CFD 模拟在建筑通风效果预测中的应用■_rJ李效禹 王智超 李永 赵丹 彭荣 中国建筑科学研究院摘要 文章对某别墅室内污染物浓度的现状进行了测试，并提出了降低污染物浓度的改进 方案实测了室内外的空气流场分布，并采用CFD模拟技术对某单体建筑室内通风效果进行 了模拟从模拟的结果来看，通过增加室内通风换气量可以有效降低室内污染物浓度 关键字 CFD 模拟 建筑通风 效果预测 室内污染物1)绪论新鲜清洁的空气是人们身体健康和生活品质的基础，所以近几年人们越来越关注室内空 气品质 IAQ(Indoor Air Quality) 随着 CFD 模拟技术不断的发展，许多工程师已经在设 计阶段使用CFD模拟技术对建筑通风进行了优化但对于既有建筑室内污染物控制，尚未看 到用 CFD 模拟技术进行预测和控制2)工程介绍及室内污染物浓度测试结果本文选取北京市昌平区某别墅作为研究对象建筑本体和建筑示意图如图 1.a 和 1.c 所示，别墅共4 层，一层和二层面积相同，三层和四层面积相同其中在四层为太阳房，在 太阳房里面安装了一台排风机如图1.b所示，排风机的排风口设置在二楼和三楼的洗手间， 经过测试，排风机的总排风量只有30m3/h。
结合对建筑室内尺寸、室内污染物浓度的测量 结果，如表1 和表2所示，各种污染物的浓度均高于室内空气品质污染物限值而这台风机 远远不能达到改善室内空气品质的要求图1工淒筑水体图 1 建筑及排风机示意图表1 室内空气品质检测结果 A二层北屋0.050.49/二层南屋0.080.290.03二层寸匕屋0.050.38/客厅0.050.290.13&月门窗关用24h后再次进行检测，检测结果如下采样位苴甲醛(mg/m3)TVOC (mg/m3)M (mg/m3)阳光房0.348.99/阁楼0.3011.37/三层南屋0.454.81/其他屋由于未关门窗，因此未测表 2 室内空气品质检测结果 B&月关窗24h重新进行检测，其中有门的卧室未关门.检测数据如下采样位苴甲醛(mg/m3)TVOC (mg/m3)M (mg/m3)阳光房0.171.27/阁楼0.232.23/三层南屋0.601.75I三层北屋0.192.02i二层南屋0.220.690.07二层北屋0.151194/客厅0.241.290.13:bMlilil建击兰 右T ］舛”龈土「亦?计gh容亡1 HC?&福回+紬in”;”6 ^..18 .fl,关闭门窗4汕后进行检测。
检测数据如下采样位苴甲醛(mg/m3)TVOC (mg/m3)M (mg/m3)阳光房0.195.35/阁楼0.214.50/三层南屋0.203.66/三层北屋0.342.19/二层南屋0.270.840.09二层北屋0.081.95/ 客厅…0.080.420.133） 室内外空气流场 室内空气流场检测位置为各层窗户和室内，检测内容包括空气流场方向和大小，检测时 间在白天和夜间（部分） 室内流场检测位置为每层距离地面 1.5米高度，将每层划分成若 干个小块，测量每小块的中心点这样可以避免特殊点的影响从测试结果来看，室外风速很小、或者无风的时候，建筑物开口出的风矢量是不确定的， 但是顶层太阳房的风向却一直向外当屋顶太阳房被太阳辐射加热的时候，由于热压差作用， 室内容易形成由一层向顶层的气流，这样可以将室外新鲜空气抽进室内，达到通风换气的作 用夜间，由于太阳房的蓄热，热压依旧存在，而且由于室外温度迅速降低（27°C）,使得 室内一层到顶层的气流形态更为明显太阳房对自然通风的贡献可以被肯定但是，从测试 结果来看太阳房的换气量仅仅为40m3/h，效果并不明显因此需要增加机械通风换气装置 并加大通风量对室内进行排风处理。
