某办公大楼中庭自然通风的数值计算分析

万阳

摘要：本文以一栋地上21层的新建办公楼为案例，利用大型计算流体力学软件FLUENT，模拟中庭的风速场，对比三种中庭高度方案的自然通风效果。模拟得出，中庭层数在6-8层之间其自然通风的热压拔风效果最佳。建议将该办公楼中庭等分为上、中、下三段，并辅助增设中庭顶部的遮阳装置；顶部排风、底部进风等措施，维持中庭良好的物理环境，充方利用中庭自然通风降低建筑物的空调能耗。

关键词：中庭、自然通风、计算流体力学、气流组织

Numerical Calculation and Analysis of Natural Ventilation in the Atrium of an Office Building

Wan Yang

(Arcplus Institute of Shanghai Architectural Design & Research(Co.,Ltd.),Shanghai,200041)

Abstract: A new office building with 21 floors is defined as the sample project for thins analysis. CFD software FLUENT is used to simulate the wind velocity magnitude in the atrium. Natural ventilation effects of three different height atrium schemes are discussed in this document. According to the simulation, an atrium with 6-8-floor height shows the best draft effect of natural ventilation. The atrium of this office building is recommended to be pided into upper, middle and lower sections. Some measures like sunshade devices in the atrium’s top, top air exhaust and bottom air inlet are also recommended in order to maintain a good indoor environment in the atrium. Using the natural ventilation of atrium to reduce the energy consumption of air conditioning in buildings.

Keywords: Atrium, Natural ventilation, CFD, Air flow organization

1. 工程概况

本工程项目位于江西省新余市的办公建筑，总建筑面积约50000m2，其中地上21层，地下2层，地下为车库和设备用房，地上为办公用房。

2. 地理与气相环境

纬度和太阳方位角的不同，使各地区接收到的太阳辐射热量各不相同，结合地球的自转，形成了大气环流和地球宏观气候；而近地表区域各类生物的生存和活动、人类对自然资源的开发和利用、建造等各种人为因素也影响了区域性生态，改变了地球大气中物质的各种组成结构，引起了各区域局部气候的变化，进而形成各区域的微观气候特征。由于受宏观气候和区域微观气候共同作用的影响，建筑在不同地区表现出一定的特征差异。

根据全国建筑热工分区，本工程位于夏热冬冷地区。建筑形体设计和布置综合考虑了夏热冬冷地区的宏观气候条件以及当地的微观气候条件，采用了多中庭的形式（详见图1）。

本工程项目位于东经114.58、北纬27.48，海拔高度为131.7米，夏季当地大气压力为996.2kPa。夏季室外通风计算干球温度为34℃。夏季主导风向为东南风，室外平均风速为2.5m/s。

3. 中庭自然通风方案

自然通风是利用自然能源来维持适宜室内环境的通风方式，它不需要依赖传统的空调通风设备，通过自然方式引进室外空气，带走室内负荷并排至室外，从而提升室内的环境舒适度，降低建筑的冷负荷，同时它还可以很好地解决过渡季节通风换气、夏季通风降温的问题，在节省建筑能耗的同时提高室内空气品质。

本工程设计中，中庭的自然通风是需要重点考虑的对象之一。如图1所示，图中四个红色区域代表中庭（长度约41.8米，宽度7.9米，高度90.0米）。这四个中庭的布置不仅仅起到建筑的采光，更重要的是其担负着建筑自然通风的任务。

图1 建筑中庭平面布置图

作为共享空间的建筑中庭，因其独特的开放感和自由感，甚至能在相对封闭的建筑空间内营造出户外的感觉，从而获得了建筑师和用户的青睐，因此在各类建筑中得到了广泛的应用。与一般的室内建筑空间不同，中庭具有容积大、空间高、并伴有大面积玻璃幕墙和屋顶等特点。

然而，通过有效利用中庭的热压自然通风，保持中庭良好的物理环境是中庭建筑物理环境设计的难点，需要建筑师、暖通工程师和其他相关工程技术人员合作进行研究和解决。其中，自然通风换气量与中庭的体量、高度以及中和面位置密切相关， 如考虑不周或设计不当时，中庭热空气会在高处倒灌入周边房间，严重影响高处周边房间的热环境。

为此，为了优化本工程中庭通风设计，建筑师和工程师反复磋商，提出了一下三种设计方案（如图2所示）：

图2 三种自然通风方案

在方案一中，中庭自地上1层一直延伸至屋顶；

在方案二中，在建筑的第11层处将中庭一分为二，设置隔断楼板。

在方案三种，在建筑的第7层，第14层分别设置隔断楼板，将中庭分为三部分。

本工程将利用CFD（计算流体动力学）的方法，对以上三种中庭热压自然通风问题进行数值分析，考察三种方案在自然通风时表现的不同性能，找到最佳的自然通风方案，以此获得该建筑自然通风方案的最优化设计。

