【微信講堂】CFD在建筑環(huán)境領(lǐng)域的實踐與研究（綠建之窗微信群15年2月5日綠建之窗第27期講座）

2017-03-09  by:CAE仿真在線  來源:互聯(lián)網(wǎng)

主講人:殷明剛(資深建筑環(huán)境評估工程師)

簡 介:目前在浙江聯(lián)泰建筑節(jié)能科技有限公司就職。主要從事綠色建筑咨詢和建筑節(jié)能評估方向。,精通自然通風(fēng)、自然采光、遮陽設(shè)計等被動式建筑設(shè)計。提倡以建筑性能為導(dǎo)向的設(shè)計,借助計算機模擬技術(shù),為人們的工作、生活、娛樂提供良好的環(huán)境。

導(dǎo)讀:本期【綠建大講堂】由經(jīng)驗豐富的綠色建筑模擬專家殷明剛結(jié)合實際工程案例介紹CFD在建筑環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用。

講座實錄

一、模擬驅(qū)動設(shè)計創(chuàng)造良好的空氣環(huán)境

圖1

圖1為某住宅CFD模擬分析的流線圖,通過該圖可以看出風(fēng)經(jīng)過建筑后發(fā)生的變化,如繞流、渦流等。

1、 CFD的基本介紹和現(xiàn)狀

1.1什么是CFD?

CFD=Computational Fluid Dynamics,中文名字計算流體力學(xué)

? CFD是流體力學(xué)的一個分支

? CFD采用數(shù)值方法和算法求解流體問題

1.2 CFD能做什么?

CFD目前已廣泛應(yīng)用于以下行業(yè):航空航天、汽車制造、能源與環(huán)境、氣象預(yù)測、海洋與船舶、動力機械。圖2所示分別對應(yīng)CFD在以上行業(yè)的應(yīng)用。

圖2

CFD可簡單歸結(jié)為內(nèi)流場和外流場,圖2中飛機、汽車為外流暢,圖2右下角為類似風(fēng)機的內(nèi)流場。

1.3 CFD在建筑環(huán)境領(lǐng)域的層次分析

CFD在建筑的不同階段的應(yīng)用是不同的。

規(guī)劃設(shè)計階段:室外風(fēng)環(huán)境、室外熱環(huán)境、室外污染物擴散

建筑單體或建筑群設(shè)計:室內(nèi)自然通風(fēng)、室內(nèi)溫度分布、室內(nèi)污染度濃度、建筑布局、構(gòu)造的通風(fēng)效果

機電系統(tǒng)設(shè)計:送風(fēng)管道流動分、大空間空調(diào)氣流組織、火災(zāi)場景評估分析(消防應(yīng)用)

1.4 CFD模擬基本流程

圖3

CFD模擬基本流程可分為圖3所示的四個步驟,建模、網(wǎng)格、計算、后處理。應(yīng)用較為普遍的建模軟件有:sketchup、CAD、犀牛等。

1.5建筑環(huán)境中主流CFD軟件的性能對比

圖4

目前,常見的CFD模擬軟件有:Fluent、Airpark、scSTREAM、Star-CCM+。如圖4表中為各軟件功能的部分對比。主要包括各軟件對幾何模型支持的比較,其中網(wǎng)格是影響計算結(jié)果的重要因素。是否支持聯(lián)機計算和多核計算是提高計算效率節(jié)省時間的影響因素。

2、CFD在建筑環(huán)境領(lǐng)域應(yīng)用的思路

圖5

CFD在建筑環(huán)境領(lǐng)域應(yīng)用的基本思路為:設(shè)計后模擬再分析。分析不達預(yù)想目標再重新優(yōu)化設(shè)計,重新模擬直至實現(xiàn)目標要求。結(jié)合工程實際實施思路如圖5中流程圖所示。

提出設(shè)計目標后,應(yīng)結(jié)合建筑所在地的氣候特征、滿足規(guī)劃局要求符合國家地方標準,更要滿足業(yè)主的要求。

方案設(shè)計階段:主要關(guān)心建筑整體布局,建筑整體布局包括:并列式、錯列式和交錯式。建筑單體設(shè)計(建筑單體形體較為多變,包括常規(guī)建筑和特殊參數(shù)化生成的建筑)和建筑朝向設(shè)計。

