经典回放-CFD在建筑环境领域的实践与研究

2017-01-12 by:CAE仿真在线来源:互联网

一、模拟驱动设计,创造良好的空气环境

图1

图1某住宅CFD模拟分析的流线图,通过该图可以看出风经过建筑后发生的变化,如绕流、涡流等。

1、 CFD的基本介绍和现状

1.1什么是CFD?

CFD=Computational Fluid Dynamics,中文名字计算流体力学

• CFD是流体力学的一个分支

• CFD采用数值方法和算法求解流体问题

1.2 CFD能做什么?

CFD目前已广泛应用于以下行业:航空航天、汽车制造、能源与环境、气象预测、海洋与船舶、动力机械。图2所示分别对应CFD在以上行业的应用。

图2

CFD可简单归结为内流场和外流场,图2中飞机、汽车为外流畅,图2右下角为类似风机的内流场。

1.3 CFD在建筑环境领域的层次分析

CFD在建筑的不同阶段的应用是不同的。

规划设计阶段:室外风环境、室外热环境、室外污染物扩散

建筑单体或建筑群设计:室内自然通风、室内温度分布、室内污染度浓度、建筑布局、构造的通风效果

机电系统设计:送风管道流动分、大空间空调气流组织、火灾场景评估分析(消防应用)

1.4 CFD模拟基本流程

图3

CFD模拟基本流程可分为图3所示的四个步骤,建模、网格、计算、后处理。应用较为普遍的建模软件有:sketchup、CAD、犀牛等。

1.5建筑环境中主流CFD软件的性能对比

图4

目前,常见的CFD模拟软件有:Fluent、Airpark、scSTREAM、Star-CCM+。如图4表中为各软件功能的部分对比。主要包括各软件对几何模型支持的比较,其中网格是影响计算结果的重要因素。是否支持联机计算和多核计算是提高计算效率节省时间的影响因素。

2、CFD在建筑环境领域应用的思路

图5

CFD在建筑环境领域应用的基本思路为:设计后模拟再分析。分析不达预想目标再重新优化设计,重新模拟直至实现目标要求。结合工程实际实施思路如图5中流程图所示。

提出设计目标后,应结合建筑所在地的气候特征、满足规划局要求符合国家地方标准,更要满足业主的要求。

方案设计阶段:主要关心建筑整体布局,建筑整体布局包括:并列式、错列式和交错式。建筑单体设计(建筑单体形体较为多变,包括常规建筑和特殊参数化生成的建筑)和建筑朝向设计。

初步设计阶段:主要关心建筑室内布局,包括窗户大小和位置、局部构造等。

施工图设计阶段:CFD主要模拟空调房间的气流组织和对比不用气流组织的通风效果等。

3、国内绿色建筑、生态节能形势下的CFD案例分析与研究

3.1 CFD在建筑环境中应用的相关标准:

绿色建筑评价标准GB/T50738-2014

各地方的绿色建筑评价标准

各地方的绿色设计标准

浙江省《民用建筑项目节能评估导则》(试行):对风环境和热环境进行了具体的规定和指导,要求风环境和热环境设置执行标准中规定。

民用建筑供暖通风与空气调节设计规范

建筑通风效果测试与评价标准

建筑防火设计规范

3.2 案例分析

案例一:南宋之心的风环境分析

图6

图6为南宋之心项目,项目位于杭州市凤凰山脚下,项目是由旧卷烟厂厂房所改造的商业综合体建筑。CFD在本项目中的应用主要解决了室内步行街的夏季通风问题。

图7

图7为模拟出的室内步行街通风问题的示意图。图中可以看出主要的四条通风路径,由于项目位于凤凰山脚下,因此项目情况较为特殊,在做项目风环境模拟的时候,需要将山体对建筑影响的情况考虑进去。杭州夏季的主导风向是西南风,山体位于建筑的西南侧,因此对建筑的影响是不可忽略的。从图7可以看出,山体已经完全改变了西南风的风向。该项目步行街宽度较宽。存在一些通风不畅的问题,经过分析给甲方提供了两个参考方案,如图8所示。