4. 方案数值优化设计

采用大型计算流体力学软件FLUENT对以上三种方案进行了分析，计算结果如下：

1. 1. 方案一

图3 方案一：中庭立面通风速度矢量图

图4 方案一：一至八层中庭立面通风速度矢量局部放大图

图5 方案一：十一至十七层中庭立面通风速度矢量局部放大图

图6 方案一：二十层、二十一层中庭立面通风速度矢量局部放大图

1. 2. 方案二

图7 方案二：中庭立面通风速度矢量图

图8 方案二：一至八层中庭立面通风速度矢量局部放大图

图9 方案二：十一至十七层中庭立面通风速度矢量局部放大图

图10 方案二：二十层、二十一层中庭立面通风速度矢量局部放大图

1. 3. 方案三

图11 方案三：中庭立面通风速度矢量图

图12 方案三：一至九层中庭立面通风速度矢量局部放大图

图13 方案三：八至十六层中庭立面通风速度矢量局部放大图

图14 方案三：十五至二十一层中庭立面通风速度矢量局部放大图

1. 4. 方案比较

在中庭热压自然通风设计中，重点要避免中庭热空气在高处倒灌入周边房间，以免严重影响高处周边房间的热环境。通过CFD计算，三种方案下中庭立面通风速度矢量图如图3～图14所示。

在方案一中（图3～图5），如图3、4所示，地上一层至地上八层，热压作用下中庭拔风效果明显，中庭很好地起到了引风作用，加强了自然通风效果；八层以上，热压拔风效果减弱，自然通风效果变差。如图3、5所示，十一层以上部分，越往上部中庭的热压拔风效果逐渐变差，部分房间产生了“倒灌”现象，显然这有悖于中庭加强自然通风设计的初衷。

在方案二中（图7～图10），方案二不同于方案一，在十一层处将建筑中庭隔断，使中庭自然通风分为独立的上下空间。从图7、8可以看出，在地上一至八层中庭立面通风中，一至六层在中庭的热压作用下拔风效果较好，从第七、八层开始往上，热压拔风效果开始有所减弱。而到十一层时，如图7、9所示，由于设置了隔断楼板，使得十一层以上的自然通风效果又好像回到了地上一层一样，热压拔风效果明显。到二十层、二十一层，如图7、10所示，此时由于经历了近10层以上的距离，中庭的热压拔风效果在此变得相对较差，二十层、二十一层部分出现了“倒灌”现象。

在方案三中（图11～图14），方案三不同于方案一和方案二，分别在第7层、第14层设置了隔板楼板，将中庭分为上、中、下三个独立的自然通风体。图11、12给出了1～9层中庭立面通风图，图11、13给出了8～16层通风立面，图11、14给出了15～21层中庭通风立面。从图中可以看出，将中庭分为三个独立的通风体后，各部分中庭在热压作用下拔风效果大大改善，各层在中庭的引风作用下，其自然通风得到了很好的加强。对于方案一和方案二，方案三在整个建筑中庭通风立面中热压拔风效果最明显，加强了建筑内环境以及建筑内外环境之间的通风换气，自然通风效果最佳。

5. 最终方案概述

从方案一、方案二中，大致可以看出，对于此项目的中庭，其拔风效果保持较好大约能持续6-8层左右，超过8层以上后，中庭的热压拔风效果变得相对较差，而随着距离的增大，出现倒灌的几率增大。在方案三的设计中，将建筑中庭分为上、中、下三个独立部分，每部分为7层。这样的设计恰好能满足该中庭在此建筑环境下的最佳自然通风效果。

为维持中庭良好的物理环境，本工程在设计时，考虑到了针对不同季节采用不同的气候控制方式。 冬季：为充分利用温室效应积聚热量，日间中庭顶部必须处于严密的封闭状态，收起遮阳装置；夜间中庭顶部亦应处于严密的封闭状态，并利用打开的遮阳装置增大顶部热阻，阻止日间积聚在中庭的热量散失。夏季：为防止太阳辐射大量的进入中庭区域，可采用合理的遮阳措施，同时采用从底部引进室外空气，顶部排风的方式，充分利用中庭的热压效应来引导自然通风，还必须注意的是，要采取必要的措施防止室外空气通过周边房间进入中庭，否则会因为这些房间过量的新风渗透，从而导致冷负荷的大幅度增加，这也将使整个建筑物的空调能耗增加。非空调过渡季节：充分利用中庭的热压效应以带动周边房间的自然通风，通过室外空气的引入，带走积聚在周边房间内和中庭的多余热量，这样既保证了建筑物的室内空气品质，又能通过利用“自然能”达到良好的节能效果。

参考文献

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作者简介：万阳，1966年6月，男，汉族，上海，本科，高级工程师，机电院暖通专业总师，暖通空调设计、建筑节能。

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