四館室外自然通風(fēng)模擬分析報(bào)告橫版

1、江蘇省綠色建筑工程技術(shù)研究中心能源與建筑環(huán)境研究所（三所）淮安市城市博物館 圖書(shū)館 文化館及美術(shù)館室外自然通風(fēng)模擬分析報(bào)告電話(huà)真址：南京市中山北路200號(hào)圖書(shū)館3樓306室日期：2011-07-18聲明：1、本報(bào)告咨詢(xún)單位未蓋章無(wú)效；2、本報(bào)告經(jīng)涂改和復(fù)印均無(wú)效；3、本報(bào)告僅用于指定項(xiàng)目，非本項(xiàng)目無(wú)效。項(xiàng)目名稱(chēng)：淮安市城市博物館 圖書(shū)館 文化館及美術(shù)館委托單位：淮安市生態(tài)商務(wù)旅游開(kāi)發(fā)有限公司咨詢(xún)單位：江蘇省綠色建筑工程技術(shù)研究中心能源與建筑環(huán)境研究所（三所）計(jì)算人：核對(duì)人：審核人：報(bào)告日期：2011-07-18一、項(xiàng)目概述21.1 項(xiàng)目概

2、況21.2 項(xiàng)目氣象資料31.3 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)31.4 參考依據(jù)3二、技術(shù)路線(xiàn)52.1 分析方法52.2 集合建模及網(wǎng)格劃分52.3 邊界條件的處理及控制方程的選取72.3.1 來(lái)流風(fēng)速分布72.3.2 平均風(fēng)速的指數(shù)律分布72.3.3 出流面的邊界條件72.3.4 壁面的邊界條件72.3.5 控制方程的選取8三、模擬結(jié)果93.1 夏季工況93.1.1 風(fēng)速評(píng)價(jià)93.1.2 風(fēng)壓評(píng)價(jià)103.2 冬季工況113.2.1 風(fēng)速評(píng)價(jià)113.2.2 風(fēng)壓評(píng)價(jià)12四、結(jié)論13一、項(xiàng)目概述1.1 項(xiàng)目概況淮安市城市博物館，圖書(shū)館，文化館及美術(shù)館，位于江蘇省淮安市生態(tài)商務(wù)新城，總建筑面積約為60929平方米，地

3、上建筑面積44168平方米，地下建筑面積16761平方米，。其中圖書(shū)館，文化館及美術(shù)館為公共建筑，建筑面積各為24288平方米；9322平方米和10558平方米，地下面積為16761平方米。圖書(shū)館建筑高度約為34米；分地上5層和地下1層，文化館建筑高度約為22米；分地上3層和地下1層，美術(shù)館建筑高度約為24米；分地上4層和地下1層；本研究的目的是對(duì)淮安市城市博物館 圖書(shū)館 文化館及美術(shù)館的室外自然通風(fēng)狀況進(jìn)行模擬，計(jì)算其室外的通風(fēng)效果，以評(píng)價(jià)其是否滿(mǎn)足綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的要求。圖1-1淮安市城市博物館 圖書(shū)館 文化館及美術(shù)館建筑設(shè)計(jì)效果圖圖1-2 淮安市城市博物館 圖書(shū)館 文化館及美術(shù)館平面布置

4、圖1.2 項(xiàng)目氣象資料淮安市地處南暖溫帶和北亞熱帶的過(guò)渡地區(qū)，兼有南北氣候特征，季風(fēng)氣候典型。冬季受冷高壓控制，西北風(fēng)及東北風(fēng)占一半以上；春季是冬夏季風(fēng)轉(zhuǎn)換季節(jié)，盛行風(fēng)向?yàn)闁|南風(fēng)，約占1/3，夏季受副熱帶高壓和印度熱低壓的共同作用，東南風(fēng)的頻率占2/5以上。因此，本項(xiàng)目研究夏季主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|南風(fēng)，主導(dǎo)風(fēng)速3m/s；冬季主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|北風(fēng)，主導(dǎo)風(fēng)速2.5m/s。1.3 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)本報(bào)告主要對(duì)淮安市城市博物館 圖書(shū)館 文化館及美術(shù)館的室外自然通風(fēng)狀況進(jìn)行模擬分析。綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 503782006第5.1.7條、5.2.6條、5.2.7條、5.5.7條對(duì)自然通風(fēng)的評(píng)價(jià)要求如下：第5.1.7條規(guī)

