萬科大廳通風分析

1、萬科建筑研究中心大廳自然通風分析高云飛 孟慶林華南理工大學建筑學院建筑節(jié)能與DeST研究中心，廣東 廣州 510640摘要：自然通風技術是一項古老的被動式的節(jié)能技術，可以降低室內(nèi)溫度，帶走室內(nèi)濕氣與不良氣體，提高人體熱舒適度，而不消耗任何的能源，沒有污染，是實現(xiàn)生態(tài)建筑的重要手段。計算機與計算技術的迅速發(fā)展，使得CFD技術蓬勃發(fā)展，為室內(nèi)外環(huán)境設計和評價提供了重要的工具和手段。本文采用數(shù)值分析的方法，利用CFD技術，過對深圳萬科建筑研究中心大廳的自然通風情況進行了模擬計算，計算分析結果表明在炎熱的深圳地區(qū)，自然通風在滿足室內(nèi)舒適度和節(jié)能方面有著極為重要的作用。Abstract: as a ol

2、d 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 calc

3、ulation, 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

4、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. 關鍵詞：CFD,數(shù)值分析，自然通風Key words: CFD, numerical analysis, natural ventilation人類發(fā)展的歷史實質上就是人與自然之間相互協(xié)調(diào)，相互依存，共同進化的發(fā)展過程。建筑作為一種重要的人類行為，與自

5、然界之間有著極為密切的關系，各地區(qū)的氣象條件都深刻的影響著各自的建筑。故而建筑要與當?shù)氐臍夂颦h(huán)境特征符合，要在充分認識了當?shù)氐臍夂蛸Y源與特征的基礎上，合理地、充分地利用氣候資源與防止氣候的惡劣帶來的危害和不舒適性，來確定建筑形式與空間布局等，從而創(chuàng)造人與自然的和諧統(tǒng)一。我國南方亞熱帶地區(qū)的建筑一向十分注重自然通風的應用，傳統(tǒng)建筑中普遍采用冷巷，庭院，開窗等來營造和實現(xiàn)自然通風降溫，現(xiàn)代建筑也十分注重樓群布局方式與建筑單體開窗情況，以利用豐富的自然資源，創(chuàng)造自然舒適的人居環(huán)境。深圳不僅屬于亞熱帶氣候，而且靠近海洋，具有豐富的風資源，常年盛行風向為南東東和北北東（頻率分別為17%和14%），其次為

6、東北風和東風（頻率都為12%），夏季最多風向為南西、南東東、東（頻率都為10%左右），年平均風速為2.6米/秒。冬季各月風速較大（約3.0米/秒），夏季各月風速較?。s2.0米/秒）。所以在深圳的建筑中廣泛的利用自然通風是十分必要而可行的。1. 模擬對象說明深圳萬科建筑研究中心位于深圳市福田區(qū)，是一棟現(xiàn)代化的建筑，建筑物的墻體均為玻璃幕墻。建筑共四層，高為15m， 在建筑的入口，為寬度為32m，高度為15m的展示大廳，本次模擬的任務就是尋求展示大廳的一種合理優(yōu)化的開窗模式，并且對這種開窗方式進行大廳通風情況的分析。2. 摸擬與分析2.1 幾何模型的建立建筑作為一種空間藝術，是通過各部分空間的凹

7、凸變化，高低錯落等空間語言來表達設計師的設計思想與理念的，然而要在計算機模擬計算中將建筑的各種空間變化與細部表達出來幾乎是不可能的，這樣在進行模擬計算時就要對建筑的結構與空間組成進行必要合理的簡化。 圖1建筑平面圖 圖2簡化后平面圖 圖3 phoenics 模型圖 根據(jù)現(xiàn)有幕墻玻璃的尺寸，各展臺標高，氣體流動的可能情況等，確定建筑開窗形式為帶形窗，具體情況為：。）作為大廳通風設計的進風口，北向為1.6m的開口，作為大廳氣流流動的出風口 圖4 幾何模型開窗情況立面、剖面圖（帶有符號C的位置為開窗的位置） 圖5 玻璃幕墻開窗斷面示意圖（窗口開窗高度上分為2個窗扇，每個窗扇高度為800mm，窗扇沿窗

