經典回放-CFD在建筑環(huán)境領域的實踐與研究

2017-01-12  by:CAE仿真在線  來源:互聯網

一、模擬驅動設計,創(chuàng)造良好的空氣環(huán)境

圖1

圖1某住宅CFD模擬分析的流線圖,通過該圖可以看出風經過建筑后發(fā)生的變化,如繞流、渦流等。

1、 CFD的基本介紹和現狀

1.1什么是CFD?

CFD=Computational Fluid Dynamics,中文名字計算流體力學

? CFD是流體力學的一個分支

? CFD采用數值方法和算法求解流體問題

1.2 CFD能做什么?

CFD目前已廣泛應用于以下行業(yè):航空航天、汽車制造、能源與環(huán)境、氣象預測、海洋與船舶、動力機械。圖2所示分別對應CFD在以上行業(yè)的應用。

圖2

CFD可簡單歸結為內流場和外流場,圖2中飛機、汽車為外流暢,圖2右下角為類似風機的內流場。

1.3 CFD在建筑環(huán)境領域的層次分析

CFD在建筑的不同階段的應用是不同的。

規(guī)劃設計階段:室外風環(huán)境、室外熱環(huán)境、室外污染物擴散

建筑單體或建筑群設計:室內自然通風、室內溫度分布、室內污染度濃度、建筑布局、構造的通風效果

機電系統(tǒng)設計:送風管道流動分、大空間空調氣流組織、火災場景評估分析(消防應用)

1.4 CFD模擬基本流程

圖3

CFD模擬基本流程可分為圖3所示的四個步驟,建模、網格、計算、后處理。應用較為普遍的建模軟件有:sketchup、CAD、犀牛等。

1.5建筑環(huán)境中主流CFD軟件的性能對比

圖4

目前,常見的CFD模擬軟件有:Fluent、Airpark、scSTREAM、Star-CCM+。如圖4表中為各軟件功能的部分對比。主要包括各軟件對幾何模型支持的比較,其中網格是影響計算結果的重要因素。是否支持聯機計算和多核計算是提高計算效率節(jié)省時間的影響因素。

2、CFD在建筑環(huán)境領域應用的思路

圖5

CFD在建筑環(huán)境領域應用的基本思路為:設計后模擬再分析。分析不達預想目標再重新優(yōu)化設計,重新模擬直至實現目標要求。結合工程實際實施思路如圖5中流程圖所示。

提出設計目標后,應結合建筑所在地的氣候特征、滿足規(guī)劃局要求符合國家地方標準,更要滿足業(yè)主的要求。

方案設計階段:主要關心建筑整體布局,建筑整體布局包括:并列式、錯列式和交錯式。建筑單體設計(建筑單體形體較為多變,包括常規(guī)建筑和特殊參數化生成的建筑)和建筑朝向設計。

初步設計階段:主要關心建筑室內布局,包括窗戶大小和位置、局部構造等。

施工圖設計階段:CFD主要模擬空調房間的氣流組織和對比不用氣流組織的通風效果等。

3、國內綠色建筑、生態(tài)節(jié)能形勢下的CFD案例分析與研究

3.1 CFD在建筑環(huán)境中應用的相關標準:

綠色建筑評價標準GB/T50738-2014

各地方的綠色建筑評價標準

各地方的綠色設計標準

浙江省《民用建筑項目節(jié)能評估導則》(試行):對風環(huán)境和熱環(huán)境進行了具體的規(guī)定和指導,要求風環(huán)境和熱環(huán)境設置執(zhí)行標準中規(guī)定。