5、定“建筑物周?chē)诵袇^(qū)風(fēng)速低于5m/s,不影響室外活動(dòng)的舒適性和建筑通風(fēng)。”（一般項(xiàng)）第5.2.6條規(guī)定“建筑總平面設(shè)計(jì)有利于冬季日照并避開(kāi)冬季主導(dǎo)風(fēng)向，夏季利于自然通風(fēng)?！保ㄒ话沩?xiàng)）第5.2.7條規(guī)定“建筑外窗可開(kāi)啟面積不小于外窗總面積的30%，建筑幕墻具有可開(kāi)啟部分或設(shè)有通風(fēng)換氣裝置。”（一般項(xiàng)）第5.5.7條規(guī)定“建筑設(shè)計(jì)和構(gòu)造設(shè)計(jì)有促進(jìn)自然通風(fēng)的措施。”（一般項(xiàng)）1.4 參考依據(jù)綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50378-2006綠色建筑評(píng)價(jià)技術(shù)細(xì)則民用建筑設(shè)計(jì)通則GB 50352-2005采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范GB 50019-2003中等熱環(huán)境PMV和PPD指數(shù)的測(cè)定及熱舒適條件的規(guī)定

6、GB/T 18049-2000委托方提供的國(guó)家開(kāi)發(fā)銀行蘇州軟件開(kāi)發(fā)中心的建筑總平面圖、建筑設(shè)計(jì)圖紙等圖紙資料委托方提供的其他相關(guān)資料二、技術(shù)路線(xiàn)本報(bào)告主要針對(duì)淮安市博物館 圖書(shū)館 文化館及美術(shù)館進(jìn)行室外自然通風(fēng)狀況模擬分析。2.1 分析方法本研究的方法采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）分析方法，計(jì)算軟件采用目前較為流行的PHOENICS軟件的FLAIR模塊。CFD 通用軟件以其模擬復(fù)雜流動(dòng)現(xiàn)象的強(qiáng)大功能、人機(jī)對(duì)話(huà)式的界面操作以及直觀清晰的流場(chǎng)顯示引起了人們的廣大關(guān)注。計(jì)算流體力學(xué)在20 世紀(jì)80 年代左右取得了不少重大進(jìn)展，多層網(wǎng)格與殘差光順等加速收斂技術(shù)有效地減少了三維流動(dòng)模擬的巨大計(jì)算工作量，而

7、在低速不可壓流動(dòng)方面，利用人工可壓縮性方法與壓力校正法等對(duì)納維爾斯托克斯方程組（N-S 方程組）的直接求解取代了局限性很大的流函數(shù)渦量法等傳統(tǒng)解法，從而促進(jìn)了CFD 技術(shù)向流體傳熱、多相流、燃燒與化學(xué)反應(yīng)等領(lǐng)域迅速擴(kuò)展與深入。這些進(jìn)展也為通用軟件的發(fā)展奠定了良好的理論基礎(chǔ)。雖然 CFD 軟件種類(lèi)繁多，但其結(jié)構(gòu)基本一致，由前處理器（Preprocessor）、求解器（Solver）及后處理器（Post-processor）等三大模塊組成。各模塊的作用，分別表述如下。前處理器：建立描述問(wèn)題的幾何模型（或者由CAD 等其它軟件建立并導(dǎo)入），確定控制方程（如N-S 方程、湍流模型）、離散方法、計(jì)算方法

