1、 建筑學報6ACDEMIC ARTICAL ISSUE風環境設計對建筑節能影響的分析與研究ANALYSISANDRESEARCHOFDESIGNOFWINDENVIRONMENTIMPACTOFBUILDINGENERGY C O N S E R V A T I O N錢鋒1楊麗2Qian Feng , Yang Li摘要/使用FluentAir-pak 軟件,以同濟大學文遠樓為例,進行室內自然通風的定量流場分析,提供作為建筑優化設計重要內容的風環境設計方法和原理。關鍵詞/自然通風計算流體力學節能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自然通風是一種古老、節能的通風方法。它是改善室內空氣品質

4、的最基本方法,也是增強室內熱舒適的方法之一,更是減低建筑空調負荷的免費措施之一。在傳統的建筑設計中,建筑師考慮更多的是建筑物的功能和形態,對建筑節能的考慮多半是根據建筑師的設計經驗。真正量化的設計與分析是節能工程問題,因此在設計階段往往容易被忽視。本文旨在探索一種設計與建筑節能工程分析相結合的思路與方法,進行建筑節能優化設計實踐。計算流體力學(ComputationalFluidDynamics,CFD為建筑節能優化設計提供了一種方法,是在預測和評價建筑設計階段,對室內通風與污染狀態進行分析的方法和手段。但是由于往往建筑內房間數量眾多,且形式錯綜復雜,C F D 計算量巨大,計算時間長。因此在

5、利用該技術進行分析時必須進行必要的技術分析和模型簡化。本文以同濟大學文遠樓為研究對象進行具體分析。文遠樓于1953年建成,總建筑面積5050m 2,是典型的3層不對稱錯層式的鋼筋混凝土框架結構建筑。2007年5月同濟大學百年校慶之前作為建筑節能示范工程改造完工。1自然通風設計風環境是空氣流在建筑內外空間的流動狀況及其對建筑使用的 影響,是建筑環境設計中的一項重要內容。在以往的建筑物理研究發展中,風環境在一定程度上被忽視了。在自然環境日益受到重視的今天,自然通風對于人體舒適度和建筑節能的作用顯得尤為重要。室內風環境設計的目的有兩個:其一是控制室內空氣品質;其二是解決夏季或過渡季節的熱舒適性問題,

6、以取代或部分取代空調,從而達到降低能耗的目的。風環境設計分為自然通風和機械通風,自然通風以其節能無污染的特點具備積極的意義。自然通風的形成是靠熱壓(溫差和風壓。雖然其風速和風向不可預測,但由于具有節能、維護方便及保養費用低等優點1,所以自然通風是調節室內小氣候優先使用的方法。改造后的文遠樓使用了熱壓通風和上懸式的外圍護結構的開窗方式來利用自然通風2。1.1熱壓通風熱壓通風又稱煙囪通風,與風壓通風相比,熱壓通風更能適應常變的外部風環境,熱壓通風的原理如圖1所示。熱壓通風系統不僅能創造熱舒適,減少空調的使用,同時還可以減少“建筑綜合癥”發生的可能3。在夏季早晨,夜間冷卻了的“煙囪”從室外吸入較熱的

7、空氣,這種逆向煙囪效應能使室內獲得舒適的空氣流動。當“煙囪”內不斷升溫,其作用又反饋回來,涼爽的室外空氣又被利用起來。文遠樓的生態節能改造就充分利用自然通風技術,外立面門窗的上懸窗設計、室內豎向通風井都為文遠樓提供了良好的自然國家自然科學青年基金項目(70673069;中國博士后基金項目(20080440642作者單位:1同濟大學城市發展與公共政策研究所(上海,2000922上海市規劃和國土資源管理局(上海,200003收稿日期:2009-02-031熱壓作用下的自然通風2上懸和下懸式的開窗方式 7 建筑學報8ACDEMIC ARTICAL ISSUE 再從教室內側的窗洞口處排出,風速逐漸加大

8、,由于室內上層空氣的運動,帶動下層空氣隨之運動,從而達到改善整個空氣品質的效果。在走廊上部排氣口風速達到最大,在走廊下層由于上層空氣快速流動,下層空氣也隨之形成了一個低速渦旋,改善走廊的通風效果,并且不會對內部的行人造成任何不適(圖10、11。通過上述模擬實驗,我們對不同高度層面的空氣速度場和空氣齡分布狀況進行了定量的直觀模擬,對改造后的文遠樓自然通風原理有了一個全面且更直觀的認識。在室外溫度適宜的春秋或者初夏時節,利用大樓自身的自然通風,可以有效的降低室內溫度,提高熱舒適性,并改善空氣品質9,降低空調的能耗,最終達到節能的目的。圖12為文遠樓一年中各月份空調使用情況表,在某些特殊的時段如5月

9、下旬和10月上旬,即圖中橫陰影線表達的區域,在未充分利用自然通風情況下需要開啟空調來保持舒適度,而如果充分利用自然通風,則可以在該時段減少空調的使用10。圖12中橫陰影線表達區域的面積除以總的面積即為利用自然通風可能達到的節能效果,大概為9%左右。3結論本文通過采用自然通風來進行直觀定量的節能分析方式,為建筑節能探索出一條有效的技術方案。在以后的設計中我們可以利用計算流體力學軟件FluentAir-Pak 模擬分析以優化設計,使其達到理想的功效。選擇自然通風系統,需要把建筑看成是有生命的有機體,與氣候和諧共處,與建筑使用者的要求相適應。雖然與一些發達國家相比,綠色建筑自然通風系統在我國還處于起

10、步階段,但隨著節能需求的日益迫切,生態、綠色概念的深入人心以及從“以人為本”到“以環境為中心”的認識思想的轉變11,利用自然通風系統的綠色建筑勢必會如雨后春筍般地涌現出來。參考文獻1錢峰,朱亮.文遠樓歷史建筑保護及再利用J.建筑學報,2008(3:76-79.2錢峰,魏巍,曲翠松.同濟大學文遠樓改選工程J.時代建筑,2008(3:56-61.3曲翠松.歷史保護建筑的生態節能更新同濟大學文遠樓改造工程J.城市建筑,2007(8:16-17.4鄒德儂.文化底蘊,流傳久遠再讀“文遠樓”J.時代建筑,1999(1:59-61.5韓松,郭斌.建筑自然通風之溫度效應J.建筑節能,2008(9:18-22.

11、6張金萍,李安桂.自然通風的研究應用現狀與問題探討J.暖通空調,2005(8:32-38.7閔劍青,徐梓斌.多元通風的室內溫度場和空氣品質的數值分析J.流體機械,2006(12:29-33.8張志強,王昭俊,廉樂明.住宅建筑室內熱環境的數值模擬研究J.建筑熱能通風空調,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