WAP手机版 加入收藏  设为首页
绿建讲堂
当前位置:首页 > 绿建讲堂 > 绿建讲堂

【绿建讲堂】CFD在建筑环境领域的实践与研究(绿建之窗微信群15年2月5日绿建之窗第27期讲座)

时间:2015/2/12 10:36:52   作者:绿建之窗   来源:绿建之窗   阅读:3273   评论:0
内容摘要:【绿建大讲堂】——微信频道系列讲座是绿建之窗(www.gbwindows.cn)独家主办的核心栏目,绿建之窗编辑部每周二、四晚20:00,在绿建之窗微信群中在线进行主题讲座,微信频道系列讲座将会邀请涉及绿色建筑全生命周期链条中的众多专家进行不同领域的知识点解读。如需加入或者申请讲座,请联系绿建之窗微信群管理员:微信号w...

【绿建大讲堂】——微信频道系列讲座是绿建之窗(www.gbwindows.cn)独家主办的核心栏目,绿建之窗编辑部每周二、四晚20:00,在绿建之窗微信群中在线进行主题讲座,微信频道系列讲座将会邀请涉及绿色建筑全生命周期链条中的众多专家进行不同领域的知识点解读。如需加入或者申请讲座,请联系绿建之窗微信群管理员:微信号wangchunshan777

 

【主讲人】殷明刚(资深建筑环境评估工程师)

【简介】目前在浙江联泰建筑节能科技有限公司就职。主要从事绿色建筑咨询和建筑节能评估方向。,精通自然通风、自然采光、遮阳设计等被动式建筑设计。提倡以建筑性能为导向的设计,借助计算机模拟技术,为人们的工作、生活、娱乐提供良好的环境。

 

【讲座导读】本期【绿建大讲堂】由经验丰富的绿色建筑模拟专家殷明刚结合实际工程案例介绍CFD在建筑环境领域的应用。

 

讲座实录

 

 一、模拟驱动设计创造良好的空气环境

【绿建讲堂】CFD在建筑环境领域的实践与研究(绿建之窗微信群15年2月5日绿建之窗第27期讲座)

1

1为某住宅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。


【绿建讲堂】CFD在建筑环境领域的实践与研究(绿建之窗微信群15年2月5日绿建之窗第27期讲座)

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

【绿建讲堂】CFD在建筑环境领域的实践与研究(绿建之窗微信群15年2月5日绿建之窗第27期讲座)

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:sketchupCAD、犀牛等。

 

1.5建筑环境中主流CFD软件的性能对比

【绿建讲堂】CFD在建筑环境领域的实践与研究(绿建之窗微信群15年2月5日绿建之窗第27期讲座)

4


目前,常见的CFD模拟软件有:FluentAirparkscSTREAMStar-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。

 

2CFD在建筑环境领域应用的思路

【绿建讲堂】CFD在建筑环境领域的实践与研究(绿建之窗微信群15年2月5日绿建之窗第27期讲座)

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

 

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


【绿建讲堂】CFD在建筑环境领域的实践与研究(绿建之窗微信群15年2月5日绿建之窗第27期讲座)

6


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。


【绿建讲堂】CFD在建筑环境领域的实践与研究(绿建之窗微信群15年2月5日绿建之窗第27期讲座)

7


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。


【绿建讲堂】CFD在建筑环境领域的实践与研究(绿建之窗微信群15年2月5日绿建之窗第27期讲座)

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

【绿建讲堂】CFD在建筑环境领域的实践与研究(绿建之窗微信群15年2月5日绿建之窗第27期讲座)

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。


【绿建讲堂】CFD在建筑环境领域的实践与研究(绿建之窗微信群15年2月5日绿建之窗第27期讲座)

10


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621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

【绿建讲堂】CFD在建筑环境领域的实践与研究(绿建之窗微信群15年2月5日绿建之窗第27期讲座)

11

 

【绿建讲堂】CFD在建筑环境领域的实践与研究(绿建之窗微信群15年2月5日绿建之窗第27期讲座)

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

【绿建讲堂】CFD在建筑环境领域的实践与研究(绿建之窗微信群15年2月5日绿建之窗第27期讲座)

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。


【绿建讲堂】CFD在建筑环境领域的实践与研究(绿建之窗微信群15年2月5日绿建之窗第27期讲座)

14


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。


【绿建讲堂】CFD在建筑环境领域的实践与研究(绿建之窗微信群15年2月5日绿建之窗第27期讲座)

15


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。


【绿建讲堂】CFD在建筑环境领域的实践与研究(绿建之窗微信群15年2月5日绿建之窗第27期讲座)

16


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

【绿建讲堂】CFD在建筑环境领域的实践与研究(绿建之窗微信群15年2月5日绿建之窗第27期讲座)

17

 

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。

 

