所示。

表2 边界条件设置

4 模拟仿真及问题分析

4.1 夏季典型工况（静风）

在夏季静风条件下，通过CFD模拟，结果如图2所示，进、排风气流几乎无干扰，在进风口内部局部气温可达45℃，但各楼层进风平均温度均低于42℃，整体能够保证空调系统健康运行。

4.2 夏季典型工况（主导风向）

在夏季主导风向条件下，通过CFD模拟，结果如图3 所示，进、排风气流存在短路，且楼层越高短路现象越严重，14 楼以上进风平均温度已经接近42℃，多联机制冷效率可能下降。

4.3 夏季极端工况（静风）

在夏季极端高温静风条件下，进、排风气流存在部分短路现象，短路现象主要集中在高层，14楼以上进风平均温度已经超过42℃，在进风口内部局部气温可达52.3℃，多联机有高温报警并宕机风险，如图4所示。

图4 极端静风工况各楼层进风口温度趋势图

4.4 夏季极端工况（主导风）

在夏季极端高温主导风向条件下，进、排风气流短路，7楼以上进风平均温度已经超过42℃，多联机有宕机风险，在进风口内部局部气温可达52℃左右，19楼进风平均温度已高达46.7℃，如图5所示。

图5 极端主导风工况各楼层进风口温度趋势图

5 解决方案

在夏季极端高温条件下，通过加大排风速度减少进风口平均温度，在室外温度、进风口平均温度、排风速度之间通过仿真计算，将进风口平均温度保持在安全范围之内。通过图6 的仿真可见，增大排风速度可以有效的降低进风温度，当排风速度为7m/s 时，在最不利工况下各楼层入口温度也均已低于42℃，可有效规避室外机高温报警风险。

图6 极端工况下排风速度和进风口平均温度的关系

基于此仿真数据，可以在进出风口安置物联网传感器，实时感知排风速度、温度等环境参数，并通过连接大楼的智能空调冷暖系统进行远程调控，及时做出控制策略调整，在保证舒适度的同时，让空调系统正常安全运行。

6 结语

针对大城市高层建筑，在夏季极高温情况下，进风温度过高一直是空调系统面临的重大挑战之一[5]。我们从实际项目出发，结合本地气象数据，分析在静风、主导风风向下空调系统面临热环境问题，并根据设定的进风温度范围模拟计算出风速，通过风速调节排除因进风温度过高导致空调系统宕机风险，在满足健康舒适的办公环境条件下保障空调系统正常运行，也极大程度减少了不必要的能源消耗和碳排放，为实现绿色低碳节能建筑目标打下基础，通过数值模拟的形式为智慧建筑实现提供参考方案。