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硕士学位论文 硕士学位论文 （专业学位） （专业学位） 超高层建筑室外风压对通风系统的影响 及策略研究 超高层建筑室外风压对通风系统的影响 及策略研究 姓 名孙勇 学 号1333088 所在院系机械与能源工程学院 职业类型工程 专业领域动力工程 指导教师潘毅群教授 二〇一六年三月 A dissertation ted to Tongji University in conity with the requirements for the degree of Master of Philosophy March, 2016 Candidate Sun Yong Student Number 1333088 School/Department School of Mechanical Engineering Discipline Engineering Major Power Engineering Supervisor Prof. Pan Yiqun Impact of Outdoor Wind-pressure and Control Strategy of Ventilation System of Megatall Buildings 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版， 并采用影印、 缩印、 扫描、 数字化或其它手段保存论文； 学校有权提供目录检索以及提供本学位 论文全文或者部分的阅览服务； 学校有权按有关规定向国家有关部门 或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前提下， 学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名 年 月 日 同济大学学位论文原创性声明同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、 已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。 对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。 本学位论文原创性声明的法律责任由本 人承担。 学位论文作者签名 年 月 日 同济大学 硕士学位论文 摘要 I 摘要 摘要 大气边界层内，随着高度的增加，自然风速显著增大，其对建筑表面的风压 作用也随之增强。 超高层建筑Megatall Building通风口处上百帕的风压会直接影 响通风系统的有效工作，出现进排风量不稳定、风机颤振甚至无法工作等状况， 最终将对室内空气品质和舒适性产生不利影响。本文基于这一工程问题，采用 CFD 数值模拟方法研究室外风压对超高层建筑通风系统的影响，并从建筑结构 形式和风机选型与控制策略等方面研究增强通风系统工作稳定性的对策。 本文首先建立 RNGk和 Realizablek湍流模型的超高层建筑表面风压 数值模拟模型并与风洞实验对比，验证了 RNGk湍流模型的准确性。采用经 过验证的模型分别研究方形、多边形、类三角形三种形状的超高层建筑的表面风 压分布规律，并给出通风设计条件下基本风速的选取方法和表面风压的设计值。 然后对超高层建筑的通风小室和通风环廊内的压力分布进行模拟分析， 评估其对 缓解室外风压影响的效果。最后针对超高层建筑通风系统的特点，提出考虑室外 风压影响下的新排风机选型方法以及通风系统控制策略，并建立 Simulink 仿真 模型对控制策略进行仿真验证。 研究结果表明，在超高层建筑通风设计条件下，可以选取全年 5不保证小 时数的小时风速作为设计基本风速。 在主导风向下超高层建筑表面风压在平面上 可划分为正压区、负压区和过渡区。正压区的表面风压服从高斯分布，可取 80 概率下的风压值作为正压区的设计室外风压；负压区表面风压分布比较均匀，设 定以平均值作为负压区的室外设计风压，通风系统的排风口宜设置在负压区，新 风口宜设置在正压区，风口尽量避免设置在过渡区。经过模拟分析得出，超高层 建筑的通风小室对缓解室外风压影响的效果很小， 其主要起 “缓冲均压” 的作用； 通风环廊通过合理设置外窗口可以对室外风压影响有比较明显的缓解效果。 针对 室外风压对超高层建筑通风系统的影响，新排风机选用变频调速风机为宜，风机 的额定压头选取要同时考虑管网阻力和风口所承受的风压阻力； 为保证通风系统 持续有效的工作， 需在室外条件满足设计风压情况下和室外条件极端情况下分别 设置新风机和排风机连锁控制方式。 关键词关键词超高层建筑，表面风压，CFD 模拟，通风小室，通风环廊， 新排风机控制 Tongji University Master of Philosophy Abstract II ABSTRACT Under the atmospheric boundary layer, the natural wind speed and the wind pressure on the building surface both increase significantly along with the increasing of height. Wind pressure which is about one hundred Pa around the ventilation vents of the megatall building will directly affect the normal operation of the ventilation system, casuing unstable intake and exhaust air flow, fan vibration or even stopping opearation, which ultimately has a negative impact on the indoor air quality and thermal comfort. Based on the foresaid engineering problem, this study analyses the outdoor wind pressure effect on the ventilation system of the megatall building using CFD numerical simulation and researches the strategy from the aspects of building structure design and control strategy of ventilation fans so as to enhance the stability of the ventilation system. This paper establishes the megatall building wall surface pressure numerical simulation model based on RNGkand Realizablekturbulent model respectively and the contrastive analysis of the simulation results and the wind tunnel test results validates that the RNGkturbulent model is valid for this numerical simulation model. Then the verified simulation model is employed to investigate the building wall pressure distribution for the square megatall building, the polygon megatall building and the nearly- triangular megatall building. The paper proposes a basic wind speed selection and the calculation value of the wall surface pressure for the megatall building ventilation system design. In addition, this