基于CFD模拟的绿色建筑自然通风优化设计初探

2019-11-28刁奕新

建材发展导向 2019年3期

刁奕新

（赣州市建筑设计研究院，江西赣州 341000）

1 CFD模拟技术原理

CFD技术通过专用软件实施，在建筑自然通风方案设计中，会向软件中导入建筑的3D模型，在此基础上设置风场信息，软件运行中会分析建筑各个区域的风力情况，实现建筑设计优化。

在CFD模拟技术的应用中，风场参数为最重要的内容，尤其是对于空气流场来说，受环境温度的影响的很大，所以在模拟过程中，还需要设置环境的温度参数。同时建筑通风研究为一项系统性工程，除了需要分析建筑的外部流场条件，还需要研究室内环境的流场变化情况，确保建筑室内流场条件的科学性[1]。

2 CFD模拟的绿色建筑自然通风优化设计方案

2.1 参数分析过程

CFD模拟技术中，最基础也是最重要的工作为确定相关参数，需要研究的参数包括两个方面。

其一为建筑参数，建筑参数首先为外部参数，即建筑的高度、宽度等，同时还包括建筑的预设朝向，通常情况下，我国的建筑预设方向为坐北朝南，按照当其的风力条件确定对朝向适当调整。其次为内部参数，需要分析的参数包括建筑中的房间、墙体、内部布局等内容，由于建筑中的多个方面共同构成了内部布局体系，所以在整个系统研究和分析中，最主要的工作内容为分析单房间的空气流场，确定风速是否在舒适范围内。另外对于建筑的外部空间，也要探究风速条件，防止风速过大造成行人的安全隐患。

其二为风力参数，要分析舒适度范围内的风速，空气流程有多个参数，包括平均风速、静风区、强风区等，其中静风区风速小于1m/s，强风区风速不低于5m/s，这两个风速区间为舒适区，这些参数为CFD模拟分析的最终指标提供了对比基础。

2.2 模型建设/导入过程

模型导入内容为建筑的3D模型，应用CFD软件与3D设计软件接口完成该项工作。导入的模型有两种，一种为建筑外部的整体结构，探究建筑外空间的风力情况，另一种为建筑的室内结构，分析建筑室内通风情况。

模型建设过程是指，在CFD模拟技术软件中，加入各类环境参数，包括风速参数、温度参数等，研究人员分析各个区域的风速色阶图，确定各个区域的风速情况，对比风速的舒适区数据，发现风速结果不在这一范围内时，开展优化工作[2]。

2.3 建模仿真过程

2.3.1 建筑集群概况

仿真过程为建筑通风优化中的最基础内容，要通过对建筑的全面分析达成优化目的。在本文的研究中，以某大区域建筑群为研究对象，探讨建筑外部空间的自然通风情况，该建筑集群由4栋建筑构成，其中一栋建筑的俯视图为圆形，其余三栋建筑为矩形，圆形建筑与相邻的一栋建筑之间应用连廊连接，这两栋建筑位于当地的迎风面，顺风方向的建筑和背风面建筑之间也设置连廊。迎风面两栋建筑之间距离5m，顺风面两栋建筑间距12m，背风面两栋建筑间距8m，各连廊距离地面高度为4m，并在建筑集群的中心部分设置绿植区。

2.3.2 具体建模过程

在建筑设计阶段，已经建成了建筑集群的3D模型，并且也绘制了建筑内部空间的剖面图，在这两个方面的研究与分析中，需要按照当地风力条件展开建模工作。当地风力较小，平均风速2.5m/s，气温较高，夏季平均气温18℃，冬季平均温度低于0℃。

在建模过程中，风力从迎风面建筑流入整个建筑集群，使用CFD软件按照设置的参数完成仿真过程，分析各个区域的风速变化情况，确定整个建筑集群的优化方案。对于建筑中的独立房间来说，由于背风面的建筑气流参数发生变化，需要按照新的风力参数探究建筑的房间通风情况。

2.3.3 结果分析过程

结果分析过程依托与CFD软件中产生的风速色阶图，本文设置的风力参数为2.5m/s，最终结果表明，迎风面连廊区域的风速上升，但是风速衰减情况明显，在空气通入连廊区域时，风速达到2.7m/s，但是在距离连廊1m处，风力下降到1.9m/s，在2m处，风速下降到1.5m/s，到达背风面建筑时，风速下降到1m/s。可以看到在整个区域中，风速都处于舒适区，另外通过模拟发现，在风穿过连廊时，气流宽度大于建筑间距，这说明在整个建筑集群中，都属于通风区域，并且由于该区域气流流速较高，风力大量带走热量，所以该区域的温度较低。

而在独立房间通风情况建模仿真分析中，需要确定建筑的布局情况，本文研究建筑中，发现迎风面的建筑室内风速较高，尤其是圆形建筑，一些室内风速高于3.2m/s，但是背风面建筑室内风速低于1m/s。

2.4 方案优化过程

从建模仿真结果可以看出，发现建筑外侧的风速整体处于舒适区，但是室内风速差异较大，尤其是背风侧空间，室内通风质量不佳。本文提出的通风优化方案为，加大迎风面圆形建筑室内空间的面积，这种方式能够降低圆形建筑的室内风速。而对于背风侧的建筑室内通风情况，最主要的影响参数为建筑外风速，在本文的研究中，发现建筑集群中间位置的植物栽种区域大幅降低了穿过连廊的风速，同时顺风面的建筑间距过大，所以优化措施为降低绿色植物栽种面积，同时缩短建筑间距。