基于綠色建筑理念的夏熱冬冷地區小型公共建筑節能設計實踐

曲 藝

（同圓設計集團股份有限公司煙臺分公司，山東 煙臺 264003）

綠色建筑理念強調在建筑設計和建造過程中，充分利用太陽能、風能等可再生能源，采用節能建筑圍護結構、采暖和空調等設備，以及根據自然通風的原理設置風冷系統等措施，以實現建筑全生命周期的節能減排降耗，達到節水、節電、節能、節材和減少環境污染等目的[1]。在全球面臨日益嚴重的能源危機和環境污染問題的背景下，綠色建筑和節能設計成為了建筑行業的重要發展方向。特別是在夏熱冬冷地區的公共建筑，由于氣候的特殊性，對空調和暖氣的需求極大，能源消耗的增加給節能設計帶來了額外的挑戰[2-3]。在夏熱冬冷地區的綠色建筑節能設計中，室內風環境是重要的考慮因素。良好的室內風環境可以提高建筑內的舒適度和能源利用效率，減少對機械通風的依賴，因此，研究室內風環境的變化對于建設綠色節能設計具有十分重要的現實意義。研究基于綠色建筑理念，依托某社區便民服務中心項目，運用數值模擬手段對建筑內的自然風環境進行模擬分析，研究風環境變化對建筑冬季和夏季的節能效果影響，研究成果為小型公共建筑的節能設計提供參考和借鑒。

1 工程概況

某社區便民服務中心建筑占地面積為202 m2，總建筑面積為990 m2，為4 層框架結構，建筑總高度為15.50 m，建筑立面如圖1 所示。首層建筑的結構層高為3 600 mm，2～4 層的建筑結構層高為3 300 mm，屋頂高度為2.0 m。

圖1 建筑立面圖

場區位于典型的亞熱帶季風濕潤氣候，具有獨特的氣候特征，四季分明，冬冷夏熱，無霜期長，降水豐沛，雨熱同季。區域年平均氣溫17 ℃，極端最高氣溫40.2℃，極端最低氣溫-5.4℃；年平均降雨量962 mm；年日照時數1 443.3 h；無霜期338 d。2022年對建筑場區內溫度和濕度進行實測，結果如圖2 所示。從圖2中可以看出，建筑場區的空氣濕度表現為春季和冬季大、秋季和夏季小的特點，春季和冬季的空氣濕度在70%左右劇烈變化，而夏季的濕度在65%左右，秋季的濕度在55%左右，這是因為場區周邊地形以淺丘陵為主，盆地底部和周邊山地形成的壩址容易在春季和冬季積累空氣濕度，而溫度則表現為夏季和秋季高、春季和冬季低的特點，冬半年（11月至次年4月）主要吹偏北風，溫度相對較低，空氣平均風速約3.0 m/s，而夏半年（5～10月）主要吹偏南風，溫度相對較高，空氣平均風速約4.0m/s，同時受到季風氣候的影響，氣溫和降雨在時間上基本一致，具有時間分布不均的特性，表現為3～7月降雨量約為全年總降雨量的50%～70%，而7～9月降雨量則逐月減小。

圖2 場區全年空氣溫度和空氣濕度變化情況

2 小型公共建筑室內外風環境數值模擬方法

為了充分提高小型公共建筑節能效率，利用自然風是行之有效的方法，借助數值模擬軟件，模擬室外風環境與室內自然通風的流體場，認識風場的流動規律，充分利用室外自然冷源，增加空氣的流通，降低夏季室內環境的問題，進而改善室內環境，保證室內空氣品質和室內活動人員的熱舒適性，減少空調及降溫設備導致的能源消耗[4-5]。通過小型公共建筑室內外風場環境的數值模擬，可以為建筑自然通風及節能設計提供相應的技術指導。

基于空氣流體動力學（CFD）基本理論，研究選用具有良好數據可視化及強大前后處理功能的數值模擬軟件（PHOENICS 2019 通用流體分析軟件）作為計算工具，計算自主生成模型網格，并對風場環境數學模型進行迭代求解，輸出風場壓力、風場速度等云圖[6]。結合建筑物的平面圖和周邊環境，研究確定室外場地的計算范圍為1 000 m（長）×1 000 m（寬）×400 m（高），采用結構網格進行劃分，網格空間大小為150 m（長）×150 m（寬）×50 m（高），根據實際測試的風速環境，取最不利風場環境進行計算，設定地面的粗糙度為A 類，參考高度（空氣中距離地面1.5 m 位置）冬季風速和夏季風速分別為3.0 m/s、4.0 m/s，風速輪廓呈冪指數分布規律，如公式（1）所示。