8、（如SIMPLE、MAC），輸入各種必需的參數(shù)（如初始條件、邊界條件、松弛因子、物性參數(shù)等），并生成網(wǎng)格。求解器：CFD 的核心，將前處理器建立的系統(tǒng)進(jìn)行迭代求解，并輸出計(jì)算結(jié)果。后處理器：給出所計(jì)算參數(shù)（如溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)及濃度場(chǎng)等）的可視化結(jié)果及動(dòng)畫(huà)處理。PHOENICS軟件推出的FLAIR模塊是英國(guó)CHAM公司針對(duì)建筑及暖通空調(diào)專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)的CFD專(zhuān)用模塊。在原有FLAIR模塊的基礎(chǔ)上，新版本FLAIR增加了大量HVAC專(zhuān)業(yè)的相關(guān)內(nèi)容，具有更強(qiáng)的專(zhuān)業(yè)性。2.2 集合建模及網(wǎng)格劃分利用CFD 對(duì)建筑風(fēng)環(huán)境進(jìn)行評(píng)價(jià)分析后，建筑幾何模型建立以及計(jì)算區(qū)域的網(wǎng)格劃分非常重要。建筑的幾何形狀會(huì)影響

9、局部的網(wǎng)格質(zhì)量，為了避免個(gè)別建筑物的不規(guī)則幾何形態(tài)而引起的局部網(wǎng)格質(zhì)量的下降，對(duì)建筑物的幾何形狀進(jìn)行簡(jiǎn)化處理顯得非常必要。另外，對(duì)計(jì)算區(qū)域的選擇也十分關(guān)鍵。由于風(fēng)場(chǎng)作用的范圍較大，因此計(jì)算區(qū)域應(yīng)選的較大，但過(guò)分地增大計(jì)算區(qū)域，會(huì)大大加大計(jì)算的成本。合理的選擇計(jì)算區(qū)域?qū)⒂兄跍p少計(jì)算量。本研究中，我們參照建筑平面圖進(jìn)行幾何建模，模型如圖2-1所示。本研究主要針對(duì)建筑室外自然通風(fēng)狀況進(jìn)行模擬分析，計(jì)算區(qū)域選擇是能夠使區(qū)域內(nèi)氣流充分發(fā)展，我們參照建筑平面圖進(jìn)行幾何建模，采用PHOENICS獨(dú)特的網(wǎng)格處理技術(shù)即PARSOL技術(shù)，對(duì)導(dǎo)入的CAD圖形進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2-2所示。圖2-1 建筑

10、區(qū)域模型圖圖2-2計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格圖（俯視）2.3 邊界條件的處理及控制方程的選取利用CFD 技術(shù)對(duì)室外風(fēng)環(huán)境模擬時(shí)，確定合理的邊界條件是保證模擬計(jì)算結(jié)果正確的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。為了讓區(qū)域的模擬比較接近真實(shí)情況，對(duì)建筑所處的地理位置的風(fēng)速與風(fēng)向進(jìn)行分析。利用風(fēng)玫瑰圖，給出頻率最多的風(fēng)速風(fēng)向情況，確定為當(dāng)?shù)仄骄L(fēng)速，作為模擬區(qū)域的輸入條件。2.3.1 來(lái)流風(fēng)速分布當(dāng)氣流穿過(guò)不同的地區(qū)和地形帶（如海洋、陸地、平原、山地、森林、城市等）時(shí)，會(huì)產(chǎn)生摩擦力而使風(fēng)的能量減少，風(fēng)速降低，其本身的結(jié)構(gòu)（如湍流度、旋渦尺度等）也發(fā)生變化。其變化的程度隨著距離高度的增加而降低，直到達(dá)到一定高度時(shí)，地面粗糙度的影響可以忽略

