?？诔邔咏ㄖ匀煌L(fēng)的影響與節(jié)能分析

敖思宇

中旭建筑設(shè)計有限責(zé)任公司，北京 100160

1 超高層建筑自然通風(fēng)研究背景

隨著我國改革開放后的經(jīng)濟快速發(fā)展，我國建筑業(yè)更是迎來了一次從設(shè)計到施工的整體技術(shù)飛躍，尤其是超高層建筑，而且大部分超高層建筑為當(dāng)?shù)氐牡貥诵越ㄖ?。根?jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，早在2014年我國的已建超高層民用建筑就已突破7000座，其中公共建筑占65%，同時我國的超高層建筑數(shù)量也成為世界上數(shù)量最多，分布地域最廣的國家。

研究結(jié)果表明，對于辦公建筑，采用自然通風(fēng)的方式每年可以為建筑節(jié)省冷量約為14～41kWh/h，相應(yīng)可節(jié)約費用約1.3～3.6美元/m2。因此，自然通風(fēng)成為最受現(xiàn)代暖通設(shè)計師青睞的一種節(jié)能設(shè)計，同時是為了實現(xiàn)“綠色建筑”的一種必然選擇。

2 超高層建筑自然通風(fēng)數(shù)值模擬法

選用標準k-ε模型。進口邊界條件使用速度入口Velocityinlet，出口邊界條件采用壓力出口Pressure-outlet，在室內(nèi)側(cè)出口處壓力設(shè)置為0Pa。在建筑物高度＜450m時，室外風(fēng)場的速度隨高度的增加呈指數(shù)形式的增加，其中城市風(fēng)速隨高度變化公式計算：

式中：v為距地h米處風(fēng)速，m/s；v1為距地h1米處風(fēng)速，m/s，h1取10；n為地面粗糙度系數(shù)。

以海口市內(nèi)某超高層辦公樓為例，根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009—2012），且高度為250m風(fēng)速梯度依舊取決于地面粗糙度，因此在模擬中n取0.22。

3 超高層建筑自然通風(fēng)案例概況

文章的研究對象為一棟位于?？谑械某邔咏ㄖＴ擁椖课挥诤？谑欣蠙C場舊址，總用地面積為25492.86m2，總建筑面積為275143.98m2，其中最高塔樓為52F，建筑高度為249.85m。

室內(nèi)自然通風(fēng)研究對象為2座塔樓的4F～42F開敞式辦公準層，外圍護結(jié)構(gòu)均為玻璃幕墻。在核心筒和辦公區(qū)連接處設(shè)有公共走廊，走廊均設(shè)有密封較好的戶門，且開啟頻率不頻繁，在室內(nèi)模擬時不考慮核心筒處。因為樓梯及電梯井道造成的煙囪效應(yīng)及熱壓反應(yīng)，所以公共走廊和核心筒處按照密閉腔考慮。標準層的吊頂高度為2.7m，故在室內(nèi)空間的模型建立時僅考慮2.7m吊頂以下區(qū)域。

選用經(jīng)度110.33119、緯度20.031971的氣象臺所提供的氣象參數(shù)，該氣象臺離目標建筑約3.6km，同樣處于?？谑兄行?。氣象站與目標建筑之間沒有明顯的高大山等高大的地勢影響，地理條件基本一致，且有效數(shù)據(jù)比較完整，可以作為研究目標建筑的氣象參數(shù)資料。

由于在15.35～27.13℃時，室外新風(fēng)不為室內(nèi)帶來冷負荷，據(jù)此在近10年的氣象樣本中可知一共2020d符合氣溫要求。集中在當(dāng)年10月至次年4月，在此期間主導(dǎo)風(fēng)向主要為ENE（東北偏東）。為了滿足在模擬室外風(fēng)向時能夠體現(xiàn)不同風(fēng)向的影響，以3種典型風(fēng)向作為滿足自然通風(fēng)的典型氣候風(fēng)向，如表1所示。

表1 適于自然通風(fēng)的典型氣候工況 單位：m/s

4 超高層建筑自然通風(fēng)措施

因為幕墻通風(fēng)器具有造價低、效果好的特點，自然通風(fēng)采用幕墻通風(fēng)器。選用的某型號通風(fēng)器抗風(fēng)壓性能最大為3.6kPa，能夠滿足目標建筑的安全性需要。

幕墻通風(fēng)器設(shè)置情景如表2所示。布置采用整個辦公層對稱的方式。在所有情景下設(shè)置通風(fēng)面積均相等，總通風(fēng)面積為4.64m2。室內(nèi)模擬最終劃分網(wǎng)格數(shù)量為2595687，設(shè)置計算域計算步數(shù)為2000次。

表2 幕墻通風(fēng)器設(shè)置情景

4.1 不同情景的自然通風(fēng)效果分析

在3種典型工況下，在目標建筑100m高度處室內(nèi)工作區(qū)情景1的空氣速度矢量圖,情景2與情景1基本類似。情景3地板送風(fēng)無論室外風(fēng)為何種風(fēng)向，最終氣流都會從迎風(fēng)面送風(fēng)口垂直從下往上送風(fēng)，背風(fēng)面垂直排出，因此情景3僅模擬在工況1下的室內(nèi)送風(fēng)情況。