8、口長度上的分格尺寸由窗廠家根據(jù)窗框材料的強度確定。）2.2 圖8窗口窗扇開啟狀態(tài)的阻力曲線數(shù)學模型大廳內(nèi)氣體流動為三維湍流流動，需要借助合適的湍流模型，在計算求解時采用應用廣泛的K兩方程模型，同時在靠近固體壁面的近壁區(qū)處采用壁面函數(shù)法。為建立數(shù)學模型，分析大廳內(nèi)氣體流動的情況，將大廳內(nèi)空氣流動狀況作出以下假設和簡化：(1) 自然通風與室內(nèi)氣流流動本身是一個復雜的過程，本模擬的任務是研究空氣流過時，窗口的布置形式與其室內(nèi)氣流流動狀況，故模擬中不考慮熱壓的作用，在求解方程時沒有涉及溫度變化、室外空氣與墻壁等之間的熱量傳遞以及能量的計算，只對流場進行穩(wěn)態(tài)求解；(2) 空氣為可壓縮流體，在氣流流動過程

9、中會由于壓力與溫度的變化而有密度的微小變化，但是這種變化是很微小的，同時在考慮氣體的密度變化時氣體的控制方程會變的非常復雜，所以為了簡化方程模型，忽略氣體密度變化的影響，假定空氣的物性參數(shù)保持不變；對氣體流動的情況進行分析和簡化后建立數(shù)學模型有： (1) (2)其中： 為Reynolds應力 (3) (4)其中：, 湍流粘度，湍動能 ，湍流能量耗散由上面的數(shù)學模型組成一個包含六個方程，求解六個未知數(shù)的封閉方程組，求解出三維的速度u, v, w和壓力p，以及湍動能k與能量耗散。（1） 進風口：風向：南東東；風速：2.0m/s。（2） 出風口：自由出口。（3） 模擬區(qū)域：建筑物總體尺度大約為：56

10、m56m15m，為了保證模擬環(huán)境的壓力擴散情況與實際環(huán)境相符，確定模擬區(qū)域為600m600m100m。（4） 建筑物與空間分割形狀規(guī)整，在計算中網(wǎng)格劃分采用直角坐標網(wǎng)格劃分。（5）3. 模擬結果分析3. 1速度與氣流形式分析速度與氣流形式是影響室內(nèi)通風的重要因素，直接關系到自然通風的效果。一般情況下，人們的活動主要集中在所在標高上空2.0m高度以內(nèi)的空間，在進行模擬結果分析時，以標高位置向上1.5m高度的平面為速度取值參考平面。空間位置表 表1位置標號位置名稱1m標高展臺2.68m標高展臺5m標高展臺坡道展臺邊走道4m標高的樓廳大廳前廳前廳右側空間取值標高2.5m4.0m6.5m每段高度向上1

11、.5m1.5m5.5m1.5m1.5ma) 室內(nèi)主要活動區(qū)的風速與氣體流動狀況分析 圖6 1.5m平面風速分布圖 圖7 2.5m平面風速分布圖 圖13 4.0m平面風速分布圖 圖15 6.5m平面風速分布圖 (說明：圖中用顏色表明了室內(nèi)各點速度的分布，每一種顏色代表了一個速度變化區(qū)間（此圖片約為0-0.24），顏色由冷色變化到暖色代表了速度由小到大的變化。)參考圖1與表1可知,1.5m的標高的平面是，、的取值高度平面，2.5m標高平面為1m標高展臺的取值平面，4.0m高平面為2.68m展臺的取值平面。在這幾個高度的平面主要受來自東側窗口的氣流影響，所以，在東側窗口處的速度比較大，風速可達到1.