民用建筑供暖通風與空氣調節(jié)設計規(guī)范

建筑通風效果測試與評價標準

建筑防火設計規(guī)范

3.2 案例分析

案例一:南宋之心的風環(huán)境分析

圖6

圖6為南宋之心項目,項目位于杭州市鳳凰山腳下,項目是由舊卷煙廠廠房所改造的商業(yè)綜合體建筑。CFD在本項目中的應用主要解決了室內步行街的夏季通風問題。

圖7

圖7為模擬出的室內步行街通風問題的示意圖。圖中可以看出主要的四條通風路徑,由于項目位于鳳凰山腳下,因此項目情況較為特殊,在做項目風環(huán)境模擬的時候,需要將山體對建筑影響的情況考慮進去。杭州夏季的主導風向是西南風,山體位于建筑的西南側,因此對建筑的影響是不可忽略的。從圖7可以看出,山體已經完全改變了西南風的風向。該項目步行街寬度較寬。存在一些通風不暢的問題,經過分析給甲方提供了兩個參考方案,如圖8所示。

圖8

改善方案一:在建筑中部設置安全通道,可以采用平開門或旋轉門的構造

改善方案二:東南側較狹長的建筑可設置一個架空層,可引導風從此位置進入步行街,改善步行街通風不暢問題,還可在發(fā)生緊急狀況時起到疏散作用。

案例二:某住宅小區(qū)室外熱環(huán)境分析

圖9

熱島分析/熱環(huán)境分析在2006版的綠建標準中有明確的要求,但在2014版的綠標中取消了對熱島/熱環(huán)境模擬的具體要求。分析取消的原因是由于模擬中存在許多不確定的因素,2014版綠標更側重將模擬問題實質化,如增加架空層,增加綠地面積,改變建筑材料等。

圖10

圖10為根據06版綠建標準典型日不同時刻的熱環(huán)境模擬,得出典型日不同時間熱環(huán)境的平均值。選擇夏至日6月21日模擬時間9點、12點、15點,可以看出不同時刻建筑表面、道路、水體、綠化的溫度都會發(fā)生相應的變化。根據常識可以判斷9點溫度較低,12點溫度適中,下午由于西曬情況,建筑表面溫度是三個時刻中最高的。該項目模擬驗證了在建筑底層設置架空層、增加綠地面積、選擇反射率低的材料的效果。(關于建筑表面材料和道路材料的反射率可以參照《建筑采光設計標準》GB 50033-2013的附錄D)

案例三:建筑平面布局通風效果改善

圖12

該項目為住宅項目。如圖12所示為對圖11中原設計方案進行模擬后得到的優(yōu)化方案。圖11中藍圈區(qū)域為廚房位置,可以看出廚房位置在沒有設置外窗的情況下,通風是不暢的,該戶型的主要通風路徑主要有如圖11所示三條,三條路徑都不經過廚房。優(yōu)化方案:在廚房設置外窗,1.5米高度左右,解決做飯過程中通風問題。在廚房設置外窗后整個建筑的通風路徑發(fā)生了一些變化,設計師根據常規(guī)經驗是無法評估這些變化的。這個時候就需要借助CFD技術通過模擬分析將通風狀況的變化可視化。

案例四:建筑構造對通風改善的模擬——南京某展覽館的捕風設計研究

圖13

如圖13所示,該建筑的主要通風為位于建筑底側的外窗和位于屋頂捕風窗。該建筑是全幕墻設計,僅對開窗面積進行模擬。

圖14上兩圖反映了底側窗通風效果,左上角圖為0.8米高度的風速云圖,右上角為1.5米高處的風速云圖。側窗的窗臺高0.6米,窗臺高0.6米,因此0.8米處通風效果較好,在人行高度1.5米通風效果反而不好。怎樣改善低側窗通風不暢問題?建議在屋頂設置捕風窗。

圖15

圖15為增加捕風窗后建筑內部流場圖,風通過捕風窗進入建筑后形成一個環(huán)路,帶動室內空氣循環(huán)。結合本項目的底側窗可以形成一個下進上出的氣流組織。

圖16

圖16為圖15局部放大效果,可以看出,左側的房間和右側房間通風窗所帶來的效果是不一致的。圖16左房間,風為下進上出(底側窗進風,捕風窗排風),圖16右為底側窗和捕風窗共同作用的效果,可以將更多風引入室內,改善室內通風不暢問題。