图8

改善方案一:在建筑中部设置安全通道,可以采用平开门或旋转门的构造

改善方案二:东南侧较狭长的建筑可设置一个架空层,可引导风从此位置进入步行街,改善步行街通风不畅问题,还可在发生紧急状况时起到疏散作用。

案例二:某住宅小区室外热环境分析

图9

热岛分析/热环境分析在2006版的绿建标准中有明确的要求,但在2014版的绿标中取消了对热岛/热环境模拟的具体要求。分析取消的原因是由于模拟中存在许多不确定的因素,2014版绿标更侧重将模拟问题实质化,如增加架空层,增加绿地面积,改变建筑材料等。

图10

图10为根据06版绿建标准典型日不同时刻的热环境模拟,得出典型日不同时间热环境的平均值。选择夏至日6月21日模拟时间9点、12点、15点,可以看出不同时刻建筑表面、道路、水体、绿化的温度都会发生相应的变化。根据常识可以判断9点温度较低,12点温度适中,下午由于西晒情况,建筑表面温度是三个时刻中最高的。该项目模拟验证了在建筑底层设置架空层、增加绿地面积、选择反射率低的材料的效果。(关于建筑表面材料和道路材料的反射率可以参照《建筑采光设计标准》GB 50033-2013的附录D)

案例三:建筑平面布局通风效果改善

图11

图12

该项目为住宅项目。如图12所示为对图11中原设计方案进行模拟后得到的优化方案。图11中蓝圈区域为厨房位置,可以看出厨房位置在没有设置外窗的情况下,通风是不畅的,该户型的主要通风路径主要有如图11所示三条,三条路径都不经过厨房。优化方案:在厨房设置外窗,1.5米高度左右,解决做饭过程中通风问题。在厨房设置外窗后整个建筑的通风路径发生了一些变化,设计师根据常规经验是无法评估这些变化的。这个时候就需要借助CFD技术通过模拟分析将通风状况的变化可视化。

案例四:建筑构造对通风改善的模拟——南京某展览馆的捕风设计研究

图13

如图13所示,该建筑的主要通风为位于建筑底侧的外窗和位于屋顶捕风窗。该建筑是全幕墙设计,仅对开窗面积进行模拟。

图14

图14上两图反映了底侧窗通风效果,左上角图为0.8米高度的风速云图,右上角为1.5米高处的风速云图。侧窗的窗台高0.6米,窗台高0.6米,因此0.8米处通风效果较好,在人行高度1.5米通风效果反而不好。怎样改善低侧窗通风不畅问题?建议在屋顶设置捕风窗。

图15

图15为增加捕风窗后建筑内部流场图,风通过捕风窗进入建筑后形成一个环路,带动室内空气循环。结合本项目的底侧窗可以形成一个下进上出的气流组织。

图16

图16为图15局部放大效果,可以看出,左侧的房间和右侧房间通风窗所带来的效果是不一致的。图16左房间,风为下进上出(底侧窗进风,捕风窗排风),图16右为底侧窗和捕风窗共同作用的效果,可以将更多风引入室内,改善室内通风不畅问题。

案例五:外遮阳对自然通风的影响研究

图17

图17为未设置外遮阳的情况下建筑自然通风的效果图。分别反映的是风速的分布(左上)、建筑室内空气龄变化(右上)、通风流动方向路径(左下)、左下图的局部放大效果(右下)该项目所在地的主导风向是南偏东22.5度,可以看出在西南角办公室会形成明显涡流。

图18

图18为增加了外遮阳后自然通风的效果。依次对应图17。可以看出增加外遮阳后,大部分房间的风速有所提高,空气龄缩短(加快了空气更新换气速度),最后两图可以看出西南方向两个房间的涡流现象明显有所减轻。