計算中，空氣的流動為不可壓縮的低速湍流，其運動控制方程滿足空氣動力學連續性方程、動量方程、湍流動能方程和耗散率方程，計算方法如公式（2）～公式（5）所示。

考慮到建筑物與氣流之間的接觸形成限制流，空流流速在進口和出口之間存在速度差，因此，模型的邊界條件設立非穩態紊流邊界，室內外空氣為理想流體，入口冬季送風速度和夏季送風速度分別為3.0 m/s、4.0 m/s，出口壓力為0 Pa，建筑無墻體設置為絕熱無滑移邊界條件，建筑物窗戶開啟為50%首層窗戶打開。

3 小型公共建筑室內外風環境數值模擬結果分析

圖3 為建筑物室內外風場壓力分布計算云圖。從圖3 中可以看出，在室外自然風作用下，建筑物室內外的風壓場呈現明顯的南北向差異，表現為南側迎風面為正壓強，而北側背風面為負壓強，正壓強的壓力值范圍為8～9 Pa，負壓強的壓力值范圍為-3～-4 Pa，因此，南北之間的風壓力差大達到11～13 Pa，為自然通風的形成提供了有利條件，室內的風場壓力也由于室外大環境的風環境壓強變化、建筑物南北窗戶的通透性而產生變化。

圖3 建筑物室內外風場壓力分布計算云圖

圖4 為建筑物室內外風場速度分布計算云圖。從圖4 中可以看出，室外自然風在傳播的過程，由于建筑物為自然障礙，阻擋了自然風的傳播路徑，使得自然風在空間上分布不均勻，南北向的風速差異巨大。在南側迎風面的自然風風速存在局部的速度低值，而穿過建筑物后，北側背風面存在大區域的速度低值，風場環境為紊流狀態，局部呈現渦流，在速度低值外圍則出現明顯的速度高值邊界，建筑物室內的風場速度也發生了明顯的變化。

圖4 建筑物室內外風場速度分布計算云圖

圖5 為建筑物室內首層平面風場壓力分布計算云圖。從圖5 中可以看出，房間的風場壓力隨著室外環境風壓的變化而變化，風壓逐漸從南側房間由正值向北側房間傳遞，風場壓力的梯級分布有利于形成自然穿堂風，同時在南側房間中間部位形成較大的正壓，風壓壓差超過了自然通風形成所需的10 Pa臨界條件，因此，在夏季可以在非空調時段，通過開啟窗戶的手段，利用夏季自然風場獲取良好的自然通風，降低室內熱環境，提高室內活動人員的舒適度。

圖5 建筑物室內首層平面風場壓力分布計算云圖

圖6 為建筑物室內首層平面風場速度分布計算云圖。從圖6中可以看出，在自然風條件下，室內風場速度分布范圍為2.5～4.71 m/s，南北房間各個區域均有自然風達到，氣流組織較好，室內通風狀態良好，無明顯氣流盲區現象存在。

圖6 建筑物室內首層平面風場速度分布計算云圖

圖7 為建筑物室內5s 時刻空氣齡分布計算云圖?？諝恺g是指空氣質點自進入房間至到達室內某點所經歷的時間，反映了房間排除污染物能力和室內空氣的新鮮程度，可以綜合衡量房間的通風換氣效果，是評價室內空氣品質的重要指標。室內平均空氣齡小的房間，去除污染物的能力越強，說明該房間的空氣越新鮮，空氣品質就越好。從圖7 中可以看出，在自然通風作用下，空氣氣流均能到達每個房間，但在北側面積最大的房間存在空氣齡較大的現象，導致空氣滯留時間較長，因此，可以通過將其門位置適當居中，與南側最大房間的門形成對應關系，或者在北側加設一扇窗戶，增加空氣的對流。

圖7 建筑物室內5 s 時刻空氣齡分布計算云圖

4 結語

以某社區便民服務中心為研究對象，運用數值模擬的手段，對建筑物室內外的風場環境進行計算，研究室內外風場風壓、風速和風齡的變化規律，得到以下幾個規律。

（1）在室外自然風作用下，表現為南側迎風面為正壓強。

（2）室外自然風在傳播的過程中，由于建筑物為自然障礙，使得自然風在南側迎風面的自然風風速存在局部的速度低值，而穿過建筑物后，北側背風面存在大區域的速度低值。

（3）房間的風場壓力隨著室外環境風壓的變化而變化，風壓逐漸從南側房間由正值向北側房間傳遞，風場壓力的梯級分布有利于形成自然穿堂風。