案例五:外遮陽對自然通風的影響研究

圖17

圖17為未設置外遮陽的情況下建筑自然通風的效果圖。分別反映的是風速的分布(左上)、建筑室內空氣齡變化(右上)、通風流動方向路徑(左下)、左下圖的局部放大效果(右下)該項目所在地的主導風向是南偏東22.5度,可以看出在西南角辦公室會形成明顯渦流。

圖18

圖18為增加了外遮陽后自然通風的效果。依次對應圖17?？梢钥闯鲈黾油庹陉柡?大部分房間的風速有所提高,空氣齡縮短(加快了空氣更新換氣速度),最后兩圖可以看出西南方向兩個房間的渦流現象明顯有所減輕。

案例六:VRF室外機散熱分析:

分析目的:

(1)分析室外機散熱對周邊環(huán)境的潛在威脅:位于底層的室外機容易對周邊的環(huán)境造成明顯的影響:對過往行人形成熱污染、影響周邊植物生長(植物還會影響室外機散熱)

(2)分析室外機散熱對其本身性能的影響

(3)在不影響其性能下,如何使室外機和建筑立面效果結合起來(通風百葉的孔隙率)。

圖19

圖19為室外機散熱的簡單模擬示意圖,本次分析主要針對1-5層的室外機散熱。從圖中可以看出,該項目的室外機外側設置了遮陽通風百葉。

圖20

圖20為分析效果圖,左上為室外機散熱的溫度分布情況,右上為不同樓層室外機散熱吹吸氣流情況,通過模擬可以看出底層的室外機吹出風會不會被上層的室外機吸入。下圖為對室外機散熱探索性研究,室外機散熱42度(根據制冷量、散熱度、吹風面積計算得出)降低至夏季室外通風溫度(如杭州32.7度)所需的距離和范圍。右上為流線圖,流線圖可以比溫度圖或速度分布圖更直觀的反映建筑氣流變化。通過此圖可明顯看出底層吹出的熱風沒有被上層室外機的回風吸入,如果吸入會影響室外機的散熱和能效情況,如果能效降低的比較多會造成用電量的增加。我國住宅面積龐大,使用時間較長且較為集中,如果室外機散熱不暢,會造成很大的電量浪費,加重國家電網負擔。

案例七:某萬達放映廳氣流組織分析

圖21

該項目采用上送上回的氣流組織。重點分析對象為位于中間位置的人員熱舒適度。

圖22

圖22上為影院中間位置的溫度分布,該項目設置的送風溫度為18度,該放映廳共有11排位置,圖中標注了不同位置的溫度變化情況,基本趨勢是第一排溫度偏低,隨后逐排有所升高。但是總體的溫度分布范圍為20-22度,環(huán)境溫度較為舒適。圖22下為中間位置熱舒適性指標PMV的示意,PMV為評價熱舒適性的重要指標,是丹麥Fanger教授根據長期的調查和實驗結果得出的熱舒適方程,其數值范圍為-3-+3,以熱中性為基準,即PMV為0,則大部分人處于不冷不熱的狀態(tài)。國際或國內的暖通設計標準建議PMV范圍-1-1區(qū)間。通過模擬可以看出不同位置的PMV變化。

圖23

圖23為中間位置送風氣流可行性分析,整個風場的速度在0-0.4m/s。圖中顯示左右兩側各有一個明顯的渦流,是項目空調氣流組織設計的明顯體現,項目氣流組織上送上回,氣流從上往下吹,經過觀眾區(qū)再返回吊頂回風?？梢钥闯鲈谇?0排的風速可及性較高,在最后排可能會形成漩渦,造成不舒適。

4、小結與思考

4.1小結

CFD在建筑環(huán)境領域的應用目前還是初級階段。相信未來會更多的融入建筑環(huán)境領域的設計

和改造過程中CFD在建筑環(huán)境領域,還有很多問題亟待解決,常見問題是模擬方法和邊界設計問題。希望各位同行多多交流,共同提高行業(yè)應用水平。

4.2思考

CFD在建筑環(huán)境領域的未來發(fā)展方向:

