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CFD 技术在建筑自然通风设计中的应用

来源:bas-qianjia    发布时间:2019-06-05 13:36:49

CFD是 Computational Fluid Dynamics(计算流体力学)的简称。简言之,就是应用计算流体力学理论与方法,利用具有超强数值运算能力的电脑,编制计算机运行程序,数值求解满足不同种类流体的运动及传热传质规律的三大守恒定律及附加的各种模型方程所组成的非线性偏微分方程组,得到确定边界条件下的数值解




CFD 技术的基本原理 ,是通过数值求解的方式 ,控制流体的流动微分方程,从而计算获得流体流动的流场在连续区域上的离散分布,以近似模拟流体流动情况。 建筑师应当利用CFD 风环境模拟 , 认识基地的地形 、 周边环境对风环境的影响,充分研究自然通风的总体布局、建筑形体、围护界面关系,通过定性分析以整合设计方案,获得最佳设计方案。


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总体布局设计


建筑外部环境需要利用 CFD 技术进行优化,改善建筑和基地、周边建筑、主导风向、建筑群体之间的联系,充分利用自然资源,从而获得良好的自然通风条件。 加上弱化局部的不利影响,可创造出舒适、安全的室外风环境。 而通过 CFD 模拟分析,例如冬夏季的主导风向、强度等,或构筑物可能引起的风场变化、特定地形风等因素,可分析是否存在由于地形、周边环境等条件而造成空气滞留、风速过大等问题。




进行总体布局设计时,结合基地风环境分析结果,合理布置建筑物,考虑日照、噪声等因素,综合考虑布局密度、高度、朝向、间距以及组合连接等;同时合理运用道路、绿地、河湖水面等开敞空间设置风道,用以引入夏季主导风。例如,某建筑的设计过程中,根据当地的气象资料,夏季大多为东南风,冬季则为北风,所以夏季设计地面高 10m 处平均风速是 1.8m/s,冬季则设计为为 2.2m/s。 就计算流体力学角度来看,CFD 模拟计算软件对项目周边建筑室外的风环境进行了模拟,模拟结果如图 1 所示。



当夏季起东南风时,项目的西北侧有小山,东北侧有 3 栋建筑,受其中 2 栋的影响, 迎风面来流会处于 1.1~2.1m/s 范围;而背风面风速则低于 0.8m/s;北侧、南侧的风场形态都会呈现近似对称结构,风速处于 2.0~3.0m/s 之间。 项目大部分的区域风速处于 1.0~3.0m/s。 如果是冬季,则项目位于西南侧小山的风影区,迎风面来流为 0.6~1.5m/s; 而背风面风速则在0.8m/s 以下 ; 北侧的风速因为遭受遮挡较小 , 达到 2.1m/s 左右;南侧风速则处于 1.4~1.9m/s 之间。 周围的人行区风速均在5m/s 以下 ,且大部分区域风速达到 1.2~2.5m/s。



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建筑形体设计


利用 CFD 技术, 合理选择建筑形体和设计的内部空间,创造了舒适的室内外风环境。

风压与热压通风,建筑中存在 2种重要的通风方式,对于建筑形体、内部空间设计,应当呼应建筑实际的通风形式。


一般来说,建筑内自然通风并不是纯粹依靠单一模式的,而需要两种通风模式协同作用。 如果室外出现静风状态,或面对大尺度室内空间,则热压通风对于通风问题的解决来说尤为重要。




在建筑形体与平面细化过程中,建筑师的工作重点在于


①满足功能要求的同时控制房间进深;

②统筹考虑立面美学与平面功能,利用形体导风分散体量、架空、开洞等,形成通风道;③必要时,可以采取引入热压通风的方式,建筑师以基本通风原理知识储备为前提,在 CFD 模拟技术的辅助下,即可清除了解各设计项目的具体自然通风影响因素,从而在平立剖面的协同设计中优化建筑自然通风性能(见表 1)。利用 CFD 的模拟,可得到建筑体表风压值,计算房间的表面风压差来预估其风压通风的潜力。在形体导风和架空、开洞的位置,通过 CFD 模拟局部对比优化气流路径,从而有效地利用气流改善通风效果。


热压通风的效果受到通风空间的温度差、高度差以及平面位置的影响,部分 CFD 软件可对模型进行辐射和温度的耦合运算,预估热压通风的效果,为强化建筑热压通风性能提供比较依据。


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围护界面设计


利用 CFD 模拟技术,可利用围护界面开口,结合导风构造优化设计,合理组织室内空气流通路径需要避免气流短路;同时还要合理地利用导风措施,改善室内局部的风环境,尽可能减小室内的静风区面积,缩短空气的龄期,进而提高空气更新的速度。在对室内的风环境进行局部细化推敲时,应当以室内风速是否适宜为依据,取得室内风速、气流分布均匀度之间存在的平衡点。



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建筑师需要重视以下三方面:


①开口位置、大小以及开启方式;

②如果空间通风不佳,需要在局部设置导风板,用以改善气流的分布情况;

③注意遮阳构件可能对通风产生的不利影响。借助 CFD 模拟技术,可确切分析风速值、温度值以及空气龄期,在平面、剖面的分布设计过程中,建筑设计师可以就空间的整体性出发,对门窗的开启、通风构造的方面进行协同设计;据实际需求调整导风板方位,以适应室内的空间风场;模拟对比不同形式遮阳构件下,室内的风速、气流分布均匀度等,结合遮阳、采光等其他性能指标进行综合地评价和优选。




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结 语


CFD 模拟技术在建筑设计中的应用,能够为设计师提供自然通风定量分析和评估, 因而对于绿色建筑通风方案的制定有重要作用。通过 CFD 风环境模拟,可从总体布局、建筑形体、围护界面三个层面着手,进行建筑自然通风方案的优化,从而为绿色建筑风环境设计提供思路。


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