高层办公建筑内风廊对自然通风贡献的模拟分析与评价

摘 要：为研究内风廊在高层办公建筑自然通风中的作用，本文利用CFD软件对合肥地区某高层办公建筑在有无内风廊工况下室内通风情况进行数值模拟分析。通过研究室内气流速度和空气龄来分析高层办公建筑内各功能房间的通风换气情况和整体的通风效果。研究结果表明，风廊能有效促进室内空气流通，提高空气质量和舒适度，同时也对降低室内温度、减少空调使用等方面具有重要作用。因此，当设计高层办公建筑时，合理布局和设计风廊是必要的。

关键词：内风廊；自然通风；模拟分析；高层办公

中图分类号：TU 83" " " 文献标志码：A

随着全球对环境问题的关注度不断提高，建筑行业也在寻求环保的解决方案。传统的机械通风系统虽然能够满足室内空气质量的要求，但需要消耗大量的能源，增加了碳排放，并在某些情况下产生噪声和不适感。因此，寻找一种可持续、更环保的通风解决方案成了亟需解决的问题。在此背景下，自然通风作为一种有潜力的技术开始受到广泛关注和应用。自然通风通过优化建筑设计，引入自然气流和风力，实现室内外空气的交换和流通，从而提高室内空气质量、降低能耗以及提高人们的舒适感。在设计高层办公建筑的过程中，建筑内部设置风廊是一种常用的自然通风方式[1]。内风廊是通过布局合理的空间，在建筑内部形成自然通风的通道，引导风流进入办公区域，为室内提供新鲜的空气，改善室内环境质量，并减少对机械通风系统的依赖。本文对高层办公建筑内风廊进行模拟分析，探究其在自然通风中的作用[2]。首先，介绍了自然通风在建筑设计中的应用及其优势。其次，对风廊进行建模和数值模拟，分析其对自然通风的影响，最后，评价其效果并总结。

1 自然通风

自然通风是指利用自然气流的流动和压力差来进行通风。与机械通风相比，自然通风具有以下优势：无需能源消耗，可节约能源。可提高室内空气质量，减少空气中的有害物质。可提高室内舒适度，避免人们长时间处于不适宜的环境中[3]。

在建筑设计中，通常通过设计开窗、通风口等方式实现自然通风。同时，建筑内部风廊也是一种常见的利用建筑内部布局改善室内自然通风的被动节能措施。在高层建筑中，受建筑高度和自然条件等因素的影响，建筑内部空间对机械通风依耐性过高，不仅能源消耗大，而且难以满足舒适度和健康要求。因此，合理利用自然通风成为高层建筑设计的重要课题之一[4]。

2 研究对象

本文研究对象为合肥某高层办公建筑，建筑高度为128.1m，共29层，总建筑面积为40552.19㎡。其中1、2层为商业，3层～29层为办公，其标准层平面设计采用核心筒+环形走道+办公室的常见围合式平面布局，采用幕墙结构，幕墙各方向均有开启扇，开启方式形式为上悬，开启角度为30°。标准层平面布局如图1所示，此平面布局，由于外侧一圈满设办公室的布局，外窗与内廊无法有效联通，难以形成贯穿建筑室内的风廊。因此，结合研究对象所在城市，过渡季盛行风的风向为东风，对研究对象平面布局进行优化设计，设计两条东西向内风廊，充分利用风压原理，以期优化室内自然通风达到预期效果。优化后标准层平面布局如图2所示。

3 数值模拟

计算流体力学（CFD）是一种基于数值方法的流体力学仿真技术，对流体流动的物理方程进行数值求解，模拟和分析流体运动和相互作用的行为。本文采用CFD方法对高层办公建筑室内自然通风进行模拟分析[5]。模拟分析采用VENT软件，VENT软件是一种专业的CFD软件，具有强大的模拟和分析能力。可以根据建筑的平面图进行建模，并考虑内风廊对气流的影响，模拟室内空气流动的方向和分布情况。

3.1 物理模型和边界条件

本文根据合肥某高层办公建筑与周边建筑的相对位置、朝向和空间布置等关系对整体进行建模，模拟室外风环境。将室外风环境模拟结果中可开启外窗室内外表面的风压差作为室内风环境模拟的入口边界条件。由于室外风被大厦阻挡，因此对主迎风面来说，在风压和热压的作用下，形成了对流运动，在大厦外部的风速方向倾向水平流动，绕至大厦旁边后通过大厦，较有代表性，本文将大厦的这片范围称为平流风速区，室内自然通风模拟研究楼层选择为15层，位于平流风速区。当建立室内自然通风模型时对楼梯间、电梯厅和公共卫生间等门窗常闭的公共部位进行填充和简化处理，以此简化模型与提高计算效率[6]。在室内风环境数值模拟计算的过程中，室外气流通过窗户进入室内，可以较为准确地模拟实际建筑自然通风时进出口状况。

