基于CFD模擬的綠色建筑自然通風優(yōu)化設(shè)計初探

刁奕新

（贛州市建筑設(shè)計研究院，江西 贛州 341000）

1 CFD模擬技術(shù)原理

CFD技術(shù)通過專用軟件實施，在建筑自然通風方案設(shè)計中，會向軟件中導(dǎo)入建筑的3D模型，在此基礎(chǔ)上設(shè)置風場信息，軟件運行中會分析建筑各個區(qū)域的風力情況，實現(xiàn)建筑設(shè)計優(yōu)化。

在CFD模擬技術(shù)的應(yīng)用中，風場參數(shù)為最重要的內(nèi)容，尤其是對于空氣流場來說，受環(huán)境溫度的影響的很大，所以在模擬過程中，還需要設(shè)置環(huán)境的溫度參數(shù)。同時建筑通風研究為一項系統(tǒng)性工程，除了需要分析建筑的外部流場條件，還需要研究室內(nèi)環(huán)境的流場變化情況，確保建筑室內(nèi)流場條件的科學(xué)性[1]。

2 CFD模擬的綠色建筑自然通風優(yōu)化設(shè)計方案

2.1 參數(shù)分析過程

CFD模擬技術(shù)中，最基礎(chǔ)也是最重要的工作為確定相關(guān)參數(shù)，需要研究的參數(shù)包括兩個方面。

其一為建筑參數(shù)，建筑參數(shù)首先為外部參數(shù)，即建筑的高度、寬度等，同時還包括建筑的預(yù)設(shè)朝向，通常情況下，我國的建筑預(yù)設(shè)方向為坐北朝南，按照當其的風力條件確定對朝向適當調(diào)整。其次為內(nèi)部參數(shù)，需要分析的參數(shù)包括建筑中的房間、墻體、內(nèi)部布局等內(nèi)容，由于建筑中的多個方面共同構(gòu)成了內(nèi)部布局體系，所以在整個系統(tǒng)研究和分析中，最主要的工作內(nèi)容為分析單房間的空氣流場，確定風速是否在舒適范圍內(nèi)。另外對于建筑的外部空間，也要探究風速條件，防止風速過大造成行人的安全隱患。

其二為風力參數(shù)，要分析舒適度范圍內(nèi)的風速，空氣流程有多個參數(shù)，包括平均風速、靜風區(qū)、強風區(qū)等，其中靜風區(qū)風速小于1m/s，強風區(qū)風速不低于5m/s，這兩個風速區(qū)間為舒適區(qū)，這些參數(shù)為CFD模擬分析的最終指標提供了對比基礎(chǔ)。

2.2 模型建設(shè)/導(dǎo)入過程

模型導(dǎo)入內(nèi)容為建筑的3D模型，應(yīng)用CFD軟件與3D設(shè)計軟件接口完成該項工作。導(dǎo)入的模型有兩種，一種為建筑外部的整體結(jié)構(gòu)，探究建筑外空間的風力情況，另一種為建筑的室內(nèi)結(jié)構(gòu)，分析建筑室內(nèi)通風情況。

模型建設(shè)過程是指，在CFD模擬技術(shù)軟件中，加入各類環(huán)境參數(shù)，包括風速參數(shù)、溫度參數(shù)等，研究人員分析各個區(qū)域的風速色階圖，確定各個區(qū)域的風速情況，對比風速的舒適區(qū)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)風速結(jié)果不在這一范圍內(nèi)時，開展優(yōu)化工作[2]。