初步設(shè)計階段:主要關(guān)心建筑室內(nèi)布局,包括窗戶大小和位置、局部構(gòu)造等。

施工圖設(shè)計階段:CFD主要模擬空調(diào)房間的氣流組織和對比不用氣流組織的通風(fēng)效果等。

3、國內(nèi)綠色建筑、生態(tài)節(jié)能形勢下的CFD案例分析與研究

3.1 CFD在建筑環(huán)境中應(yīng)用的相關(guān)標準:

綠色建筑評價標準GB/T50738-2014

各地方的綠色建筑評價標準

各地方的綠色設(shè)計標準

浙江省《民用建筑項目節(jié)能評估導(dǎo)則》(試行):對風(fēng)環(huán)境和熱環(huán)境進行了具體的規(guī)定和指導(dǎo),要求風(fēng)環(huán)境和熱環(huán)境設(shè)置執(zhí)行標準中規(guī)定。

民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范

建筑通風(fēng)效果測試與評價標準

建筑防火設(shè)計規(guī)范

3.2 案例分析

案例一:南宋之心的風(fēng)環(huán)境分析

圖6

圖6為南宋之心項目,項目位于杭州市鳳凰山腳下,項目是由舊卷煙廠廠房所改造的商業(yè)綜合體建筑。CFD在本項目中的應(yīng)用主要解決了室內(nèi)步行街的夏季通風(fēng)問題。

圖7

圖7為模擬出的室內(nèi)步行街通風(fēng)問題的示意圖。圖中可以看出主要的四條通風(fēng)路徑,由于項目位于鳳凰山腳下,因此項目情況較為特殊,在做項目風(fēng)環(huán)境模擬的時候,需要將山體對建筑影響的情況考慮進去。杭州夏季的主導(dǎo)風(fēng)向是西南風(fēng),山體位于建筑的西南側(cè),因此對建筑的影響是不可忽略的。從圖7可以看出,山體已經(jīng)完全改變了西南風(fēng)的風(fēng)向。該項目步行街寬度較寬。存在一些通風(fēng)不暢的問題,經(jīng)過分析給甲方提供了兩個參考方案,如圖8所示。

圖8

改善方案一:在建筑中部設(shè)置安全通道,可以采用平開門或旋轉(zhuǎn)門的構(gòu)造

改善方案二:東南側(cè)較狹長的建筑可設(shè)置一個架空層,可引導(dǎo)風(fēng)從此位置進入步行街,改善步行街通風(fēng)不暢問題,還可在發(fā)生緊急狀況時起到疏散作用。

案例二:某住宅小區(qū)室外熱環(huán)境分析

圖9

熱島分析/熱環(huán)境分析在2006版的綠建標準中有明確的要求,但在2014版的綠標中取消了對熱島/熱環(huán)境模擬的具體要求。分析取消的原因是由于模擬中存在許多不確定的因素,2014版綠標更側(cè)重將模擬問題實質(zhì)化,如增加架空層,增加綠地面積,改變建筑材料等。

圖10

圖10為根據(jù)06版綠建標準典型日不同時刻的熱環(huán)境模擬,得出典型日不同時間熱環(huán)境的平均值。選擇夏至日6月21日模擬時間9點、12點、15點,可以看出不同時刻建筑表面、道路、水體、綠化的溫度都會發(fā)生相應(yīng)的變化。根據(jù)常識可以判斷9點溫度較低,12點溫度適中,下午由于西曬情況,建筑表面溫度是三個時刻中最高的。該項目模擬驗證了在建筑底層設(shè)置架空層、增加綠地面積、選擇反射率低的材料的效果。(關(guān)于建筑表面材料和道路材料的反射率可以參照《建筑采光設(shè)計標準》GB 50033-2013的附錄D)

