徐越群 刘 佳 马艳芳

（石家庄铁路职业技术学院 河北石家庄 050041）

CFD技术在建筑节能中的应用

徐越群 刘 佳 马艳芳

（石家庄铁路职业技术学院 河北石家庄 050041）

介绍我国建筑能耗所存在在的问题，CFD的基本原理和求解过程，CFD的应用现状及我国在应用中存在的问题，对建筑环境进行分析。

CFD 建筑节能 应用

近年来，我国建筑规模迅速扩大，本世纪的头 20 年内，建筑业仍将迅速发展。预计到 2020 年底，全国房屋建筑面积将达到 686 亿平方米，其中城市为 261 亿平方米[1]。如此巨大的建筑规模，在世界范围是空前的。建筑的每个环节，从建筑施工、建材生产、建筑日常运转到建筑的拆除等都需要消耗数量巨大的能源。而这其中比重最大的是建筑日常运转能耗，即空调、采暖、照明、电器、热水等用能，约占到了总能耗的 80%。随着建筑业的高速发展和人民生活质量的改善，建筑耗能占全社会总能耗的比例还将增大。因此许多国家都把建筑节能尤其是降低建筑日常运转耗能作为节能工作的重点[2]。

1 CFD基本原理

CFD即计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，简称CFD）是一门通过数值计算方法求解流体控制方程组进而预测流体的流动、传热和化学反应等相关物理现象的学科。常用的方法有有限差分法、有限元法和有限体积法。进行CFD分析的基本思路如下：将原本在时间与空间上连续的物理场如速度场或压力场等，离散成有限的变量集合，并根据流体力学的基本假定，建立起控制方程，通过求解这些流体力学的控制方程，获得这些变量的近似值。

2 CFD的求解过程

2.1 确定边界条件与初始条件

初始条件和边界条件是控制方程有确定解的前提。初始条件是所研究对象在过程开始时刻各个求解变量的空间分布情况。对于瞬态问题必须给定初始条件，对于稳态问题不需要初始条件。

2.2 划分计算网格

网格分结构网格和非结构网格。简单说，结构网格在空间上比较规范，如对一个四边形区域，结构网格多是成行成列分布的，而非结构网格在空间分布上没有明显的行线和列线。

2.3 建立离散方程并求解

离散方程常用的方法有：有限容积法、有限差分法和有限元法等。选择合适的方法，对求解区域进行离散。

3 建筑环境分析

3.1 建筑周边环境分析

建筑周边环境对居民日常生活起着举足轻重的作用。对居民小区的风环境和热环境进行预测，是CFD分析的又一重要应用领域。采用CFD方法，在建筑设计阶段即可对建筑周边环境进行分析和优化，对规划设计的效果进行验证，使建筑通风和自然采光达到最佳效果，是小区居民生活品质的重要保障。

3.2 室内环境状况分析

采用试验方法分析室内环境状况，需要耗费大量的时间与经费，而采用CFD方法进行分析不仅可以节省时间，同时也能精确预测利房间内的风速、温湿度、污染物分布等指标，计算出通风效率、毒害物扩散效率和热舒适等，进而对室内环境状态做出一个合理的评估。

4 CFD技术应用现状

4.1 建筑外环境分析设计

建筑外环境对建筑内部居者的生活有着重要的影响，所谓的建筑小区一次风、小区热环境等问题日益受到人们的关注[3]。采用 CFD 可以方便地对建筑外环境进行模拟分析，从而设计出合理的建筑风环境。而且通过模拟建筑外环境的风流动情况，还可进一步指导建筑内的自然通风设计等。

4.2 建筑设备性能的研究改进

暖通空调中的许多设备，如风机、蓄冰槽、空调器等，都是通过流体工质的流动而工作的，流动情况对设备性能有着重要的影响。通过 CFD 模拟计算设备内部的流体流动情况，可以研究设备性能，从而改进其更好地工作，降建筑能耗，节省运行费用。

4.3 CFD技术在室内环境中的应用

借助 CFD 技术对室内设计方案的模拟，可以主观的表现出室内通风设计的温度场、速度场的变化，借助模拟结果的反馈，可更好的对室内通风设计方案进行改进。CFD 的应用改变了传统的设计过程，人们不必对描述洁净室气流状态的控制方程进行过多的简化，而借助于计算机通过运用 CFD 方法来得到的洁净环境状况的细节。它可以进行洁净室内空气流动状态的模拟与预测，是一种相对完善的确定性数值方法。由于 CFD 的应用可以相对准确地给出流体流动的细节，如速度场、压力场、温度场或颗粒浓度场，因而可很容易地从对流场的分析中发现工程设计中的问题，并更容易得到某些规律性的知识。这样，工程的设计与优化很少依赖经验或试验，试验的目的变为验证工程设计过程的合理性。方案的筛选是以科学性的分析为基础，当方案设计在整个设计中占的比例变得相当重要后，设计的成功变得更有保证，而且它将传统设计的大循环过程转变为方案设计带有预测性质的校验循环，当设计依据基本达到设计要求时再转入通常的详细设计，大大减少了设计过程的中间环节[4]。

4.4 我国CFD应用存在的问题

我国研究机构很早就开始CFD模拟技术的应用研究，研究的范围从以室内空气分布以及建筑物内烟气流动规律的模拟为主，逐渐扩展到室外及建筑小区绕流乃至大气扩散问题，并已形成一些可以解决实际问题的软件。所以，从总体上看，我国暖通行业中开展CFD方面研究尚有大量工作要做，主要表现在以下几个方面：

（1）还要建立在考虑辐射条件下计算室内空气的温度分布、壁面和空气的换热、壁面的温度分布的多种模型。

（2）将已有的CFD模拟技术方法进行简化，能够在微机上较准确地计算包括高大空间气流组织在内的各种通风空调热环境问题。

（3）考虑实际空调管道连接带来的风口出流特性变化，从而使室内空气流动模拟更加准确等。

（4）CFD技术在CAE工程中已表现出巨大的优势，如果将与CAD及CAM乃至AI技术有效地结合在一起，将显示其强大的生命力。

5 结语

减少不必要的建筑耗能，大力推进建筑节能已成为建筑行业最重要的任务。将CFD技术应用到常规建筑节能设计中，会对建筑的合理设计起到更有利作用，进而创造出宜居的、和谐的、生态性优异的建筑环境。

[1]郎四维,林海燕.建筑节能是关乎我国国民经济可持续发展的重大战略性举措.建设部办公厅《工作调研与信息》[R],2003, (15)

[2]尹洁.从节能视角看单元式住宅的户型设计[D].天津:天津大学,2007

[3]王昭俊,赵加宁,刘京.室内空气环境[M].北京:化学工业出版社.2006.176-179

[4]张海文.既有建筑节能改造模式探讨[J].建筑节能,2006, (7):98-99

The Application of CFD Technology in Building Energy Efficiency

XU Yue-qun LIU Jia Ma Yan-fang
(Shijiazhuang Institute of Railway Technology Shijiazhuang Hebei 050041 China)

This paper introduces the existing problems in the building energy consumption in our country, the basic principle of CFD and the solving process, the present situation of the application of CFD and the problems existing in the application in our country. It also analyses the architectural environment.

CFD building energy efficiency application

中国分类号：TK01A

1673-1816(2016)02-0095-03

2015-11-09

徐越群（1978-），男，河北廊坊人，硕士，讲师，研究方向水处理理论与技术。