数值模拟分析技术辅助超高层绿色建筑自然通风设计

摘要：基于重庆市建筑节能（绿色建筑）设计标准（DBJ50-052-2013）对绿色建筑的自然通风要求，通过某超高层绿色建筑项目，采用计算机辅助室内自然通风的设计，避免定性分析的不确定性，在实现良好自然通风的过程中，降低了幕墙造价。通过本文的研究，为绿色建筑室内自然通风设计提供新思路，为其他项目的自然通风设计提供了良好的借鉴。

关键词：绿色建筑；数值；模拟；自然通风

中图分类号：TU2文献标识码： A

1、引言

随着2013年国务院《绿色建筑行动方案》（2013（1）号）等一系列文件的，“绿色建筑”得到了迅速的发展，截止到2013年12月，国家住房和城乡建设部建筑节能与科技司公布数据显示，评审通过的绿色建筑项目达1446个，标识项目的建筑面积已超过16270.7万平方米。自然通风作为一种被动式技术，在改善室内热湿环境的同时可降低建筑能耗，因而得到大力的推广。但由于设计条件的限制，目前自然通风的效果仅根据经验进行判定，但该判定仅考虑风压通风，未考虑到热压通风以及室外梯度风[1]。对于超高层建筑，室外风速呈指数增长，在一定高度以上，室外风速远大于低层，由此引起的室内自然通风效果亦完全不同于底层低风速的状况，传统的经验判定将无法反映实际状况。本文基于重庆某一绿色超高层项目，采用数值模拟分析技术辅助室内自然通风设计，探求满足过渡季室内自然通风的幕墙开窗要求，最大限度地降低该建筑幕墙造价。

2、标准中对自然通风的要求

重庆市建筑节能（绿色建筑）设计标准DBJ50-052-2013提出：设计应进行下列建筑室内外风环境、室内采光分析，优化建筑空间平面和构造设计：在过渡季典型工况下，90％的房间的平均自然通风换气次数不应低于2次/h。在无法采用数值模拟分析技术的条件下，一般可按如下进行判定：自然通风房间可开启外窗净面积不得小于房间地板面积的4％，建筑内区房间若通过邻接房间进行自然通风，其通风开口面积应大于该房间净面积的8％，且不应小于2.3m2。（数据源自美国ASHRAE标准62.1）。同时，单侧通风房间的进深不超过房间净高的3倍；穿堂风房间的进深不超过房间净高的5倍｡这一做法主要针对于多层或高层建筑，在超高层建筑中，情况则不尽相同，换言之，考虑到风速随高度呈指数增长后，在一定高度上，要实现在过渡季典型工况下，90％的房间的平均自然通风换气次数不应低于2次/h，自然通风房间可开启外窗净面积并非不得小于房间地板面积的4％[2]。

按照大气边界层理论，气流穿过不同的地区和地形带时，因产生摩擦力而使风速降低，风能减少，其本身的结构也随之发生变化，直到达到一定高度，地面粗糙度的影响才可以忽略。一般情况下，地面以上300m(不超过1000m)范围内均属于大气边界层，在这个范围以上风速才不受地表的影响。近地面层的风速服从指数分布[3]，如下式所示：

（2.1）

其中：UZ 为高度Z处的水平方向风速；

U0 为参考高度Z0处的风速；

α为由地形粗糙度所决定的幂指数，可按建筑所处的地形条件选取。

根据《建筑结构荷载规范》GB 50009，地面粗糙度可分为A、B、C、D 四类，其相应值见表2.1。本研究中按C类地貌取0.22。

表2.1不同地形的α值[4]

分类 地形 α 值

A 近海地面、海岛、海岸、湖岸及沙漠地区 0.12

B 田野、乡村、丛林、丘陵及房屋较稀疏的中小城及大城市郊区 0.16

C 密集建筑群的城市市区 0.22

D 密集建筑群且房屋较高的城市市区 0.3

3、自然通风设计

本研究采用Phoenics流体力学计算软件，对重庆某一绿色建筑超高层项目自然通风进行研究。本项目为商业及办公楼综合体，地上32层/地下7层），总建筑面积：338,308平方米（地上207，418平方米；地下130,890平方米），建筑高度地上154.9米/地下29.25米。在研究室内自然通风状况时，需先进行室外自然通风的模拟，而后将室外自然通风的结果作为室内自然通风的边界条件。本研究主要针对重庆典型气候条件（过渡季节）下， 建筑表面的压力分布，并将压力分布作为过渡季室内自然通风的边界条件。