案例三:建筑平面布局通風(fēng)效果改善

圖11

圖12

該項目為住宅項目。如圖12所示為對圖11中原設(shè)計方案進行模擬后得到的優(yōu)化方案。圖11中藍圈區(qū)域為廚房位置,可以看出廚房位置在沒有設(shè)置外窗的情況下,通風(fēng)是不暢的,該戶型的主要通風(fēng)路徑主要有如圖11所示三條,三條路徑都不經(jīng)過廚房。優(yōu)化方案:在廚房設(shè)置外窗,1.5米高度左右,解決做飯過程中通風(fēng)問題。在廚房設(shè)置外窗后整個建筑的通風(fēng)路徑發(fā)生了一些變化,設(shè)計師根據(jù)常規(guī)經(jīng)驗是無法評估這些變化的。這個時候就需要借助CFD技術(shù)通過模擬分析將通風(fēng)狀況的變化可視化。

案例四:建筑構(gòu)造對通風(fēng)改善的模擬——南京某展覽館的捕風(fēng)設(shè)計研究

圖13

如圖13所示,該建筑的主要通風(fēng)為位于建筑底側(cè)的外窗和位于屋頂捕風(fēng)窗。該建筑是全幕墻設(shè)計,僅對開窗面積進行模擬。

圖14

圖14上兩圖反映了底側(cè)窗通風(fēng)效果,左上角圖為0.8米高度的風(fēng)速云圖,右上角為1.5米高處的風(fēng)速云圖。側(cè)窗的窗臺高0.6米,窗臺高0.6米,因此0.8米處通風(fēng)效果較好,在人行高度1.5米通風(fēng)效果反而不好。怎樣改善低側(cè)窗通風(fēng)不暢問題?建議在屋頂設(shè)置捕風(fēng)窗。

圖15

圖15為增加捕風(fēng)窗后建筑內(nèi)部流場圖,風(fēng)通過捕風(fēng)窗進入建筑后形成一個環(huán)路,帶動室內(nèi)空氣循環(huán)。結(jié)合本項目的底側(cè)窗可以形成一個下進上出的氣流組織。

圖16

圖16為圖15局部放大效果,可以看出,左側(cè)的房間和右側(cè)房間通風(fēng)窗所帶來的效果是不一致的。圖16左房間,風(fēng)為下進上出(底側(cè)窗進風(fēng),捕風(fēng)窗排風(fēng)),圖16右為底側(cè)窗和捕風(fēng)窗共同作用的效果,可以將更多風(fēng)引入室內(nèi),改善室內(nèi)通風(fēng)不暢問題。

案例五:外遮陽對自然通風(fēng)的影響研究

圖17

圖17為未設(shè)置外遮陽的情況下建筑自然通風(fēng)的效果圖。分別反映的是風(fēng)速的分布(左上)、建筑室內(nèi)空氣齡變化(右上)、通風(fēng)流動方向路徑(左下)、左下圖的局部放大效果(右下)該項目所在地的主導(dǎo)風(fēng)向是南偏東22.5度,可以看出在西南角辦公室會形成明顯渦流。

圖18

圖18為增加了外遮陽后自然通風(fēng)的效果。依次對應(yīng)圖17?？梢钥闯鲈黾油庹陉柡?大部分房間的風(fēng)速有所提高,空氣齡縮短(加快了空氣更新?lián)Q氣速度),最后兩圖可以看出西南方向兩個房間的渦流現(xiàn)象明顯有所減輕。

案例六:VRF室外機散熱分析:

分析目的:

(1)分析室外機散熱對周邊環(huán)境的潛在威脅:位于底層的室外機容易對周邊的環(huán)境造成明顯的影響:對過往行人形成熱污染、影響周邊植物生長(植物還會影響室外機散熱)