paper simulates the static pressure distribution in the specific ventilation chamber and ventilation corridor designed for the megatall building ventilation system to uate its effectiveness for mitigating the influence of outdoor wind pressure. Finally, according to the characteristics of the megatall building ventilation system, this paper puts forward a control strategy of ventilation fans of megatall buildings considering the impact of the outdoor wind pressure, which is validated by a Simulink model. The results indicates that, under the ventilation design condition for the megatall buidling, the hourly average wind speed that is exceed 5 of the whole year hours could be taken as the basic design wind velocity. The wall surface pressure of the megatall building is composed by positive pressure zone, negative pressure zone and transition zone. The wall surface pressure of the positive pressure zone complies with Tongji University Master of Philosophy Abstract III Gaussian distribution, and the pressure with a guaranteed rate of 80 could be used as the design outdoor wind pressure. The wall wind pressure of the negative pressure zone is relatively well-distributed, so the design outdoor wind pressure of this area is assumed to be the average pressure. We suggest that it is better to set the exhaust outlet at the negative pressure zone, the fresh air inlet at the positive pressue zone, and to avoid putting the air vents at the transition zone. The simulation results indicate that the ventilation chamber of the megatall building has no obvious effect on mitigating outdoor wind pressure influence. However, the ventilation corridor would achieve a relatively better effect when the external windows are well-arranged. Considering the outdoor wind pressure effect on the megatall building ventilation system, the fans of intake system and exhaust system should be variable frequency. The selection of the design pressure head of fans should consider both the resistance of ducts and the wind pressure resistance at the air vents. In order to garantee the continuous and efficient operation of the ventilation system different interlock control strategiesfor the intake fan and exhaust fan should be employed under the design outdoor wind pressure condition and the extreme outdoor wind pressure condition, respectively. Key Words megatall building, wall surface wind pressure, CFD simulation, ventilation chamber, ventilation corridor, intake and exhaust fans control 同济大学 硕士学位论文 目录 IV 目目 录录 第 1 章 绪论 .................................................................................................................. 1 1.1 课题背景 .......................................................................................................... 1 1.2 国内外研究现状 .............................................................................................. 3 1.2.1 建筑周围环境数值模拟方法................................................................ 3 1.2.2 高层建筑表面风压分布的研究综述.................................................... 6 1.2.3 自然风压对建筑通风系统影响的研究综述........................................ 7 1.3 课题研究的主要内容 ...................................................................................... 8 第 2 章 数值模拟方法与对比验证 ........................................................................... 11 2.1 计算流体力学数值模拟................................................................................ 11 2.1.1 CFD 数值模拟工作流程 ...................................................................... 11 2.1.2 CFD 控制方程的离散与求解 .............................................................. 12 2.1.3 湍流模型与应用.................................................................................. 