风环境设计对建筑节能影响的分析与研究_图文

1、 建筑学报6ACDEMIC ARTICAL ISSUE风环境设计对建筑节能影响的分析与研究ANALYSISANDRESEARCHOFDESIGNOFWINDENVIRONMENTIMPACTOFBUILDINGENERGY C O N S E R V A T I O N钱锋1杨丽2Qian Feng , Yang Li摘要/使用FluentAir-pak 软件,以同济大学文远楼为例,进行室内自然通风的定量流场分析,提供作为建筑优化设计重要内容的风环境设计方法和原理。关键词/自然通风计算流体力学节能FluentAir-pakABSTRACT/ Energy conservation in Bui

2、lding is the most important goal for green architecture design, natural ventilation is a technique adapt to the environment, compared with air conditioning,it can reduce the energy consumption and bring new air indoor at the same time. But in traditional research, air environment was been ignored so

3、metimes. This time we using Fluent Air-Pak software to simulate the filed of indoor natural ventilation in wen yuan building. To research the Principle of natural ventilation.KEY WORDS/ natural ventilation, Computational Fluid Dynamics, energy conservation, Fluent Air-pak自然通风是一种古老、节能的通风方法。它是改善室内空气品质

4、的最基本方法,也是增强室内热舒适的方法之一,更是减低建筑空调负荷的免费措施之一。在传统的建筑设计中,建筑师考虑更多的是建筑物的功能和形态,对建筑节能的考虑多半是根据建筑师的设计经验。真正量化的设计与分析是节能工程问题,因此在设计阶段往往容易被忽视。本文旨在探索一种设计与建筑节能工程分析相结合的思路与方法,进行建筑节能优化设计实践。计算流体力学(ComputationalFluidDynamics,CFD为建筑节能优化设计提供了一种方法,是在预测和评价建筑设计阶段,对室内通风与污染状态进行分析的方法和手段。但是由于往往建筑内房间数量众多,且形式错综复杂,C F D 计算量巨大,计算时间长。因此在

5、利用该技术进行分析时必须进行必要的技术分析和模型简化。本文以同济大学文远楼为研究对象进行具体分析。文远楼于1953年建成,总建筑面积5050m 2,是典型的3层不对称错层式的钢筋混凝土框架结构建筑。2007年5月同济大学百年校庆之前作为建筑节能示范工程改造完工。1自然通风设计风环境是空气流在建筑内外空间的流动状况及其对建筑使用的 影响,是建筑环境设计中的一项重要内容。在以往的建筑物理研究发展中,风环境在一定程度上被忽视了。在自然环境日益受到重视的今天,自然通风对于人体舒适度和建筑节能的作用显得尤为重要。室内风环境设计的目的有两个:其一是控制室内空气品质;其二是解决夏季或过渡季节的热舒适性问题,

6、以取代或部分取代空调,从而达到降低能耗的目的。风环境设计分为自然通风和机械通风,自然通风以其节能无污染的特点具备积极的意义。自然通风的形成是靠热压(温差和风压。虽然其风速和风向不可预测,但由于具有节能、维护方便及保养费用低等优点1,所以自然通风是调节室内小气候优先使用的方法。改造后的文远楼使用了热压通风和上悬式的外围护结构的开窗方式来利用自然通风2。1.1热压通风热压通风又称烟囱通风,与风压通风相比,热压通风更能适应常变的外部风环境,热压通风的原理如图1所示。热压通风系统不仅能创造热舒适,减少空调的使用,同时还可以减少“建筑综合症”发生的可能3。在夏季早晨,夜间冷却了的“烟囱”从室外吸入较热的

7、空气,这种逆向烟囱效应能使室内获得舒适的空气流动。当“烟囱”内不断升温,其作用又反馈回来,凉爽的室外空气又被利用起来。文远楼的生态节能改造就充分利用自然通风技术,外立面门窗的上悬窗设计、室内竖向通风井都为文远楼提供了良好的自然国家自然科学青年基金项目(70673069;中国博士后基金项目(20080440642作者单位:1同济大学城市发展与公共政策研究所(上海,2000922上海市规划和国土资源管理局(上海,200003收稿日期:2009-02-031热压作用下的自然通风2上悬和下悬式的开窗方式 7 建筑学报8ACDEMIC ARTICAL ISSUE 再从教室内侧的窗洞口处排出,风速逐渐加大

8、,由于室内上层空气的运动,带动下层空气随之运动,从而达到改善整个空气品质的效果。在走廊上部排气口风速达到最大,在走廊下层由于上层空气快速流动,下层空气也随之形成了一个低速涡旋,改善走廊的通风效果,并且不会对内部的行人造成任何不适(图10、11。通过上述模拟实验,我们对不同高度层面的空气速度场和空气龄分布状况进行了定量的直观模拟,对改造后的文远楼自然通风原理有了一个全面且更直观的认识。在室外温度适宜的春秋或者初夏时节,利用大楼自身的自然通风,可以有效的降低室内温度,提高热舒适性,并改善空气品质9,降低空调的能耗,最终达到节能的目的。图12为文远楼一年中各月份空调使用情况表,在某些特殊的时段如5月

9、下旬和10月上旬,即图中横阴影线表达的区域,在未充分利用自然通风情况下需要开启空调来保持舒适度,而如果充分利用自然通风,则可以在该时段减少空调的使用10。图12中横阴影线表达区域的面积除以总的面积即为利用自然通风可能达到的节能效果,大概为9%左右。3结论本文通过采用自然通风来进行直观定量的节能分析方式,为建筑节能探索出一条有效的技术方案。在以后的设计中我们可以利用计算流体力学软件FluentAir-Pak 模拟分析以优化设计,使其达到理想的功效。选择自然通风系统,需要把建筑看成是有生命的有机体,与气候和谐共处,与建筑使用者的要求相适应。虽然与一些发达国家相比,绿色建筑自然通风系统在我国还处于起

10、步阶段,但随着节能需求的日益迫切,生态、绿色概念的深入人心以及从“以人为本”到“以环境为中心”的认识思想的转变11,利用自然通风系统的绿色建筑势必会如雨后春笋般地涌现出来。参考文献1钱峰,朱亮.文远楼历史建筑保护及再利用J.建筑学报,2008(3:76-79.2钱峰,魏巍,曲翠松.同济大学文远楼改选工程J.时代建筑,2008(3:56-61.3曲翠松.历史保护建筑的生态节能更新同济大学文远楼改造工程J.城市建筑,2007(8:16-17.4邹德侬.文化底蕴,流传久远再读“文远楼”J.时代建筑,1999(1:59-61.5韩松,郭斌.建筑自然通风之温度效应J.建筑节能,2008(9:18-22.

11、6张金萍,李安桂.自然通风的研究应用现状与问题探讨J.暖通空调,2005(8:32-38.7闵剑青,徐梓斌.多元通风的室内温度场和空气品质的数值分析J.流体机械,2006(12:29-33.8张志强,王昭俊,廉乐明.住宅建筑室内热环境的数值模拟研究J.建筑热能通风空调,2004(5:88-92.9FredBauman,TomWebster.OutlookforundernoorairdistributionJ.ASHRAEJournal,2001(6:18-27.10MatsunawaK,1izukaH,TanabeS,Developmentandapplicationofanunderfloorair-conditioningsystemwithimprovedoutletsfor “smart”buildinginTokyoJ.ASHRAETransactions,1995(2:887-901.11GLADSTONEC,WOODSAW.Onbuoyancy drivennaturalventilationofaroomwithah