風環境對綠色建筑室內外舒適度的影響論文

風環境對綠色建筑室內外舒適度的影響論文

　　摘要：近年來, 隨著我國人口聚集, 高樓林立, 能源危機、溫室效應等環境氣候問題愈來愈突出。為了達到節約能源, 善用資源, 保護環境, 降低污染的目標, 綠色建筑應運而生, 對綠色建筑的評價分析具有現實性意義, 勢必將給建筑行業帶來新的發展。本文運用計算流體力學方法, 按照綠色建筑評價標準的要求, 對北京某綠色公共建筑的室內外風環境的速度場、壓力場進行數值模擬與分析, 探討風環境對建筑室內外舒適度的影響, 以提高綠色建筑的設計水平, 為綠色建筑的自然通風提供參考依據。

　　關鍵詞：綠色建筑; 計算流體力學; 風環境; 數值模擬;

　　1 引言

　　隨著我國人口增多, 高樓林立, 隨之出現的問題是建筑通風不暢, 室內空氣污染物加重[1]。建筑具有良好的通風設計是綠色建筑可持續發展的重要對策, 自然通風便成為了天然的建筑節能和改善室內空氣品質的手段, 同時也為建筑空調耗能的降低提供有效途徑[2]。

　　綠色建筑是指在全壽命期內, 最大限度地節約資源 (節能、節地、節水、節材) 、保護環境、減少污染, 為人們提供健康、適用和高效的使用空間, 與自然和諧共生的建筑[3]。本文將使用CFD方法, 按照《綠色建筑評價標準》的要求, 對北京市某綠色公共建筑的室內外風環境的速度場、壓力場進行數值模擬分析, 探討了風環境對建筑室內外舒適度的影響, 以提高綠色建筑的設計水平, 為綠色建筑的自然通風提供參考依據。

　　2 計算模擬軟件

　　采用CFD (Computational Fluid Dynamics, 計算流體力學) 的方法對綠色公共建筑的室內外風環境進行模擬分析。CFD原理是運用數值求解控制流體的基本微分方程, 得出流場在連續區域上的離散分布, 然后近似模擬流體的流動情況[4]。目前CFD的計算方法常用的有有限差分法和有限體積法。通常情況下, 這兩種方法的數學本質和表達方式是相同的, 僅僅是在物理含義上有所區別:有限差分法是基于微分的思想, 有限體積法則基于物理守恒原理。本文利用綠建斯維爾建筑通風Vent2016軟件進行模擬, 此軟件采用的方法為有限體積法, 同時結合壓強校正法 (SIMPLE) 處理連續性方程, 將運動方程的差分方程代入到連續性方程中, 建立起基于連續性方程代數離散的壓強聯系方程組, 從而求解壓強量或壓強調整量。

　　3 項目實例概況

　　本項目位于北京市, 屬于綠色公共建筑, 建筑面積為32584㎡, 建筑高度為89.4m, 地上23層, 地下兩層。建筑三維圖示如下圖1所示。北京市位于東經115.7°~117.4°, 北緯39.4°~41.6°的華北平原北部, 與渤海灣相鄰, 上接遼東半島, 下臨山東半島。氣候為暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候, 夏季炎熱多雨, 冬季寒冷干燥。北京的風向有明顯的季節性變化, 冬季盛行偏北風, 平均風速為4.7m/s夏季盛行東南風, 平均風速為3m/s。

　　圖1 建筑三維圖示

　　圖2 人行高度處速度云圖

　　4 計算機軟件模擬室內外風環境

　　4.1 室外風環境模擬與分析

　　根據當地氣候特點, 冬季盛行偏北風, 夏季盛行東南風。以冬季工況為研究對象, 計算機模擬軟件為工具, 模擬得到的結果如圖2、3、4所示。

　　圖3 迎風面與背風面壓強分布云圖

　　圖4 建筑表面風速放大系數云圖

　　《綠色建筑評價標準》GB/T50378-2014對建筑風環境提出以下要求:在冬季典型風速和風向條件下, 建筑物周圍人行區風速小于5m/s, 且室外風速放大系數小于2;除迎風第一排建筑外, 建筑迎風面與背風面表面風壓差不大于5Pa;

　　由圖2可知, 冬季工況下, 建筑物迎風面風速在1.0m/s~3.6m/s之間;背風面風速在2m/s以下, 南北側無遮擋物, 風速較大, 應相應建立遮擋建筑及遮擋綠植等。項目周圍人行區風速低于5m/s, 符合標準要求。由圖3可知, 因單棟建筑模擬, 建筑迎風面與背風面壓強分布較大。由圖4可知, 建筑表面風速放大系數絕大多數區域小于2, 基本符合要求。

　　4.2 室內風環境模擬與分析

　　運用綠建斯維爾建筑通風軟件對建筑室內風環境進行模擬, 根據室內布局的不同, 本建筑一共有5種分布類型, 分別為1層、2層~17層、18層、19層~22層、23層, 筆者對五種類型的室內風場均進行了模擬, 由于篇幅限制, 現只分析建筑1層室內風場的分布情況, 模擬所得結果如圖5、6所示。

　　圖5 室內風場速度云圖

　　圖6 室內風場壓強分布圖

　　由圖5可知, 大部分區域的來流風速在0m/s~3m/s, 少部分邊緣拐角區域風速在3m/s以上, 由圖6可知, 室內風場壓強分布較為集中, 迎風向壓強分布較大, 背風向壓強分布較小, 差別較大, 本建筑的迎風面和背風面的風壓差能夠為建筑的自然通風提供較好的風壓驅動, 可減少室內污染物對人體的傷害, 對提高人體的舒適度有一定的影響作用。

　　5 結語

　　隨著綠色建筑理念的踐行, 越來越多的綠色公共建筑在設計中進行了室內外風環境的模擬和分析, 本文利用計算流體力學的方法, 對建筑的室內外風環境進行模擬, 探討了風環境對建筑室內外舒適度的影響。通過模擬和分析得知, 本項目的室外風環境良好, 建筑的迎風面和背風面的風壓差能夠為建筑的自然通風提供較好的風壓驅動。室內自然通風通風量上均能滿足人員需求, 人員舒適性較好, 有利于節約能源, 體現了節能、生態、綠色的建筑理念。

　　參考文獻

　　[1]許銀春.城市高層建筑附近住宅小區室內外風環境模擬的研究[D].成都:西南交通大學, 2008.

　　[2]張磊.綠色住區建筑群體組合的風環境設計策略及案例[C].第十一屆國際綠色建筑與建筑節能大會論文集, 2015.

　　[3]GB/T50378-2014.綠色建筑評價標準[S].中國建筑工業出版社, 2014.

　　[4]李岳.CFD技術在綠色建筑室內外通風設計中的應用[J].建筑節能, 2015.

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