图3.1 项目效果图

3.1室内风环境模拟模拟方案及边界条件

本项目8层及以下为大型商业，根据标准要求，大型商业可不考虑自然通风。9层及以上为塔楼，性质为办公建筑，需考虑室内自然通风所需的开窗面积比；10层以上皆为标准层，建筑平面相同。9层稍有不同，中间为核心筒，围绕核心筒一圈为走道，其余为开敞式办公，标准对于超高层建筑，由于高处风力过大以及安全方面的原因，自然通风不再是外窗和玻璃幕墙是否能开启主要考虑因素，故仅要求第20层及其以下各层的外窗和玻璃幕墙，20层以上部分不作要求。）

为满足过渡季90%的房间建筑设计时，标准中要求的最低比例为4%，在建筑高度较高时，考虑到梯度风的影响，当开窗面积比例不满足4%时，有可能90%的房间面积满足2次/h的换气次数要求。本研究中，模拟方案采用从1%~4%，按照1%的有效开窗面积逐级递增。选取3个不同高度（低9层、15层、21层）的房间过渡季的室外自然通风状况。根据《幕墙工程技术规范》JGJ102-2003，幕墙悬窗开启角度小于30°，且开启距离小于300mm，其有效开启面积比例按照消防规范要求，悬窗开启时的2倍侧投影面积与正投影面积之和。选择的幕墙开窗洞口为宽600，高2000mm，考虑采用宽600，高2000mm上悬窗，有效净面积面积为0.78m2。因此，制订如下的模拟技术方案，详细开窗状况见表3.1。

表3.1 各开窗面积比下各层的开窗状况

序号 有效通风占地板轴线面积的比例 外窗可开启面积占地板轴线面积比例 开窗数量 研究楼层

1 1% 1.52% 16* T2第9层、15层、21层

2 2% 3.04% 32* T2第9层、15层、21层

3 3% 4.57% 48* T2第9层、15层、21层

4 4% 6.08% 64* T2第9层、15层、21层

*（1）9F由于仅有三面可开窗，开窗数量详见模拟方案；

*（2）在模拟过程中，开窗面积由小至大，当某一开窗面积可满足要求时，不再模拟该层更大开窗方案下的自然通风。

3.2室内风环境研究模拟结果

通过对项目的9层在过渡季不通过开窗面积下的室内自然通风模拟研究发现：开窗面积比依次为1%、2%、3%时，9层过渡季节室内自然通风满足2次/h

的面积比例分别为74.6%、83.0%、91..1%、100%。因此，考虑选择开窗面积比为3%。

15层过渡季节室内自然通风满足2次/h的面积比例分别为86.5%%、100%、100%、100%。因此，考虑选择开窗面积比为2%。

21层过渡季节室内自然通风满足2次/h的面积比例分别为89.5%、100%、100%、100%。因此，考虑选择开窗面积比为2%。

3.3 室内自然通风设计

根据室外梯度风的关系，随着建筑高度的递增，室内自然通风效果越强，因此， 9~15层采用3%的开窗面积比，15~20层采用2%的开窗面积比，21层以上采用2%的开窗面积比，兼顾了超高层建筑办公室自然排烟的要求。较原来每层4%的开窗面积比要求，整个项目幕墙可开启面积减少近三分之一，大幅度降低了幕墙五金件的造价，推进了整个项目的工期。

4、结论

通过对某绿色超高层项目的研究，在过渡季典型气象条件下，因梯度风的影响，要实现90%的以上功能房间换气次数在2次/h以上，并非均需满足4%的开窗面积要求，本项目中9~15层采用3%的开窗面积比，15~20层采用2%的开窗面积比，21层以上采用2%的开窗面积比，即可实现自然通风的要求。较原来每层4%的开窗面积比要求，整个项目幕墙可开启面积减少近三分之一，大幅度降低了幕墙五金件的造价。

通过采用数值模拟分析技术辅助室内自然通风设计，可以有效提高室内自然通风效果，降低绿色建筑造价。

5、参考文献

[1].张艳辉。超高层建筑结构旋转风荷载效应研究。哈尔滨工业大学硕士论文。

[2].重庆市城乡建设委员会。《重庆市建筑节能（绿色建筑）设计标准》DBJ50-052-2013；重庆，2013。

[3].朱颖心，建筑环境学（第三版），建筑工业出版社，北京，2004。

[4].中华人民共和国国家标准，《建筑结构荷载规范》GB 50009。中国建筑工业出版社。北京，20112。

基金项目：中煤科工集团重庆设计研究院有限公司重点项目“绿色建筑设计技术调研及应用” (项目号：2013QN040)资助。

作者简介：秦砚瑶，女，1981年生，现为中煤科工集团重庆设计研究院有限公司绿色建筑技术中心主任。