摘要：近年来, 随着我国人口聚集, 高楼林立, 能源危机、温室效应等环境气候问题愈来愈突出。为了达到节约能源, 善用资源, 保护环境, 降低污染的目标, 绿色建筑应运而生, 对绿色建筑的评价分析具有现实性意义, 势必将给建筑行业带来新的发展。本文运用计算流体力学方法, 按照绿色建筑评价标准的要求, 对北京某绿色公共建筑的室内外风环境的速度场、压力场进行数值模拟与分析, 探讨风环境对建筑室内外舒适度的影响, 以提高绿色建筑的设计水平, 为绿色建筑的自然通风提供参考依据。
关键词：绿色建筑; 计算流体力学; 风环境; 数值模拟;
1 引言
随着我国人口增多, 高楼林立, 随之出现的问题是建筑通风不畅, 室内空气污染物加重[1]。建筑具有良好的通风设计是绿色建筑可持续发展的重要对策, 自然通风便成为了天然的建筑节能和改善室内空气品质的手段, 同时也为建筑空调耗能的降低提供有效途径[2]。
绿色建筑是指在全寿命期内, 最大限度地节约资源 (节能、节地、节水、节材) 、保护环境、减少污染, 为人们提供健康、适用和高效的使用空间, 与自然和谐共生的建筑[3]。本文将使用CFD方法, 按照《绿色建筑评价标准》的要求, 对北京市某绿色公共建筑的室内外风环境的速度场、压力场进行数值模拟分析, 探讨了风环境对建筑室内外舒适度的影响, 以提高绿色建筑的设计水平, 为绿色建筑的自然通风提供参考依据。
2 计算模拟软件
采用CFD (Computational Fluid Dynamics, 计算流体力学) 的方法对绿色公共建筑的室内外风环境进行模拟分析。CFD原理是运用数值求解控制流体的基本微分方程, 得出流场在连续区域上的离散分布, 然后近似模拟流体的流动情况[4]。目前CFD的计算方法常用的有有限差分法和有限体积法。通常情况下, 这两种方法的数学本质和表达方式是相同的, 仅仅是在物理含义上有所区别:有限差分法是基于微分的思想, 有限体积法则基于物理守恒原理。本文利用绿建斯维尔建筑通风Vent2016软件进行模拟, 此软件采用的方法为有限体积法, 同时结合压强校正法 (SIMPLE) 处理连续性方程, 将运动方程的'差分方程代入到连续性方程中, 建立起基于连续性方程代数离散的压强联系方程组, 从而求解压强量或压强调整量。
3 项目实例概况
本项目位于北京市, 属于绿色公共建筑, 建筑面积为32584㎡, 建筑高度为89.4m, 地上23层, 地下两层。建筑三维图示如下图1所示。北京市位于东经115.7°~117.4°, 北纬39.4°~41.6°的华北平原北部, 与渤海湾相邻, 上接辽东半岛, 下临山东半岛。气候为暖温带半湿润大陆性季风气候, 夏季炎热多雨, 冬季寒冷干燥。北京的风向有明显的季节性变化, 冬季盛行偏北风, 平均风速为4.7m/s夏季盛行东南风, 平均风速为3m/s。
图1 建筑三维图示
图2 人行高度处速度云图
4 计算机软件模拟室内外风环境
4.1 室外风环境模拟与分析
根据当地气候特点, 冬季盛行偏北风, 夏季盛行东南风。以冬季工况为研究对象, 计算机模拟软件为工具, 模拟得到的结果如图2、3、4所示。
图3 迎风面与背风面压强分布云图
图4 建筑表面风速放大系数云图
《绿色建筑评价标准》GB/T50378-2014对建筑风环境提出以下要求:在冬季典型风速和风向条件下, 建筑物周围人行区风速小于5m/s, 且室外风速放大系数小于2;除迎风第一排建筑外, 建筑迎风面与背风面表面风压差不大于5Pa;
由图2可知, 冬季工况下, 建筑物迎风面风速在1.0m/s~3.6m/s之间;背风面风速在2m/s以下, 南北侧无遮挡物, 风速较大, 应相应建立遮挡建筑及遮挡绿植等。项目周围人行区风速低于5m/s, 符合标准要求。由图3可知, 因单栋建筑模拟, 建筑迎风面与背风面压强分布较大。由图4可知, 建筑表面风速放大系数绝大多数区域小于2, 基本符合要求。
4.2 室内风环境模拟与分析
运用绿建斯维尔建筑通风软件对建筑室内风环境进行模拟, 根据室内布局的不同, 本建筑一共有5种分布类型, 分别为1层、2层~17层、18层、19层~22层、23层, 笔者对五种类型的室内风场均进行了模拟, 由于篇幅限制, 现只分析建筑1层室内风场的分布情况, 模拟所得结果如图5、6所示。
图5 室内风场速度云图
图6 室内风场压强分布图
由图5可知, 大部分区域的来流风速在0m/s~3m/s, 少部分边缘拐角区域风速在3m/s以上, 由图6可知, 室内风场压强分布较为集中, 迎风向压强分布较大, 背风向压强分布较小, 差别较大, 本建筑的迎风面和背风面的风压差能够为建筑的自然通风提供较好的风压驱动, 可减少室内污染物对人体的伤害, 对提高人体的舒适度有一定的影响作用。
5 结语
随着绿色建筑理念的践行, 越来越多的绿色公共建筑在设计中进行了室内外风环境的模拟和分析, 本文利用计算流体力学的方法, 对建筑的室内外风环境进行模拟, 探讨了风环境对建筑室内外舒适度的影响。通过模拟和分析得知, 本项目的室外风环境良好, 建筑的迎风面和背风面的风压差能够为建筑的自然通风提供较好的风压驱动。室内自然通风通风量上均能满足人员需求, 人员舒适性较好, 有利于节约能源, 体现了节能、生态、绿色的建筑理念。
参考文献
[1]许银春.城市高层建筑附近住宅小区室内外风环境模拟的研究[D].成都:西南交通大学, 2008.
[2]张磊.绿色住区建筑群体组合的风环境设计策略及案例[C].第十一届国际绿色建筑与建筑节能大会论文集, 2015.
[3]GB/T50378-2014.绿色建筑评价标准[S].中国建筑工业出版社, 2014.
[4]李岳技术在绿色建筑室内外通风设计中的应用[J].建筑节能, 2015.