? CFD的應用方法需要一個統(tǒng)一的指南

? CFD與BIM技術的結合:目前在CFD和BIM的結合上已經有軟件有所發(fā)展。Stream軟件在revit中有插件,可以將Revit模型直接轉換至Stream中,Autodesk的一款CFD軟件,官方介紹可以和Revit模型無縫相融。

4.3圖書推薦

此書為日本教授村上周三所著,是CFD模擬的啟蒙圖書。原著為2000年在日本出版,中文版由中國建筑科學研究院組織翻譯。盡管原著是日本2000左右,但書中很多技術在我國還是沒有得以應用的,可見日本的CFD模擬技術是遠遠超前于我國的。Stream軟件是日本CFD軟件市場份額占據最大的軟件,功能強大。這個軟件功能強大,集成了日本CFD學者多年的研究成果。

Q:第一個項目山體如何建模?

A:用sketchup根據等高線建模

Q:室內自然通風加重力后能否收斂?

A:增加重力后自然通風依然可以收斂,重力對自然通風的影響較小。如果模擬熱壓通風,重力是重要的影響因素。

Q:案例的模擬都是使用什么軟件做的?

A:除了第二個熱環(huán)境是用Fluent做的,電影院的案例是用Airpark做的,其他的都是使用Star-CCM+做的。

Q:電影院進風口設置在座椅上空,出風口設置在電影熒幕無人區(qū)這樣的氣流組織會不會好一些?

A:會的。電影院、體育場最好的氣流組織就是座椅送風,下送上回。

Q:樹木對場地自然通風的影響在模擬的時候怎么處理,是必須建立樹木模型嗎?

A:因為缺少相關標準規(guī)范,造成不同項目的處理方式有所不同,有些項目加了樹木,有些項目沒有加樹木模擬。

Q:室外風速的設置是固定值還是梯度變化值?

A:必須設置梯度風。風速隨高度的變化直線增長。

Q:遮陽對自然通風的影響案例中,遮陽是怎么設置的?

A:案例五項目設置的是活動外遮陽,模擬選取的90度位置。如果要全面分析活動外遮陽對室內通風的影響需要做不同的幾個典型角度。該項目將外遮陽設置為建筑表面的凸起。

Q:室外風環(huán)境不滿足綠標中要求,施工圖階段如何調整?

A:第一個原因:項目所在地風速較大,如大連、溫州、臺州等。第二個原因:建筑本身設置因素或建模過程中沒有考慮周邊建筑影響。重點檢查哪些位置風速超標,分析風速超標原因。可以種樹減小風速。

Q:建模中可以設置擋風墻嗎?

A:可以設置。在施工過程中用的鐵皮圍護也可以進行評估,借助與CFD模擬來評估施工過程中的通風情況和粉塵擴散情況等。

Q:風速較大的位置,種喬木能解決問題嗎?

A:種喬木的改善效果沒有種一排灌木明顯。

Q:CFD軟件怎么選?根據個人喜好嗎?

A:首先說一下,本次講座提到5款軟件,都是經過驗證的,可靠性很高。第二,選擇軟件應根據專業(yè)背景和學習能力。如果要做精細化的分析,如捕風窗、外遮陽、室外機等,就需要較為精細的軟件,學習起來難度較大。詳見圖4中對比表。

Q:Star-CCM+對模型要求高嗎?

A:Star-CCM+對模型要求較高,要求閉合,這也是該軟件計算精度高的原因。Fluent也是要求模型閉合的,CFD模擬一般都需要在閉合的計算域,才能生成計算結果。Stream、Phoenics可以直接導入建筑模型,在計算過程中對建筑模型進行一些處理。

Q:室外邊界條件怎么選?

A:梯度風。這個梯度風 Airpak、Phoenics、 Stream都有內置的模塊。如果無內置模塊,可根據標準的公式自定義函數。

Fluent和Star-CCM+需要自定義函數才能實現梯度風。

Q:一般做幾個計算?

A:夏季、冬季、過渡季 三個,然后加上三個大風工況,共6個。香港的AVA是做16個風向。

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