案例六:VRF室外机散热分析:

分析目的:

(1)分析室外机散热对周边环境的潜在威胁:位于底层的室外机容易对周边的环境造成明显的影响:对过往行人形成热污染、影响周边植物生长(植物还会影响室外机散热)

(2)分析室外机散热对其本身性能的影响

(3)在不影响其性能下,如何使室外机和建筑立面效果结合起来(通风百叶的孔隙率)。

图19

图19为室外机散热的简单模拟示意图,本次分析主要针对1-5层的室外机散热。从图中可以看出,该项目的室外机外侧设置了遮阳通风百叶。

图20

图20为分析效果图,左上为室外机散热的温度分布情况,右上为不同楼层室外机散热吹吸气流情况,通过模拟可以看出底层的室外机吹出风会不会被上层的室外机吸入。下图为对室外机散热探索性研究,室外机散热42度(根据制冷量、散热度、吹风面积计算得出)降低至夏季室外通风温度(如杭州32.7度)所需的距离和范围。右上为流线图,流线图可以比温度图或速度分布图更直观的反映建筑气流变化。通过此图可明显看出底层吹出的热风没有被上层室外机的回风吸入,如果吸入会影响室外机的散热和能效情况,如果能效降低的比较多会造成用电量的增加。我国住宅面积庞大,使用时间较长且较为集中,如果室外机散热不畅,会造成很大的电量浪费,加重国家电网负担。

案例七:某万达放映厅气流组织分析

图21

该项目采用上送上回的气流组织。重点分析对象为位于中间位置的人员热舒适度。

图22

图22上为影院中间位置的温度分布,该项目设置的送风温度为18度,该放映厅共有11排位置,图中标注了不同位置的温度变化情况,基本趋势是第一排温度偏低,随后逐排有所升高。但是总体的温度分布范围为20-22度,环境温度较为舒适。图22下为中间位置热舒适性指标PMV的示意,PMV为评价热舒适性的重要指标,是丹麦Fanger教授根据长期的调查和实验结果得出的热舒适方程,其数值范围为-3-+3,以热中性为基准,即PMV为0,则大部分人处于不冷不热的状态。国际或国内的暖通设计标准建议PMV范围-1-1区间。通过模拟可以看出不同位置的PMV变化。

图23

图23为中间位置送风气流可行性分析,整个风场的速度在0-0.4m/s。图中显示左右两侧各有一个明显的涡流,是项目空调气流组织设计的明显体现,项目气流组织上送上回,气流从上往下吹,经过观众区再返回吊顶回风。可以看出在前10排的风速可及性较高,在最后排可能会形成漩涡,造成不舒适。

4、小结与思考

4.1小结

CFD在建筑环境领域的应用目前还是初级阶段。相信未来会更多的融入建筑环境领域的设计

和改造过程中CFD在建筑环境领域,还有很多问题亟待解决,常见问题是模拟方法和边界设计问题。希望各位同行多多交流,共同提高行业应用水平。

4.2思考

CFD在建筑环境领域的未来发展方向:

• CFD的应用方法需要一个统一的指南

• CFD与BIM技术的结合:目前在CFD和BIM的结合上已经有软件有所发展。Stream软件在revit中有插件,可以将Revit模型直接转换至Stream中,Autodesk的一款CFD软件,官方介绍可以和Revit模型无缝相融。

4.3图书推荐

此书为日本教授村上周三所著,是CFD模拟的启蒙图书。原著为2000年在日本出版,中文版由中国建筑科学研究院组织翻译。尽管原著是日本2000左右,但书中很多技术在我国还是没有得以应用的,可见日本的CFD模拟技术是远远超前于我国的。Stream软件是日本CFD软件市场份额占据最大的软件,功能强大。这个软件功能强大,集成了日本CFD学者多年的研究成果。