11、，這一層受到地球表面摩擦力影響的大氣層成為大氣邊界層。大氣邊界層的高度隨著氣象條件、地形和地面粗糙度的不同而有差異，一般情況下地面以上300 米（不超過(guò)1000 米）范圍內(nèi)均屬于大氣邊界層的范圍，所以這個(gè)范圍以上風(fēng)速才不受地表的影響，可以在大氣梯度的作用下自由流動(dòng)。2.3.2 平均風(fēng)速的指數(shù)律分布 在大氣邊界層中，平均風(fēng)速隨高度發(fā)生變化，其變化規(guī)律稱(chēng)為風(fēng)剪切或風(fēng)速廓線(xiàn)。目前多數(shù)國(guó)家都采用經(jīng)驗(yàn)的指數(shù)分布來(lái)描述近地層中平均風(fēng)速隨高度的變化，我國(guó)的建筑規(guī)范也采用指數(shù)律分布。風(fēng)速廓線(xiàn)的指數(shù)律分布可以表示為： （2-1）式中：UZ為高度Z處的水平方向風(fēng)速；U0為參考高度 z0處的風(fēng)速；m為由地形粗糙度所

12、決定的冪指數(shù)。參照建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范GB50009，本文中的地形粗糙度m取值為0.3。2.3.3 出流面的邊界條件假定出流面上的流動(dòng)已充分發(fā)展，流動(dòng)已恢復(fù)為無(wú)建筑物阻礙時(shí)的正常流動(dòng)，故其出口邊界采用局部單向化處理。2.3.4 壁面的邊界條件建筑物表面采用壁面函數(shù)法進(jìn)行處理。2.3.5 控制方程的選取考慮到建筑周?chē)目諝饬鲃?dòng)一般屬于不可壓縮的低速湍流，符合Boussinesq假設(shè)，且氣流與建筑物的接觸形成限制流，而標(biāo)準(zhǔn)模型對(duì)于限制流(有壁面約束)具有較好的效果，并且標(biāo)準(zhǔn)模型計(jì)算成本低、預(yù)測(cè)較為準(zhǔn)確。本文選用Realizable模型（適用于類(lèi)似室內(nèi)通風(fēng)的中等渦的復(fù)雜剪切流動(dòng)）對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行模擬求解。本

13、文主要考慮的為不可壓縮的流動(dòng)問(wèn)題，其控制方程主要有以下幾個(gè)：連續(xù)性方程： （2-2）動(dòng)量方程： （2-3）湍流動(dòng)能方程： （2-4）耗散率方程： （2-5）三、模擬結(jié)果3.1 夏季工況3.1.1 風(fēng)速評(píng)價(jià)圖3-1在3.0 m/s的東南風(fēng)場(chǎng)下，淮安市博物館 圖書(shū)館 文化館及美術(shù)館的室外1.5米高度處的風(fēng)速云圖。如圖中所示，室外最低風(fēng)速出現(xiàn)在所有建筑物的背風(fēng)處，平均風(fēng)速約為0.5 m/s，最高風(fēng)速出現(xiàn)在城市博物館的東北外墻處，約為3.5 m/s。各樓間的風(fēng)速較低，約為0.8 m/s，這主要是因?yàn)榻ㄖ驗(yàn)闁|南方向。其他計(jì)算建筑周邊人行區(qū)域流場(chǎng)分布均勻，基本無(wú)渦流形成，整體通風(fēng)狀況良好。建筑周邊人行

14、區(qū)域的風(fēng)速基本在3.0 m/s以?xún)?nèi)，小于5 m/s。從上述分析得出，在3.0 m/s的東南風(fēng)場(chǎng)下，建筑室外絕大部分區(qū)域在人行高度1.5米處的風(fēng)速環(huán)境沒(méi)有超過(guò)綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的5.0m/s。因此，我們認(rèn)為在3.0 m/s的東南風(fēng)場(chǎng)下，建筑的室外風(fēng)環(huán)境在舒適度要求的范圍之內(nèi)。圖3-1夏季風(fēng)速云圖（1.5米高度處）3.1.2 風(fēng)壓評(píng)價(jià)圖3-2在3.0 m/s的東南風(fēng)場(chǎng)下，淮安市博物館 圖書(shū)館 文化館及美術(shù)館室外1.5米高度處的風(fēng)壓云圖。由圖可見(jiàn)，建筑樓群的東南面風(fēng)壓大約為-1 Pa-5Pa，最大風(fēng)壓分布在建筑物的背風(fēng)面，即城市博物館的西北面，約為12 Pa。最小風(fēng)壓分布在建筑樓群的東北側(cè)和西南

