万科建筑研究中心大厅自然通风分析.doc

万科建筑研究中心大厅自然通风分析高云飞 孟庆林华南理工大学建筑学院建筑节能与DeST研究中心，广东 广州 510640摘要：自然通风技术是一项古老的被动式的节能技术，可以降低室内温度，带走室内湿气与不良气体，提高人体热舒适度，而不消耗任何的能源，没有污染，是实现生态建筑的重要手段。计算机与计算技术的迅速发展，使得CFD技术蓬勃发展，为室内外环境设计和评价提供了重要的工具和手段。本文采用数值分析的方法，利用CFD技术，过对深圳万科建筑研究中心大厅的自然通风情况进行了模拟计算，计算分析结果表明在炎热的深圳地区，自然通风在满足室内舒适度和节能方面有着极为重要的作用。Abstract: as a old kind of passive energy saving technology, natural ventilation lowers the indoor temperature, takes the unpleasant odor away and makes people to feel more comfortable without bringing any pollution, and even not consuming any kind of energy. With the rapid development of computer and numerical calculation, the CFD technology gets a great advance, and become an important tool in the design and evaluation in indoor or outdoor environment. This paper, with the method of numerical analysis and CFD technology, dealt with the natural ventilation in Wanke Architecture Research Center, Shenzhen. The results of the calculation shows that, in such a hot and humid temperature zone as Shenzhen, natural ventilation plays a important role in energy saving and peoples comfort. 关键词：CFD,数值分析，自然通风Key words: CFD, numerical analysis, natural ventilation人类发展的历史实质上就是人与自然之间相互协调，相互依存，共同进化的发展过程。建筑作为一种重要的人类行为，与自然界之间有着极为密切的关系，各地区的气象条件都深刻的影响着各自的建筑。故而建筑要与当地的气候环境特征符合，要在充分认识了当地的气候资源与特征的基础上，合理地、充分地利用气候资源与防止气候的恶劣带来的危害和不舒适性，来确定建筑形式与空间布局等，从而创造人与自然的和谐统一。我国南方亚热带地区的建筑一向十分注重自然通风的应用，传统建筑中普遍采用冷巷，庭院，开窗等来营造和实现自然通风降温，现代建筑也十分注重楼群布局方式与建筑单体开窗情况，以利用丰富的自然资源，创造自然舒适的人居环境。深圳不仅属于亚热带气候，而且靠近海洋，具有丰富的风资源，常年盛行风向为南东东和北北东（频率分别为17%和14%），其次为东北风和东风（频率都为12%），夏季最多风向为南西、南东东、东（频率都为10%左右），年平均风速为2.6米/秒。冬季各月风速较大（约3.0米/秒），夏季各月风速较小（约2.0米/秒）。所以在深圳的建筑中广泛的利用自然通风是十分必要而可行的。1. 模拟对象说明深圳万科建筑研究中心位于深圳市福田区，是一栋现代化的建筑，建筑物的墙体均为玻璃幕墙。建筑共四层，高为15m， 在建筑的入口，为宽度为32m，高度为15m的展示大厅，本次模拟的任务就是寻求展示大厅的一种合理优化的开窗模式，并且对这种开窗方式进行大厅通风情况的分析。2. 摸拟与分析2.1 几何模型的建立建筑作为一种空间艺术，是通过各部分空间的凹凸变化，高低错落等空间语言来表达设计师的设计思想与理念的，然而要在计算机模拟计算中将建筑的各种空间变化与细部表达出来几乎是不可能的，这样在进行模拟计算时就要对建筑的结构与空间组成进行必要合理的简化。2.1.1几何模型的简化 图1建筑平面图 图2简化后平面图 图3 phoenics 模型图 2.1.2 开窗位置的确定 根据现有幕墙玻璃的尺寸，各展台标高，气体流动的可能情况等，确定建筑开窗形式为带形窗，具体情况为：东向（窗底标高5m），南向（窗底标高5m，3.2m和1.6m）和北向（窗底标高9.6m）开窗，窗口净高为1.6m（与每块幕墙玻璃的高度一致），东向和南向窗上安装两个窗扇（每扇窗高为800mm，倾角45。）作为大厅通风设计的进风口，北向为1.6m的开口，作为大厅气流流动的出风口 图4 几何模型开窗情况立面、剖面图（带有符号C的位置为开窗的位置） 图5 玻璃幕墙开窗断面示意图（窗口开窗高度上分为2个窗扇，每个窗扇高度为800mm，窗扇沿窗口长度上的分格尺寸由窗厂家根据窗框材料的强度确定。）2.2 图8窗口窗扇开启状态的阻力曲线2.22.2 数学模型2.2.1. 问题分析与简化大厅内气体流动为三维湍流流动，需要借助合适的湍流模型，在计算求解时采用应用广泛的K两方程模型，同时在靠近固体壁面的近壁区处采用壁面函数法。