13 2.2 自然风特性.................................................................................................... 16 2.2.1 自然风速.............................................................................................. 16 2.2.2 大气边界层内风速特征...................................................................... 18 2.3 超高层建筑表面风压 CFD 数值模拟验证与对比 ...................................... 19 2.3.1 风洞实验模拟概况.............................................................................. 19 2.3.2 风洞对比工况的 CFD 数值模拟模型建立 ........................................ 20 2.3.3 CFD 数值模拟结果与风洞实验结果对比分析 .................................. 22 2.4 本章小结........................................................................................................ 28 第 3 章 通风设计下超高层建筑表面风压分布 ....................................................... 29 3.1 表面风压 CFD 模拟模型的建立 .................................................................. 29 3.2 超高层建筑通风设计下基本风速的选取.................................................... 31 3.3 超高层建筑表面风压分布规律.................................................................... 32 3.3.1 表面风压的平面分布.......................................................................... 33 3.3.2 表面风压的竖向分布.......................................................................... 43 3.3.3 阻挡扰流作用对表面风压分布的影响.............................................. 47 3.4 用于通风设计的超高层建筑表面风压值估计............................................ 50 3.4.1 正压区表面风压设计值...................................................................... 50 3.4.2 负压区表面风压设计值...................................................................... 55 3.4.3 过渡区表面风压设计值...................................................................... 56 3.5 本章小结........................................................................................................ 56 同济大学 硕士学位论文 目录 V 第 4 章 通风小室与通风环廊作用效果分析 ........................................................... 57 4.1 通风小室与通风环廊的模型建立................................................................ 57 4.1.1 设备层通风口的结构设计形式.......................................................... 57 4.1.2 模型建立.............................................................................................. 59 4.1.3 百叶窗口的等效替代模拟方法.......................................................... 60 4.2 通风小室作用效果模拟分析........................................................................ 63 4.2.1 设计工况下通风小室缓解室外风压的效果...................................... 63 4.2.2 通风小室作用效果的影响因素分析.................................................. 66 4.2.3 通风小室对缓解室外风压作用小结.................................................. 69 4.3 通风环廊作用效果模拟分析........................................................................ 70 4.3.1 设计工况下通风环廊缓解室外风压的效果...................................... 70 4.3.2 通风环廊作用效果的影响因素分析.................................................. 72 4.3.3 通风环廊对缓解室外风压作用小结.................................................. 75 4.4 本章小结........................................................................................................ 76 第 5 章 超高层建筑新排风系统的控制策略 ........................................................... 77 5.1 风机选型及控制策略.................................................................................... 77 5.1.1 风机选型.............................................................................................. 77 5.1.2 新排风机联动控制策略...................................................................... 79 5.2 风机联动控制策略的仿真实现.................................................................... 80 5.2.1 MATLAB/Simulink 仿真工具箱简介 ................................................. 80 5.2.2 新排风机联动控制仿真模块的建立.................................................. 81 5.2.3 仿真运行及结果分析.......................................................................... 