绿色建筑自然通风设计中CFD技术的应用

摘要：建筑自然通风条件下的室内外空气流动及其对热舒适性的影响是绿色建筑设计的重要因素。基于CFD技术，定量的模拟分析自然通风热舒适性已成为绿色建筑设计中不可或缺的重要环节。本文探讨了CFD技术的基本方法和在建筑自然通风设计中的应用领域，为建筑自然通风设计模拟研究提供理论基础。

关键词： 绿色建筑；CFD；自然通风

中图分类号：TU2文献标识码： A

1概述

建筑活动是人类对自然资源、环境影响最大的活动之一。我国正处于经济快速发展阶段，资源消耗总量逐年迅速增长。因此，绿色建筑已成为是建筑设计发展的方向。绿色建筑设计强调全过程控制，各专业在项目的每个阶段都应参与讨论、设计与研究，绿色建筑以充分地利用自然资源、减少建筑能耗为特征，采用绿色技术与环境友好的技术设备。自然通风作为健康、舒适、节能的室内环境调节方式是绿色建筑不可或缺的一项。

长期以来，建筑设计中有关自然通风设计普遍采用的方法是基于定性分析的常规静态设计，即以城市的主导风向和风速为主要设计依据，采用简单流量平衡，估计建筑物内部空间在主导风向和风速下的静态空气流向和流量，从而定性地给出采用自然通风时的估计结果。而绿色建筑设计强调以定量化分析与评估为前提，提倡在规划设计阶段进行包括自然通风在内的多种技术策略的定量化分析与评估。CFD技术，即计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，简称CFD），是通过计算机数值计算和图形显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析。目前，CFD计算模拟已成为绿色建筑自然通风设计定量分析的重要手段，能为建筑物的平面布局、空间组织、剖面设计和门窗设置等提供理论上的依据。

2CFD方法简介

计算流体动力学是20世纪60年代起伴随计算科学与工程（Computational Science and Engineering, 简称CSE）迅速崛起的一门学科分支，经过半个世纪的迅猛发展，这门学科已经是相当的成熟了，一个重要的标志就是近十几年来，各种CFD通用软件的陆续出现，成为商品化软件，服务于传统的流体力学和流体工程领域。由于CFD通用软件的性能日益完善，应用的范围也不断的扩大，现在我们利用它来模拟计算建筑自然通风状况，也算是在较新的领域中应用。

目前国际上可以用于通风模拟的CFD软件有很多，最典型并且公认精确、可靠的CFD软件大致有 PHOENICS、FLUENT、AIRPAK等。

PHOENICS是世界上第一套计算流体动力学与传热学的商用软件，除了通用CFD软件应该拥有的功能外，PHOENICS软件还最大限度地向用户开发了程序，用户可以根据需要添加用户程序、用户模型，可以读入几乎任何CAD软件的图形文件。PHOENICS可以定义物体的运动，克服了使用相对运动方法的局限性，提供了多种湍流模型、多项流模型、多流体模型、燃烧模型、辐射模型等。同时，PHOENICS提供了若干专用模块，用于特定领域的分析计算。如FLAIR可用于小区规划设计及高大空间建筑设计模拟。

FLUENT软件是当今世界CFD仿真领域最为全面的软件包之一，具有广泛的物理模型，以及能够快速准确的得到CFD分析结果。FLUENT软件拥有模拟流动，湍流，热传递和反应等广泛物理现象的能力，在工业上的应用包括从流过飞机机翼的气流到炉膛内的燃烧，从鼓泡塔到钻井平台，从血液流动到半导体生产，以及从无尘室设计到污水处理装置等等。软件中的专用模型可以用于开展缸内燃烧，空气声学，涡轮机械和多相流系统的模拟工作。

Airpak是面向工程师、建筑师和室内设计师的专业领域工程师的专业人工环境系统分析软件，特别是HVAC领域。它可以精确地模拟所研究对象内的空气流动、传热和污染等物理现象，它可以准确地模拟通风系统的空气流动、空气品质、传热、污染和舒适度等问题，并依照ISO 7730标准提供舒适度、PMV、PPD等衡量室内空气质量（IAQ）的技术指标。从而减少设计成本，降低设计风险，缩短设计周期。Airpak是目前国际上比较流行的商用CFD 软件。

目前，国内外的CFD技术发展较快，在建筑通风的应用研究方面，主要可分为以下五个方面：

（1）自然通风的数值模拟：主要借助大涡模拟工具研究自然通风问题；

（2）置换通风的数值模拟：如地板置换通风、座椅送风等；

（3）高大空间的数值模拟：以体育场馆为主的高大空间的气流组织设计及其与空调负荷计算的关系研究；

（4）洁净室的数值模拟：对型式比较固定的洁净室空调气流组织形式进行数值模拟，指导工程设计；

（5）有害物散发的数值模拟：借助CFD研究室内有机散发污染物在室内的分布，研究室内IAQ问题；大气环境污染模拟。

3CFD在建筑通风设计中的应用

CFD在绿色建筑通风设计中的应用主要有两个方面：建筑室外风环境的模拟分析和建筑室内通风的模拟分析。

3.1建筑室外风环境的模拟分析

建筑室外风环境对在建筑区域内活动的人群有着重要的影响，所谓的建筑小区二次风、小区热环境等问题日益受到人们的关注。

室外风环境还涉及建筑节能，建筑室外风环境不良，在夏季可能阻碍室内外自然通风的顺畅进行，增加空调的负荷；在冬季又可能会增加维护结构的渗透风而提高采暖能耗。因此，设计良好风环境品质的建筑能有效地降低建筑能耗。

在《绿色建筑评价标准》GB/T50378-2006中明确规定，建筑物周围人行区风速低于5m/s，不影响室外活动的舒适性和建筑通风，严寒、寒冷地区冬季保证除迎风面之外的建筑物前后压差不大于5Pa，夏季、过渡季建筑前后压差大于1.5Pa。

采用CFD技术可以方便地对建筑室外风环境进行模拟分析，定量地评价建筑通风效果，从而设计出合理的建筑单体和建筑群布局。

图1 室外风速分布图2建筑外表面风压分布

3.2建筑室内通风的模拟分析

室内空气品质的优劣，直接影响室内人员的身体健康和舒适度，充分合理的利用自然通风，既能满足室内人员对空气品质的需求，同时还能减少对空调通风设备的依赖，从而大大的降低建筑运行能耗。

在《绿色建筑评价标准》GB/T50378-2006中明确规定，各户型在夏季和过渡季形成有效的贯穿式自然通风，主要居住空间不处于通风死角区域。

采用CFD技术可以对建筑户型和房间进行自然通风和热舒适性模拟，通过改进建筑外窗的位置、大小、室内空间分隔等，保证住户在室外气象条件满足自然通风的时间段能够利用自然通风来满足室内的热舒适性要求，以达到节约能源和提高人体舒适性的目的。

图3 室内风速分布

4结论

自然通风作为被动式通风降温方法，即有利于改善建筑室内外空气质量，又有助于减少建筑能耗，因而受到高度重视。研究自然通风条件下的室内空气流动以及对热环境影响的规律，是保证科学设计室内环境的重要条件。通过运用CFD技术，能够定量的分析评价建筑自然通风设计效果的优劣。随着流体计算模型的完善和计算速度的提高，数值模拟方法将会成为建筑室内外气流模拟、室内空气品质及舒适评价的有效工具。

参考文献：

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