(2)分析室外機散熱對其本身性能的影響

(3)在不影響其性能下,如何使室外機和建筑立面效果結(jié)合起來(通風(fēng)百葉的孔隙率)。

圖19

圖19為室外機散熱的簡單模擬示意圖,本次分析主要針對1-5層的室外機散熱。從圖中可以看出,該項目的室外機外側(cè)設(shè)置了遮陽通風(fēng)百葉。

圖20

圖20為分析效果圖,左上為室外機散熱的溫度分布情況,右上為不同樓層室外機散熱吹吸氣流情況,通過模擬可以看出底層的室外機吹出風(fēng)會不會被上層的室外機吸入。下圖為對室外機散熱探索性研究,室外機散熱42度(根據(jù)制冷量、散熱度、吹風(fēng)面積計算得出)降低至夏季室外通風(fēng)溫度(如杭州32.7度)所需的距離和范圍。右上為流線圖,流線圖可以比溫度圖或速度分布圖更直觀的反映建筑氣流變化。通過此圖可明顯看出底層吹出的熱風(fēng)沒有被上層室外機的回風(fēng)吸入,如果吸入會影響室外機的散熱和能效情況,如果能效降低的比較多會造成用電量的增加。我國住宅面積龐大,使用時間較長且較為集中,如果室外機散熱不暢,會造成很大的電量浪費,加重國家電網(wǎng)負擔。

案例七:某萬達放映廳氣流組織分析

圖21

該項目采用上送上回的氣流組織。重點分析對象為位于中間位置的人員熱舒適度。

圖22

圖22上為影院中間位置的溫度分布,該項目設(shè)置的送風(fēng)溫度為18度,該放映廳共有11排位置,圖中標注了不同位置的溫度變化情況,基本趨勢是第一排溫度偏低,隨后逐排有所升高。但是總體的溫度分布范圍為20-22度,環(huán)境溫度較為舒適。圖22下為中間位置熱舒適性指標PMV的示意,PMV為評價熱舒適性的重要指標,是丹麥Fanger教授根據(jù)長期的調(diào)查和實驗結(jié)果得出的熱舒適方程,其數(shù)值范圍為-3-+3,以熱中性為基準,即PMV為0,則大部分人處于不冷不熱的狀態(tài)。國際或國內(nèi)的暖通設(shè)計標準建議PMV范圍-1-1區(qū)間。通過模擬可以看出不同位置的PMV變化。

圖23

圖23為中間位置送風(fēng)氣流可行性分析,整個風(fēng)場的速度在0-0.4m/s。圖中顯示左右兩側(cè)各有一個明顯的渦流,是項目空調(diào)氣流組織設(shè)計的明顯體現(xiàn),項目氣流組織上送上回,氣流從上往下吹,經(jīng)過觀眾區(qū)再返回吊頂回風(fēng)?？梢钥闯鲈谇?0排的風(fēng)速可及性較高,在最后排可能會形成漩渦,造成不舒適。

4、小結(jié)與思考

4.1小結(jié)

CFD在建筑環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用目前還是初級階段。相信未來會更多的融入建筑環(huán)境領(lǐng)域的設(shè)計

和改造過程中CFD在建筑環(huán)境領(lǐng)域,還有很多問題亟待解決,常見問題是模擬方法和邊界設(shè)計問題。希望各位同行多多交流,共同提高行業(yè)應(yīng)用水平。

4.2思考

CFD在建筑環(huán)境領(lǐng)域的未來發(fā)展方向:

? CFD的應(yīng)用方法需要一個統(tǒng)一的指南

? CFD與BIM技術(shù)的結(jié)合:目前在CFD和BIM的結(jié)合上已經(jīng)有軟件有所發(fā)展。Stream軟件在revit中有插件,可以將Revit模型直接轉(zhuǎn)換至Stream中,Autodesk的一款CFD軟件,官方介紹可以和Revit模型無縫相融。

4.3圖書推薦

此書為日本教授村上周三所著,是CFD模擬的啟蒙圖書。原著為2000年在日本出版,中文版由中國建筑科學(xué)研究院組織翻譯。盡管原著是日本2000左右,但書中很多技術(shù)在我國還是沒有得以應(yīng)用的,可見日本的CFD模擬技術(shù)是遠遠超前于我國的。Stream軟件是日本CFD軟件市場份額占據(jù)最大的軟件,功能強大。這個軟件功能強大,集成了日本CFD學(xué)者多年的研究成果。

Q:第一個項目山體如何建模?