2.3 建模仿真過程

2.3.1 建筑集群概況

仿真過程為建筑通風優(yōu)化中的最基礎(chǔ)內(nèi)容，要通過對建筑的全面分析達成優(yōu)化目的。在本文的研究中，以某大區(qū)域建筑群為研究對象，探討建筑外部空間的自然通風情況，該建筑集群由4棟建筑構(gòu)成，其中一棟建筑的俯視圖為圓形，其余三棟建筑為矩形，圓形建筑與相鄰的一棟建筑之間應(yīng)用連廊連接，這兩棟建筑位于當?shù)氐挠L面，順風方向的建筑和背風面建筑之間也設(shè)置連廊。迎風面兩棟建筑之間距離5m，順風面兩棟建筑間距12m，背風面兩棟建筑間距8m，各連廊距離地面高度為4m，并在建筑集群的中心部分設(shè)置綠植區(qū)。

2.3.2 具體建模過程

在建筑設(shè)計階段，已經(jīng)建成了建筑集群的3D模型，并且也繪制了建筑內(nèi)部空間的剖面圖，在這兩個方面的研究與分析中，需要按照當?shù)仫L力條件展開建模工作。當?shù)仫L力較小，平均風速2.5m/s，氣溫較高，夏季平均氣溫18℃，冬季平均溫度低于0℃。

在建模過程中，風力從迎風面建筑流入整個建筑集群，使用CFD軟件按照設(shè)置的參數(shù)完成仿真過程，分析各個區(qū)域的風速變化情況，確定整個建筑集群的優(yōu)化方案。對于建筑中的獨立房間來說，由于背風面的建筑氣流參數(shù)發(fā)生變化，需要按照新的風力參數(shù)探究建筑的房間通風情況。

2.3.3 結(jié)果分析過程

結(jié)果分析過程依托與CFD軟件中產(chǎn)生的風速色階圖，本文設(shè)置的風力參數(shù)為2.5m/s，最終結(jié)果表明，迎風面連廊區(qū)域的風速上升，但是風速衰減情況明顯，在空氣通入連廊區(qū)域時，風速達到2.7m/s，但是在距離連廊1m處，風力下降到1.9m/s，在2m處，風速下降到1.5m/s，到達背風面建筑時，風速下降到1m/s?？梢钥吹皆谡麄€區(qū)域中，風速都處于舒適區(qū)，另外通過模擬發(fā)現(xiàn)，在風穿過連廊時，氣流寬度大于建筑間距，這說明在整個建筑集群中，都屬于通風區(qū)域，并且由于該區(qū)域氣流流速較高，風力大量帶走熱量，所以該區(qū)域的溫度較低。

而在獨立房間通風情況建模仿真分析中，需要確定建筑的布局情況，本文研究建筑中，發(fā)現(xiàn)迎風面的建筑室內(nèi)風速較高，尤其是圓形建筑，一些室內(nèi)風速高于3.2m/s，但是背風面建筑室內(nèi)風速低于1m/s。

2.4 方案優(yōu)化過程

從建模仿真結(jié)果可以看出，發(fā)現(xiàn)建筑外側(cè)的風速整體處于舒適區(qū)，但是室內(nèi)風速差異較大，尤其是背風側(cè)空間，室內(nèi)通風質(zhì)量不佳。本文提出的通風優(yōu)化方案為，加大迎風面圓形建筑室內(nèi)空間的面積，這種方式能夠降低圓形建筑的室內(nèi)風速。而對于背風側(cè)的建筑室內(nèi)通風情況，最主要的影響參數(shù)為建筑外風速，在本文的研究中，發(fā)現(xiàn)建筑集群中間位置的植物栽種區(qū)域大幅降低了穿過連廊的風速，同時順風面的建筑間距過大，所以優(yōu)化措施為降低綠色植物栽種面積，同時縮短建筑間距。

3 結(jié)語

綜上所述，CFD技術(shù)的原理為，在系統(tǒng)中完成建筑3D軟件的構(gòu)建，向軟件中輸入建筑周邊的風場參數(shù)。在建筑通風優(yōu)化工作中，確定風速舒適區(qū)，應(yīng)用生成的風速色階圖分析各個區(qū)域的風速，并開展室內(nèi)通風情況研究工作，通過調(diào)整外部環(huán)境和內(nèi)部面積的方法完成通風優(yōu)化。