【绿建讲堂】CFD在建筑环境领域的实践与研究(绿建之窗微信群15年2月5日绿建之窗第27期讲座)

18


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)。


【绿建讲堂】CFD在建筑环境领域的实践与研究(绿建之窗微信群15年2月5日绿建之窗第27期讲座)

19


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。

【绿建讲堂】CFD在建筑环境领域的实践与研究(绿建之窗微信群15年2月5日绿建之窗第27期讲座)

20


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

【绿建讲堂】CFD在建筑环境领域的实践与研究(绿建之窗微信群15年2月5日绿建之窗第27期讲座)

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。

【绿建讲堂】CFD在建筑环境领域的实践与研究(绿建之窗微信群15年2月5日绿建之窗第27期讲座)

22


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PMV0,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。

【绿建讲堂】CFD在建筑环境领域的实践与研究(绿建之窗微信群15年2月5日绿建之窗第27期讲座)

23


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

CFDBIM技术的结合:目前在CFDBIM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tesk将通风状况的变化变成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。

【绿建讲堂】CFD在建筑环境领域的实践与研究(绿建之窗微信群15年2月5日绿建之窗第27期讲座)

 

Q:第一个项目山体如何建模?

A:用sketchup根据等高线建模

 

Q:室内自然通风加重力后能否收敛?

A:增加重力后自然通风依然可以收敛,重力对自然通风的影响较小。如果模拟热压通风,重力是重要的影响因素。

 

Q:案例的模拟都是使用什么软件做的?

A:除了第二个热环境是用Fluent做的,电影院的案例是用Airpark做的,其他的都是使用Star-CCM+做的。

 

Q:电影院进风口设置在座椅上空,出风口设置在电影荧幕无人区这样的气流组织会不会好一些?

A:会的。电影院、体育场最好的气流组织就是座椅送风,下送上回。

 

Q:树木对场地自然通风的影响在模拟的时候怎么处理,是必须建立树木模型吗?

A:因为缺少相关标准规范,造成不同项目的处理方式有所不同,有些项目加了树木,有些项目没有加树木模拟。

 

Q:室外风速的设置是固定值还是梯度变化值?

A:必须设置梯度风。风速随高度的变化直线增长。

 

Q:遮阳对自然通风的影响案例中,遮阳是怎么设置的?

A:案例五项目设置的是活动外遮阳,模拟选取的90度位置。如果要全面分析活动外遮阳对室内通风的影响需要做不同的几个典型角度。该项目将外遮阳设置为建筑表面的凸起。

 

Q:室外风环境不满足绿标中要求,施工图阶段如何调整?

A:第一个原因:项目所在地风速较大,如大连、温州、台州等。第二个原因:建筑本身设置因素或建模过程中没有考虑周边建筑影响。重点检查哪些位置风速超标,分析风速超标原因。可以种树减小风速。

 

Q:建模中可以设置挡风墙吗?

A:可以设置。在施工过程中用的铁皮围护也可以进行评估,借助与CFD手段来评估施工过程中的通风情况和粉尘扩散情况等。

 

Q:风速较大的位置,种乔木能解决问题吗?

A:种乔木的改善效果没有种一排灌木明显。

 

QCFD软件怎么选?根据个人喜好吗?

A:首先说一下,本次讲座提到5款软件,都是经过验证的,可靠性很高。第二,选择软件应根据专业背景和学习能力。如果要做精细化的分析,如捕风窗、外遮阳、室外机等,就需要较为精细的软件,学习起来难度较大。详见图4中对比表。

 

QEcotect怎么样?

AEcotect是英国的建筑设计师开发的,定位是辅助建筑师做设计,功能齐全但是每一项功能都不是很强。Ecotect可重点应用在日照、这样、采光和辐射。

 

QStar-CCM+对模型要求高吗?

AStar-CCM+对模型要求较高,要求闭合,这也是该软件计算精度高的原因。Fluent也是要求模型闭合的,CFD模拟一般都需要在闭合的计算域,才能生成计算结果。StreamPhoenics可以直接导入建筑模型,在计算过程中对建筑模型进行一些处理。

 

Q:室外边界条件怎么选?

A:梯度风。这个梯度风 AirpakPhoenics Stream都有内置的模块。如果无内置模块,可根据标准的公式自定义函数。

FluentStar-CCM+需要自定义函数才能实现梯度风。

 

Q:一般做几个计算?

A夏季、冬季、过渡季 三个,然后加上三个大风工况,共6个。香港的AVA是做16个风向。


【注】讲座实录为绿建之窗出品,如需转载,请注明出处:绿建之窗


相关评论

绿建讲堂

本类更新

本类推荐

本类排行

通信地址 北京市海淀区西直门交大东路60号大隐名座3号楼3A层3A10         邮编:100044 网站合作QQ:4993067| 13693161205(北京)| 010-56208639

 京ICP备14061276号-2