A:用sketchup根據(jù)等高線建模

Q:室內(nèi)自然通風(fēng)加重力后能否收斂?

A:增加重力后自然通風(fēng)依然可以收斂,重力對自然通風(fēng)的影響較小。如果模擬熱壓通風(fēng),重力是重要的影響因素。

Q:案例的模擬都是使用什么軟件做的?

A:除了第二個熱環(huán)境是用Fluent做的,電影院的案例是用Airpark做的,其他的都是使用Star-CCM+做的。

Q:電影院進風(fēng)口設(shè)置在座椅上空,出風(fēng)口設(shè)置在電影熒幕無人區(qū)這樣的氣流組織會不會好一些?

A:會的。電影院、體育場最好的氣流組織就是座椅送風(fēng),下送上回。

Q:樹木對場地自然通風(fēng)的影響在模擬的時候怎么處理,是必須建立樹木模型嗎?

A:因為缺少相關(guān)標準規(guī)范,造成不同項目的處理方式有所不同,有些項目加了樹木,有些項目沒有加樹木模擬。

Q:室外風(fēng)速的設(shè)置是固定值還是梯度變化值?

A:必須設(shè)置梯度風(fēng)。風(fēng)速隨高度的變化直線增長。

Q:遮陽對自然通風(fēng)的影響案例中,遮陽是怎么設(shè)置的?

A:案例五項目設(shè)置的是活動外遮陽,模擬選取的90度位置。如果要全面分析活動外遮陽對室內(nèi)通風(fēng)的影響需要做不同的幾個典型角度。該項目將外遮陽設(shè)置為建筑表面的凸起。

Q:室外風(fēng)環(huán)境不滿足綠標中要求,施工圖階段如何調(diào)整?

A:第一個原因:項目所在地風(fēng)速較大,如大連、溫州、臺州等。第二個原因:建筑本身設(shè)置因素或建模過程中沒有考慮周邊建筑影響。重點檢查哪些位置風(fēng)速超標,分析風(fēng)速超標原因。可以種樹減小風(fēng)速。

Q:建模中可以設(shè)置擋風(fēng)墻嗎?

A:可以設(shè)置。在施工過程中用的鐵皮圍護也可以進行評估,借助與CFD手段來評估施工過程中的通風(fēng)情況和粉塵擴散情況等。

Q:風(fēng)速較大的位置,種喬木能解決問題嗎?

A:種喬木的改善效果沒有種一排灌木明顯。

Q:CFD軟件怎么選?根據(jù)個人喜好嗎?

A:首先說一下,本次講座提到5款軟件,都是經(jīng)過驗證的,可靠性很高。第二,選擇軟件應(yīng)根據(jù)專業(yè)背景和學(xué)習(xí)能力。如果要做精細化的分析,如捕風(fēng)窗、外遮陽、室外機等,就需要較為精細的軟件,學(xué)習(xí)起來難度較大。詳見圖4中對比表。

Q:Ecotect怎么樣?

A:Ecotect是英國的建筑設(shè)計師開發(fā)的,定位是輔助建筑師做設(shè)計,功能齊全但是每一項功能都不是很強。Ecotect可重點應(yīng)用在日照、這樣、采光和輻射。

Q:Star-CCM+對模型要求高嗎?

A:Star-CCM+對模型要求較高,要求閉合,這也是該軟件計算精度高的原因。Fluent也是要求模型閉合的,CFD模擬一般都需要在閉合的計算域,才能生成計算結(jié)果。Stream、Phoenics可以直接導(dǎo)入建筑模型,在計算過程中對建筑模型進行一些處理。

Q:室外邊界條件怎么選?

A:梯度風(fēng)。這個梯度風(fēng) Airpak、Phoenics、 Stream都有內(nèi)置的模塊。如果無內(nèi)置模塊,可根據(jù)標準的公式自定義函數(shù)。

Fluent和Star-CCM+需要自定義函數(shù)才能實現(xiàn)梯度風(fēng)。

Q:一般做幾個計算?

A:夏季、冬季、過渡季 三個,然后加上三個大風(fēng)工況,共6個。香港的AVA是做16個風(fēng)向。

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