基于CFD模拟的绿色建筑自然通风优化设计研究

基于CFD模拟的绿色建筑自然通风优化设计研究

张弼

沈阳天华建筑设计有限公司110032

摘要：本文对CFD模拟技术与建筑通风原理进行了简单介绍，并从总体布局、围护界面、建筑形体等几个角度对绿色建筑的自然通风优化设计策略进行了分析。

关键词：绿色建筑；自然通风；CFD模拟

引言：

在温室效应、能源短缺等问题的影响下，节能减排、绿色环保理念在建筑设计领域得到了更多的重视，绿色建筑已经成为了未来建筑设计的必然趋势，而自然通风设计则正是绿色建筑设计中的重要内容。因此，利用CFD模拟技术进行绿色建筑的自然通风优化设计是非常具有现实意义的。

一、CFD模拟技术概述

CFD模拟技术是以计算机技术与数值计算技术为基础的一种现代模拟仿真技术中，其中CFD为英文ComputationalFluidDynamics的缩写，而其中文则可翻译为计算流体动力学。简单来说，CFD模拟实际上就是通过计算机来对流体的实际流动情况进行仿真模拟，主要原理是利用数值求解控制流体流动的微分方程进行计算，从而确定某一连续区域内流体流动所形成的流场，并根据流场内的离散分布情况来实现对流体流动情况的近似性模拟[1]。这一模拟仿真技术最早出现于上世纪三十年代，但直到上世纪七十年代中期，丹麦人才首次将其应用于暖通空调工程领域，对房间内的空气流动情况进行模拟，此后的短短三四十年间，CFD模拟凭借其成本低、速度快、适应性强等多方面优势在诸多行业领域中都得到了很好的应用，而绿色建筑的自然通风设计恰恰是其中应用较为广泛的一个领域。

二、建筑自然通风原理分析

众所周知，自然界中的风实际上空气的流动，而不同区域间的空气压力差则是促成空气流动的主要原因，因此在建筑物中，制造不同区域的空气压力差就成为了自然通风的关键所在。简单来说，就是当建筑物不同区域间（通常为室内外）形成空气压力差后，空气就会在室内外进行流动，进而达到通风的效果，而根据具体的空气压力差的形成机制，我们还可以将建筑自然通风分为热压通风与风压通风两种。首先在热压通风方面，其通常是由于建筑物室内外出现了温度上的差异，而这一温度上的差异则会进一步影响到空气的密度，并在空气密度不同的情况下驱使空气从密度较高的区域向密度较低的区域流动，进而达到通风的效果。而在风压通风方面，则主要存在于建筑物的迎风面与背风面之间，在自然界风力的影响下，建筑迎风面与背风面的空气密度必然会形成差异，而这也同样会形成空气的流动以及通风效果。

三、基于CFD模拟的绿色建筑自然通风设计

（一）总体布局设计

无论是热压通风还是风压通风，外部环境因素对于建筑自然通风的影响都是非常关键的，例如在热压通风方面，不同的日照条件与散热效果会直接影响到建筑物周围区域内的温度情况，当外部环境日照时间越长、散热效果越差时，室内温度与室外温度间的差距一般会比较小，通风效果自然也就比较差，反之当建筑物周围比较开阔或是存在其他建筑物直接遮挡阳光时，建筑物周围环境的日照条件较差、散热效果较好，那么在室内外温差更大的情况下，通风效果自然也就更好。因此在进行绿色建筑的整体布局设计时，设计人员需要对建筑的所在基地、季节主导风向、周围建筑物与自然资源、地形、日照、噪音、朝向、高度等各方面因素进行全方位考察，并根据实际数据进行CFD模拟，对建筑物周围的风环境、、风速、风向、空气滞留情况等进行分析[2]。同时在确定具体情况后，则要在布局设计中对周围的自然资源进行充分利用，制定更好的设计方案，优化建筑物与周围建筑群、季节主导风向等自然通风影响因素之间的关系，使得建筑物能够拥有更好的室外风环境以及自然通风条件。例如当建筑物所在基地周围存在广场、绿地等空间时，就可以根据夏季主导方向来设计风道，在夏季将主导风引入到建筑物所在区域，促成风压通风，同时按照设计方案对进行夏季主导风的流动情况进行模拟，从而在设计细节上进行相应调整，以达到更好的通风效果。此外需要注意的是，虽然当风速更大时，建筑的自然通风情况会更好，但过大的风速却会影响到人的室外活动，因此在进行总体布局时也要利用CFD模拟对各区域的风速情况进行把控。

（二）围护界面设计

建筑物围护界面对于自然通风的影响主要体现在室内的空气流通与气流分布方面，例如当门窗与风道相偏离时，空气的流动就会受到阻隔，进而影响到通风效果，而当门窗等直接面向风道时，空气流动更加通畅，通风效果自然也就更好。因此在进行围护界面设计时，设计人员应利用CFD模拟对建筑物室内各区域的风速值、温度、空气龄期等分布情况进行分析，并在不影响整体设计合理性的前提下对门窗位置、室内通风构造位置以及门窗具体的尺寸大小、开启方式等不断的调整，从而得到通风效果更好的围护界面设计方案，此外如某些房间的通风效果较差，则可以在合适的位置设置导风板，对气流进行引导。

（三）建筑形体设计

不同的建筑形体会直接改变建筑物室外的热环境或风环境，因此，建筑形体同样是影响建筑物自然通风效果的关键因素。例如在风压通风方面，冬夏季的主导风通常都是固定的，当建筑形体发生变化时，建筑物会与主导风形成不同的夹角，而夹角的变化则与该区域空气密度有着直接的联系，因此通过对建筑形体设计的把握，就能够准确把握空气密度，并得到更好的自然通风效果[3]。因而在进行建筑的形体设计时，设计者需要在保证建筑物外型美观的情况下，对建筑物内房间的进深、平面角度、高度等进行控制，以营造更好的风环境。同时在条件允许的情况下，也可以对建筑物采取分散体量、部分架空、开洞的设计手段，或是设置一些天井、中庭等，并利用CFD模拟进行具体的分析与调整，前者可以对自然内通风进行更加准确的引导，而后者则能够营造更好的热环境。

结束语：

总而言之，CFD模拟技术不仅能够对自然通风优化设计起到很大的帮助，同时对于绿色建筑的推广应用也有着直接的促进作用，因此在绿色建筑的设计中，设计人员必须要将CFD模拟充分利用起来，并掌握相应的自然通风优化设计策略。

参考文献：

[1]文灵红，王永超.山地城市绿色建筑自然通风设计探讨——基于重庆首批绿色建筑住宅项目重庆万科城自然通风分析[J].重庆建筑，2013，12(11)：16-19.

[2]谢勇.基于CFD的大空间建筑自然通风优化设计[D].华南理工大学，2012.

[3]郭春梅，陈旭东.CFD技术在绿色建筑自然通风设计中的应用[J].洁净与空调技术，2010(02)：5-8.