90 5.3 本章小结........................................................................................................ 92 第 6 章 结论与展望 ................................................................................................... 93 6.1 研究结论........................................................................................................ 93 6.2 展望................................................................................................................ 94 致谢 ............................................................................................................................. 95 参考文献 ..................................................................................................................... 97 个人简历、在读期间发表的学术论文与研究成果 ............................................... 101 第 1 章 绪论 1 第1章 绪论 第1章 绪论 1.1 课题背景 超高层建筑是人类社会经济和技术高速发展的产物， 作为经济发达城市的核 心象征，近年来如雨后春笋般在各地拔地而起。根据世界高层建筑与都市人居学 会（Council on Tall Buildings and Urban Habitat, CTBUH）统计，世界高层建筑平 均高度在 2000 年为 375m，在 2010 年为 439m，预计到 2020 年将达到 598m[1]。 随着建筑高度的不断攀升，超高层建筑的设计不是简单的高度叠加，与普通建筑 相比存在众多独特之处，也面临着其特有的问题。风是影响建筑设计的主要自然 因素之一，自然风风速随高度增加而显著增大，随着建筑高度升高，建筑周围旋 涡气流增大，由此而形成的室外风压最高可达千帕级[2]，其对建筑结构和建筑通 风系统的影响都是超高层建筑设计必须考虑的因素。 建筑通风是借助换气稀释或通风排除等手段， 控制空气污染物的传播与危害， 实现室内外空气环境质量保障的一种建筑环控技术[3]。建筑通风实现形式主要有 自然通风和机械通风两种， 自然通风是利用自然风压和热压作用将室外新风引入 室内，将室内污染空气排除，达到降低室内污染物浓度的效果；机械通风是借风 机和管道等机械设备，依靠机械动力使空气流动，形成房间的通风换气。在机械 通风系统中，风机是促使空气流动的动力来源，依靠动力提升空气的压力用以克 服通风管道的阻力和风口处的阻力。在低层建筑和一般高层建筑中，自然通风和 机械通风都可以简单有效的实现，而在超高层建筑中，考虑到安全和室外复杂的 环境，建筑大多为全封闭式结构，因而自然通风一般无法实现，只能依靠机械通 风实现房间的通风换气。 目前， 超高层建筑普遍采用分区集中式的机械通风系统， 即在竖向高度上，每隔一定建筑层数设置一个设备层，在设备层内设置集中式的 排风机组和新风机组，通过设备层外墙上的风口与室外实现通风换气。设备层中 的新排风机通过竖井风管管道与每层的新排风系统相连， 集中处理该分区内所有 楼层的新风和排风[4,5]。如图 1.1 所示为天津 117 大楼（建筑高度 600m）的设备 层分布图，该超高层建筑共设置 6 个设备层，最高设备层高度为 531m。 在大气边界层内， 自然风的风速和风向存在明显的随机性特征，其对建筑表 面形成明显脉动特征的表面风压。自然风速随高度增加而显著增大，其对建筑表 面的风压作用也随之增强[6]。由于自然风的作用，超高层建筑不同高度、不同位 置处的表面风压分布差异很大。如图 1.1 所示，超高层建筑的设备层分布在不同 同济大学 硕士学位论文 超高层建筑室外风压对通风系统的影响及策略研究 2 高度上，设备层外墙上所承受的风压会有很大的不同，而通风系统的新排风口设 置在设备层的外墙面上， 由此说明超高层建筑通风系统不同位置的通风口所承受 的室外风压阻力有很大的差别，有些风口承受上百帕的正压，而有些风口承受上 百帕的负压。因此，对于超高层建筑的通风系统必须要考虑室外风压的影响，以 合理确定风机的压头，保证通风系统的工作。 设备层1（98m） 设备层2（160m） 设备层3（245m） 设备层4（315m） 设备层5（450m） 设备层6（531m） 图 1.1 天津 117 大楼设备层分布 经过调研及查阅设计资料发现，在目前的高层及超高层建筑设计中，大多未 详细考虑室外自然风压对通风系统进排风口的影响， 在风机设备选型上采取预留 出一定的余量来保证风机的工作的设计方法[5]，该设计方法对进排风系统的运行 可靠性无法提供保障， 而且采用粗略估计方法进行的风机设备选型会造成很大的 运行能耗损失。在某些超高层建筑中，在设备层会借助建筑结构特有的形式采取 一些缓解室外风压影响的设计措施，如天津 117 大楼在设备层设计通风小室，上 海中心在设备层设计通风环廊（详见第 4 章）等，但进行通风系统设计时，也未 对这些结构形式的效果作具体分析， 新排风系统在室外风压影响下能否持续有效 工作仍待检验。 高层和超高层建筑的建筑形态和造型既体现美学特征又遵循技术上的可行 性[7]，经过对目前中国和世界已建的超高层建筑设计资料收集发现，超高层建筑 的平面形状主要存在三种四边形、多边形（类圆形）和类三角形，如图 1.2 所 示。自然风作用下，建筑周围的流场分布及建筑表面的风压分布存在明显的绕流 特征[8]，不同建筑形状的流场分布存在明显差异。为保证问题分析的全面性，本 文在研究中主要针对该三种典型形状的超高层建筑进行分析。 第 1 章 绪论 3 类三角形建筑 （上海中心） 多边形（类圆）建筑 （上海金茂大厦） 四边形建筑 （天津117大楼） 图 1.2 三种典型形状的超高层建筑 基于以上工程设计问题， 本论文将采用模拟计算的方法分析超高层建筑的室 外风压分布对通风系统的影响， 并对已有的新排风的结构设计形式的效果作出评 估，为超高层建筑新排风系统的设计提供建议。同时，提出超高层通风系统的风 机选型及控制策略，以保证通风系统持续有效的工作，供工程设计参考。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 建筑周围环境数值模拟方法 计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）是将实际空间和时间 过程中坐标连续的速度、 压力等物理量的场，采用众多有限个离散的节点上的数 值集合代替， 通过物理理论建立起这些离散节点上变量之间关系的离散方程， 借 助计算机强大的计算能力求解出这些离散方程，得出物理变量的近似解。[9]由于 其建模周期短、效率高、费用低等特点得到了各行业的广泛应用。随着 CFD 模 拟仿真理论的不断完善和技术的日趋成熟， 数值模拟在建筑领域得到了广泛应用， 对建筑表面及建筑周围流场的模拟也有了成熟的应用。 目前对建筑周围环境的数 值模拟的研究主要集中在对湍流模型对流场分布的准确性的影响研究上。 湍流流动是自然界中常见的流动现象。 建筑周围的自然空气的流动及建筑表 同济大学 硕士学位论文 超高层建筑室外风压对通风系统的影响及策略研究 4 面气流的分布都是典型的湍流流动问题，湍流是由各种不同尺度的涡叠加而成， 而且这些涡的的分布都是随机的，在计算流体力学领域，学者研究表明采用 Navier-Stokes 方程对湍流运动进行数值模拟是有效的[10]。 利用瞬时 Navier-Stokes 方程对湍流直接模拟是一种直接有效的方法，称为直接数值模拟（简称 DNS） 。 DNS 方法无需对湍流流动作近似简化，Marzio Piller[11]和 W
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