为建立数学模型，分析大厅内气体流动的情况，将大厅内空气流动状况作出以下假设和简化：(1) 自然通风与室内气流流动本身是一个复杂的过程，本模拟的任务是研究空气流过时，窗口的布置形式与其室内气流流动状况，故模拟中不考虑热压的作用，在求解方程时没有涉及温度变化、室外空气与墙壁等之间的热量传递以及能量的计算，只对流场进行稳态求解；(2) 空气为可压缩流体，在气流流动过程中会由于压力与温度的变化而有密度的微小变化，但是这种变化是很微小的，同时在考虑气体的密度变化时气体的控制方程会变的非常复杂，所以为了简化方程模型，忽略气体密度变化的影响，假定空气的物性参数保持不变；2.2.2气体流动的基本方程对气体流动的情况进行分析和简化后建立数学模型有： (1) (2)其中： 为Reynolds应力 (3) (4)其中：, 湍流粘度，湍动能 ，湍流能量耗散由上面的数学模型组成一个包含六个方程，求解六个未知数的封闭方程组，求解出三维的速度u, v, w和压力p，以及湍动能k与能量耗散。2.2.3气体流动的边界条件与网格：（1） 进风口：风向：南东东；风速：2.0m/s。（2） 出风口：自由出口。（3） 模拟区域：建筑物总体尺度大约为：56m56m15m，为了保证模拟环境的压力扩散情况与实际环境相符，确定模拟区域为600m600m100m。（4） 建筑物与空间分割形状规整，在计算中网格划分采用直角坐标网格划分。（5）3. 模拟结果分析3. 1速度与气流形式分析速度与气流形式是影响室内通风的重要因素，直接关系到自然通风的效果。一般情况下，人们的活动主要集中在所在标高上空2.0m高度以内的空间，在进行模拟结果分析时，以标高位置向上1.5m高度的平面为速度取值参考平面。空间位置表 表1位置标号位置名称1m标高展台2.68m标高展台5m标高展台坡道展台边走道4m标高的楼厅大厅前厅前厅右侧空间取值标高2.5m4.0m6.5m每段高度向上1.5m1.5m5.5m1.5m1.5ma) 室内主要活动区的风速与气体流动状况分析 图6 1.5m平面风速分布图 图7 2.5m平面风速分布图 图13 4.0m平面风速分布图 图15 6.5m平面风速分布图 (说明：图中用颜色表明了室内各点速度的分布，每一种颜色代表了一个速度变化区间（此图片约为0-0.24），颜色由冷色变化到暖色代表了速度由小到大的变化。)参考图1与表1可知,1.5m的标高的平面是，、的取值高度平面，2.5m标高平面为1m标高展台的取值平面，4.0m高平面为2.68m展台的取值平面。在这几个高度的平面主要受来自东侧窗口的气流影响，所以，在东侧窗口处的速度比较大，风速可达到1.5m/s左右，然后在室内逐渐衰减，在展台的交界处等能量损失大的地方出现。风经东侧的窗口进入室内，首先流经剪力墙，由于剪力墙的阻挡与导流，室内的风发生绕流与方向的改变，并且在入口处空间内形成强度比较大的涡流，使入口涡流区内的风速迅速下降（0.2m/s）。6.5m高平面为5.0m展台的取值平面，主要受到来自南向和东向5.0m标高向上的窗口的气流影响，速度高，进风面积大。主要空间平面速度表（平均速度是指各标号位置所代表的整个平面内的速度平均） 表2标号位置名称取值标高/m平均速度/m/s最大速度/m/s最小速度/m/s1m标高展台2.50.221.320.032.68m标高展台4.00.351.460.025m标高展台6.50.851.040.602.4标高段坡道3.90.390.440.32.8标高段坡道4.30.410.450.323.2标高段坡道4.70.390.450.273.6标高段坡道5.10.460.600.39站台边走道1.50.480.690.17楼厅5.50.290.850.11大厅前厅1.50.240.840.01.50.200.380.02CS 南窗5.01.851.981.35CE-1东窗15.02.32.682.04CE-2东窗23.21.862.001.72CE-3东窗31.61.531.731.36CN北窗9.60.851.600.323.2 室内热舒适性分析人的舒适性是衡量通风效果的重要指标。人体的热舒适性是由的活动程度、衣服热阻，空气温度、平均辐射温度、空气流动速度和空气湿度等六个因素综合作用决定的。本文借用了P.O.Fanger提出的PMV（预期平均评价）指标来分析通风室内热舒适性。在一定的季节，一定的工作环境下，人的着衣情况、活动程度、辐射温度几乎相同，这时空气的温度，相对湿度，流动速度将成为影响人的舒适程度的主要因素。在此模拟中各个区域的风速虽然有一定的差异，但是一般都会有风速达到0.5m/s的区域；深圳年平均相对湿度78%，39月各月均在8084%之间，其余各月在70%左右；同时考虑到办公建筑实际使用自然通风主要是在过渡季节或较为凉爽的天气。所以下面以室外通风温度为27，相对湿度为70和83，室内空气流动速度为0.5m/s计算万科建筑研究中心的自然通风热舒适性参数PMV值。万科建筑研究中心室内热舒适程度表（PMV 1.5认为舒适） 表12室外通风温度气流速度m/s相对湿度PMV值舒适感觉270.5701.23舒适270.5831.33舒适根据深圳气候统计，深圳全年大于18小于等于27的时间是4626小时，大约为全年时间的一半左右，由此可见，在深圳大部分时间都可以通过自然通风来满足人们工作和生活的舒适要求。4. 结论建筑与气候是相互协调，相互制约的，不适合当地气候的建筑必然会造成能源的浪费和使用者的不舒适，所以，当地的气候环境是建筑的基础和背景。科技的发展，使得人们可以享受着各种高科技带来的人为的“舒适”，同时，人们也越来越发现这种“舒适”的不舒适性和给环境，能源带来的极大危害，也使人们更加认识到维持人们身心健康最重要的因素源于自然界中孕育的一切，远离了自然界，生活在人工的环境中，只会使人类身心疲惫，疾病缠身。当今社会倡导绿色建筑，生态建筑，健康建筑正是要还给人们一个自然的生存空间，正是建筑以人为本的体现。通过深圳万科建筑研究中心自然通风方式的模拟与分析，证明在在深圳这样一个湿热的环境下，充分的利用自然条件，在过渡季节和对热环境要求不是十分严格的场所，进行自然通风是完全可行和必要的。参考文献：1 朱冬生，吴会军，邹华生，孙加龙. 2002. 除湿系统中固定床内部气体流长的数值分析J. 华南理工大学学报，Vol.30. 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