15、側(cè)，約為-5 Pa。因此，在東南風(fēng)場(chǎng)下，建筑東南部及西北部表面的風(fēng)壓情況為該區(qū)域在夏季非空調(diào)時(shí)段利用自然通風(fēng)創(chuàng)造了有利條件，受到兩側(cè)風(fēng)壓的影響，建筑中部在夏季非空調(diào)時(shí)段也能獲得較好的自然通風(fēng)能力，而建筑北部在夏季非空調(diào)時(shí)段的自然通風(fēng)較弱，但仍能滿(mǎn)足房間自然通風(fēng)的要求。圖3-2 夏季風(fēng)壓云圖（1.5米高度處）3.2 冬季工況3.2.1 風(fēng)速評(píng)價(jià)圖3-4在2.5 m/s的東北風(fēng)場(chǎng)下，淮安市博物館 圖書(shū)館 文化館及美術(shù)館室外1.5米高度處的風(fēng)速云圖。如圖中所示，室外最低風(fēng)速出現(xiàn)在所有建筑物的背風(fēng)處，最低風(fēng)速接近0.5 m/s。最高風(fēng)速出現(xiàn)在兩棟建筑中間部分和拐角處，如博物館和圖書(shū)館的中間部分和美術(shù)館

16、的東南面，大約為4m/s。計(jì)算建筑周邊人行區(qū)域流場(chǎng)分布均勻，基本無(wú)渦流形成，整體通風(fēng)狀況良好。建筑周邊人行區(qū)域的風(fēng)速基本在3.0 m/s以?xún)?nèi)，小于5 m/s。從上述分析得出，在2.5 m/s的西北風(fēng)場(chǎng)下，建筑室外絕大部分區(qū)域在人行高度1.5米處的風(fēng)速環(huán)境沒(méi)有超過(guò)綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的5.0 m/s。因此，我們認(rèn)為在2.5 m/s的西北風(fēng)場(chǎng)下，建筑的室內(nèi)外風(fēng)環(huán)境在舒適度要求的范圍之內(nèi)。圖3-4 冬季風(fēng)速云圖（1.5米高度處）3.2.2 風(fēng)壓評(píng)價(jià)圖3-5在2.5 m/s的東北風(fēng)場(chǎng)下，淮安市博物館 圖書(shū)館 文化館及美術(shù)館室外1.5米高度處的風(fēng)壓云圖。分析建筑物冬季各面的風(fēng)壓就可以分析出冬季建筑的滲

17、透冷風(fēng)情況。由圖可見(jiàn)，最大風(fēng)壓分布在建筑物的東南面，即美術(shù)館的正面為-5Pa。建筑物東北面風(fēng)壓在-25 Pa-6Pa的范圍之內(nèi)，最小風(fēng)壓分布在博物館和圖書(shū)館之間，約為-30Pa。因此，在東北風(fēng)場(chǎng)下建筑的迎風(fēng)面及拐角處的房間，受到兩側(cè)風(fēng)壓的影響，容易引起建筑室內(nèi)的冷風(fēng)滲透，所以在建筑設(shè)計(jì)過(guò)程中要注意這些房間的門(mén)窗密閉性。圖3-5冬季風(fēng)壓云圖（1.5米高度處）四、結(jié)論本報(bào)告通過(guò)對(duì)淮安市博物館 圖書(shū)館 文化館及美術(shù)館的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析并通過(guò)模擬計(jì)算可得以下結(jié)論：1、淮安市博物館 圖書(shū)館 文化館及美術(shù)館的建筑外窗可開(kāi)啟面積大于外窗總面積的30%，建筑物周?chē)诵袇^(qū)風(fēng)速低于5 m/s，滿(mǎn)足綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 503782006