12、5m/s左右，然后在室內(nèi)逐漸衰減，在展臺的交界處等能量損失大的地方出現(xiàn)。風經(jīng)東側的窗口進入室內(nèi)，首先流經(jīng)剪力墻，由于剪力墻的阻擋與導流，室內(nèi)的風發(fā)生繞流與方向的改變，并且在入口處空間內(nèi)形成強度比較大的渦流，使入口渦流區(qū)內(nèi)的風速迅速下降（0.2m/s）。6.5m高平面為5.0m展臺的取值平面，主要受到來自南向和東向5.0m標高向上的窗口的氣流影響，速度高，進風面積大。主要空間平面速度表（平均速度是指各標號位置所代表的整個平面內(nèi)的速度平均） 表2標號位置名稱取值標高/m平均速度/m/s最大速度/m/s最小速度/m/s1m標高展臺2.50.221.320.032.68m標高展臺4.00.351.46

13、0.025m標高展臺6.50.851.040.602.4標高段坡道3.90.390.440.32.8標高段坡道4.30.410.450.323.2標高段坡道4.70.390.450.273.6標高段坡道5.10.460.600.39站臺邊走道1.50.480.690.17樓廳5.50.290.850.11大廳前廳1.50.240.840.01.50.200.380.02CS 南窗5.01.851.981.35CE-1東窗15.02.32.682.04CE-2東窗23.21.862.001.72CE-3東窗31.61.531.731.36CN北窗9.60.851.600.323.2 室內(nèi)熱舒適性

14、分析在一定的季節(jié)，一定的工作環(huán)境下，人的著衣情況、活動程度、輻射溫度幾乎相同，這時空氣的溫度，相對濕度，流動速度將成為影響人的舒適程度的主要因素。在此模擬中各個區(qū)域的風速雖然有一定的差異，但是一般都會有風速達到0.5m/s的區(qū)域；深圳年平均相對濕度78%，39月各月均在8084%之間，其余各月在70%左右；同時考慮到辦公建筑實際使用自然通風主要是在過渡季節(jié)或較為涼爽的天氣。所以下面以室外通風溫度為27，相對濕度為70和83，室內(nèi)空氣流動速度為0.5m/s計算萬科建筑研究中心的自然通風熱舒適性參數(shù)PMV值。萬科建筑研究中心室內(nèi)熱舒適程度表（PMV 1.5認為舒適） 表12室外通風溫度氣流速度m/

15、s相對濕度PMV值舒適感覺270.5701.23舒適270.5831.33舒適根據(jù)深圳氣候統(tǒng)計，深圳全年大于18小于等于27的時間是4626小時，大約為全年時間的一半左右，由此可見，在深圳大部分時間都可以通過自然通風來滿足人們工作和生活的舒適要求。4. 結論建筑與氣候是相互協(xié)調(diào)，相互制約的，不適合當?shù)貧夂虻慕ㄖ厝粫斐赡茉吹睦速M和使用者的不舒適，所以，當?shù)氐臍夂颦h(huán)境是建筑的基礎和背景?？萍嫉陌l(fā)展，使得人們可以享受著各種高科技帶來的人為的“舒適”，同時，人們也越來越發(fā)現(xiàn)這種“舒適”的不舒適性和給環(huán)境，能源帶來的極大危害，也使人們更加認識到維持人們身心健康最重要的因素源于自然界中孕育的一切，遠離

16、了自然界，生活在人工的環(huán)境中，只會使人類身心疲憊，疾病纏身。當今社會倡導綠色建筑，生態(tài)建筑，健康建筑正是要還給人們一個自然的生存空間，正是建筑以人為本的體現(xiàn)。通過深圳萬科建筑研究中心自然通風方式的模擬與分析，證明在在深圳這樣一個濕熱的環(huán)境下，充分的利用自然條件，在過渡季節(jié)和對熱環(huán)境要求不是十分嚴格的場所，進行自然通風是完全可行和必要的。參考文獻：1 朱冬生，吳會軍，鄒華生，孫加龍. 2002. 除濕系統(tǒng)中固定床內(nèi)部氣體流長的數(shù)值分析J. 華南理工大學學報，Vol.30. No.50：45-49.2 陶文銓. 2002. 數(shù)值傳熱學M. 西安：西安交通大學出版社3 唐毅，孟慶林. 2001. 廣州高層住宅小區(qū)風環(huán)境模擬分析J，西安建筑科技大學學報，33（4）：4 唐毅. 2003.住宅自然通風與窗戶的關系D. 華南理工大學5 Y.P. Chang and R.Tsai ，natural convection in a square enclosure with a cold sourceJ， int. comm. Heat Mass Transfer，Vol.24，No.7：6 1989. Simulation of