4） 室内通风效果 CFD 模拟根据该单体建筑的建筑结构，经业主同意我们决定增加室内排风扇流量，并在房间北 侧增加“右进风口”，在房间南侧增加“左进风口”如图2所示，根据对业主的生活习惯调 查，假设室内污染源为 C1-1,C2-1,C2-2,C3-1,C3-2 等五个污染源，污染物为 CO ，以降低室2内CO2浓度为目标，在业主经常活动的区域设置不同浓度的CO2污染源污染物浓度为模拟 方便，我们将室内排风口直接用排风机代替，并赋予一定流量本文比较四种不同的设计方案下，室内CO浓度的降低效果（以1000PPMV为限值），选2取最佳民用建筑混合式通风换气装置的安装方式模拟的四种工况方案设计如表3所示采用CFD模拟时单元体网格最大的X、Y、Z尺寸 为0.2 m、0.2 m、0.2 m；对窗户、门、排风机口等局部速度梯度大的地方，网格划分时进 行预设局部加密细化条件；根据房型的特点，水平参考平面选在每一层距离地面高度为 1.5m 处，垂直参考平面选在房子的中垂面CO2* 度（PPMV）C1-1155fiC2-11167C2-21464C3-11167C3-21163C3-2*排凤扇F-1排凤扇F-2排風扇F-3左进风口图 2 房间内 CO2 污染源设置点及浓度表 3 模拟工况方案设计工况右进风口mmXmm左进风口mmXmm排风扇 F-1（流量CMH）排风扇 F-2（流量CMH）排风扇 F-3（流量CMH）1500 X 50400X 40001608021000X 100400X 4000160803500X 50400X 4004016012041000X100400X400401601205）模拟结果分析工况 1 模拟结果如图 4 所示，使用民用建筑混合式通风换气装置后，室内大部分空间 CO2 浓度明显能够降低到 1000ppmv 以下，只有在三楼的两个房间 CO2 浓度比较大。
一楼的 CO2 浓度分布比较均匀，而且基本上都降低到 1000ppmv 以下工况2模拟结果如图5所示，与工况1相比较，不增加排风口流量，单单加大进风口的 尺寸，不能够有效的降低室内污染物的浓度因此我们认为，原因在于三楼的排风扇排气量 比较小工况3模拟结果如图6所示，基于工况2的模拟结果，增大排风扇F-3的流量，并且给排风扇 F-1 赋予 40CMH 的流量，能够有效地降低室内污染物浓度，特别是三楼的室内污染物 工况 4模拟结果如图7所示，在工况3 的基础上，继续加大右侧进风口的尺寸，我们发 现，室内 CO2 浓度并没有明显的降低通过比较四种工况的模拟预测结果可以看出，在污染物浓度最难排出的第三层，通过加 大三层排风扇流量就可以有效降低三层污染物浓度在机械排风条件下，增大进风口尺寸不 能有效地降低室内污染物浓度，增大排风扇的排风量是降低室内污染物浓度的有效方法Carbon Dioxide (mole) ppmv875000 750000 625000000375.000250.000■ — 125.000■— 0.000000水平参考面垂直参考面图 4 工况 1 模拟结果Carbon Dioxide (mole) ppmv750.000625.000500.000375.000250.000■ — 125.000■— 0.000000水平参考面垂直参考面图 5 工况 2 模拟结果Carbon Dioxide (mole) ppmv—1 uuu 07c0/3. 7cn/bu.—625.—Rnn3UU. 07c—250.—125.0000000000000000000000.000000水平参考面垂直参考面图 6 工况 3 模拟结果Carbon Dioxide (mole) ppmv1000.00水平参考面垂直参考面 750 625 500 250000000000000000000■ — 125.0000.000000图 7 工况 4 模拟结果6）结论从模拟预测结果可以看出，针对局部污染物浓度偏大的特点，在污染物浓度最难排出的 第三层，通过加大第三层排风扇流量就可以有效降低整个室内污染物浓度。
在机械排风条 件下， 增大排风扇的排风量是降低室内污染物浓度的有效方法。