室内自然通风模拟采用室外风环境模拟结果中各外窗上的风压作为入口边界条件，出口边界条件定为自由出流，其他边界条件均定义为无滑移的壁面条件。采用标准的K～ε湍流模型进行模拟[7]。

3.2 模拟参数

合肥市位于夏热冬冷地区，常年盛行风为东北到南向风，年平均风速为2.35m/s。考虑外窗开启时间集中在过渡季节，合肥地区过渡季节室外风频东风向较高，因此研究的室外风向为E风向，具体参数见表1。

4 结果分析

本文以合肥地区为例，模拟分析过渡季主导风向下有无内风廊时高层办公室内的自然通风情况。距地面1.2m是考虑人在室内静坐状态下所对应的呼吸高度，本文选取室内1.2m处的气流速度和空气龄2个指标，分析在风压作用下，高层办公室内各功能房间的通风换气情况和整体的通风效果[8]。

4.1 有无内风廊时高层办公室内气流速度分析

在过渡季E风向条件下，某高层办公优化前、后室内1.2m高度处风速分布矢量图如图3所示。风速矢量图可展示气流组织的走向和流场中的风速分布情况。在E风向条件下，某高层办公优化前，平面布局中外侧一圈满设办公室，核心筒附近环形内廊难以与幕墙上的外窗联通，无法串联建筑各办公室间的自然通风，平均风速约为0.30m/s；某高层办公优化后，核心筒附近环形内廊与幕墙上的外窗可形成2条空气通路，部分气流可直接穿过，另一部分气流遇到墙体改变方向进入办公室，平均风速升至约0.65m/s。通过对比优化前后的室内平均风速，更快的风速可以促进空气流动和混合，调节室内热湿环境。

4.2 有无内风廊时高层办公室内空气龄分析

在过渡季E风向条件下，某高层办公优化前、后室内1.2m高度处空气龄分布云图如图4所示。空气龄云图可展示室内的空气新鲜程度。在E风向条件下，某高层办公优化前，迎风侧房间内的新鲜空气，无法通过核心筒附近环形内廊向其他房间传递，处于背风位置的房间空气龄较大，新鲜空气分布明显不如迎风侧房间均匀，室内整体的平均空气龄约550s。某高层办公优化后，迎风侧房间内的新鲜空气可通过内风廊接进入背风面房间，平均空气龄降至约350s。通过对比优化前后的室内平均空气龄得知，室内空气的新鲜程度得到改善，新鲜空气能够更好地传递到整个室内空间，有助于提高室内空气质量。

5 结语

本文对合肥地区过渡季主导风向下有无内风廊时高层办公室室内自然通风情况进行数值模拟，探究了高层办公建筑内风廊对自然通风的贡献，分析了其室内自然通风情况，通过模拟分析，本文得出以下结论。1）建筑内风廊能有效促进室内空气流通，提高空气质量和舒适度。风廊使建筑内部的空气能形成循环，可有效降低室内的二氧化碳和甲醛等有害物质的浓度，提高了室内空气的质量。2）建筑内风廊对降低室内温度、减少空调使用等方面具有重要作用。在过渡季，风廊的设计可以使室内温度相对较低，减少了空调的使用频率和能源消耗。3）建筑内风廊的设计对室内空气流动的影响较大。合理的风廊设计可以使室内空气流动更均匀，避免了某些区域的空气滞留和不流通的问题。

综上所述，本文采用数值模拟的方法，探究了高层办公建筑内风廊对自然通风的作用，并提出一些在实际应用中需要注意的问题和建议。这些研究成果能为高层办公建筑的设计和建设提供参考。

参考文献

[1]梁云.自然通风技术在绿色建筑中的应用[J].上海节能，2021，392（8）：869-872.

[2]吴国栋，韩冬辰，张军学.高层办公建筑自然通风的风廊空间设计研究[J].建筑学报，2023，651（2）：117-122.

[3]吕萌萌，陈静，尹泽开.夏热冬暖地区某办公建筑自然通风节能潜力分析及研究[J].建筑科技，2021，425（5）：39-43.

[4]许江英，陈宏国.内外建筑自然通风研究比较—基于文献计量分析[J].南方建筑，2021，206（6）：114-123.

[5]徐俊，穆正勇，殷子文，等.基于CFD的某高层建筑室内自然通风的数值模拟[J].黑龙江科技大学学报，2022，32（4）：459-463.

[6]彭文蔚.高层办公建筑玻璃幕墙外窗开启方式对室内自然通风的影响研究[D].广州：华南理工大学，2021.

[7]陶文铨.数值传热学[M].西安：西安交通大学出版社，2003.

[8]潘仁颖.合肥某办公建筑自然通风设计优化策略探讨[J].安徽建筑，2023，30（7）：23-24，48.