在情景1時，各個入流面的入流角度越大，從入流口到出流口的路徑越短，空氣會越快的完成在室內(nèi)的流動過程，且停留時間較短，對室內(nèi)空氣的擾動就弱，即新鮮空氣在室內(nèi)的分散效果越差，雖然滿足了通風(fēng)量的要求，但是無法達到全面置換的目的。入流角度越小，氣流的置換路徑越長，氣流會入射到核心筒的墻上，并沿著核心筒的墻在室內(nèi)更均勻地擴散。

當(dāng)幕墻通風(fēng)器安裝在情景2時，因為氣流的入流口和出流口高度都更加接近工作區(qū)，所以在工作2.0m高度的分布優(yōu)于幕墻通風(fēng)器安裝在情景1時的分布。情景2時，工況1中在出流夾角區(qū)所形成的渦流面積均減小約10%，工況2渦流面積減小約30%，工況3渦流面積減小約15%。因此，在幕墻通風(fēng)器安裝于情景2時，對室內(nèi)利用自然通風(fēng)換氣的分布效果更好。此時，流速約集中在5m/s，在短時間內(nèi)開啟不會令人感覺不適，可以滿足辦公生活的要求。

在情景3時，室外氣流沿著幕墻通風(fēng)器的室內(nèi)送風(fēng)口垂直往上送風(fēng)，一部分氣流垂直射流到2.7m高的吊頂，沿著吊頂擴散，另一部分氣流會在不同高度隨著射流邊界的擴大逐漸擴散。在工作區(qū)2.0m高度時，2個迎風(fēng)面處氣流分布比較均勻，且呈對稱的形式。綜上所述，情景2時室內(nèi)通風(fēng)的空氣質(zhì)量更優(yōu)，因此以幕墻通風(fēng)器安裝在情景2為基礎(chǔ)進行分析，即幕墻通風(fēng)器安裝在2.0m高度處。

4.2 不同建筑高度的通風(fēng)效果分析

幕墻通風(fēng)器安裝在情景2，對主導(dǎo)風(fēng)向工況1標高為50m、100m、150m、200m的辦公層通風(fēng)進行數(shù)值模擬。在這4層入流的新鮮空氣均將對該層內(nèi)的整體氣流產(chǎn)生不同程度的擾動。在50m時，2個入流口速度為4.42m/s，出流口處的速度為1.77m/s；在100m時，2個入流口速度為5.14m/s，出流口處的速度為1.85m/s；在150m時，2個入流口速度為5.62m/s，出流口處的速度為2.06m/s；在200m時，2個入流口速度為5.99m/s，出流口處的速度為2.23m/s。在入口速度從4.42m/s提升至5.99m/s時，出流口速度僅從1.77m/s提升至2.23m/s,出流速度的提升小于入流速度。隨著入流速度的提升，雖然提高了空間的換氣次數(shù)，但是對于整體區(qū)域的空氣擴散置換效果并不一定越好。可知，在5.14m/s時，整體空間空氣置換效果最好。

4.3 運行策略及節(jié)能效益分析

《公共場所衛(wèi)生指標及限值要求》（GB 37488—2019）中對室內(nèi)二氧化碳的濃度要求為不高于0.1%，1.964g/m3，室外空氣的二氧化碳濃度約為0.04%，0.786g/m3。根據(jù)實測辦公時每人每小時呼出的二氧化碳約為22.6L，該研究辦公區(qū)為1800m2，按每人8m2計算，共有225人，即每小時產(chǎn)生二氧化碳為5085L。以全面通風(fēng)的形式稀釋室內(nèi)的二氧化碳濃度，需要新風(fēng)量為8480m3/h。通過控制通風(fēng)器阻力將入流速度控制在5.14m/s時，自然通風(fēng)量為43299m3/h，是稀釋二氧化碳濃度的5.1倍，即通風(fēng)器每小時開啟12min即可滿足室內(nèi)稀釋二氧化碳的需求。

按照資料，2010—2019年，有2020d滿足自然通風(fēng)，如果僅在每天上午8點至中午13點室外溫度較低時采用幕墻通風(fēng)器，室外溫度較高后采用新風(fēng)機組的冷卻通風(fēng)。即每天減少開啟熱回收新風(fēng)機組5h，10年一共有10100h可以采用幕墻通風(fēng)器自然通風(fēng)，目標建筑共設(shè)置12臺熱回收新風(fēng)機組，每臺風(fēng)機電量為37kW，至少可以節(jié)省4484.4MWh，按?？诋?dāng)?shù)仉妰r0.6792元/kWh計算，可節(jié)省304.6萬元，辦公樓平均每年可以節(jié)省30.46萬元。

5 結(jié)論

文章以?？诘貐^(qū)一棟正在設(shè)計中的超高層辦公建筑作為研究對象，采用數(shù)值模擬法，得出具體結(jié)論如下：（1）在安裝高度為2.0m時，幕墻通風(fēng)器對工作區(qū)的氣流分布更穩(wěn)定，而且對新鮮空氣的分散和室內(nèi)污染空氣的排出更加有利。（2）最有利于室內(nèi)自然通風(fēng)空氣置換的風(fēng)速為5.14m/s。同時，入流角度較小時，有利于擴散入流的新鮮空氣。（3）如果將夏季的通風(fēng)效果納入分析，可以進一步將自然通風(fēng)應(yīng)用得更加全面，獲得更好的節(jié)能效果。