CFD模拟技术在绿色建筑设计中的运用

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[摘要] 计算流体力学（cfd）模拟技术越来越多地在建筑工程中被运用。以北海市第二人民医院医技住院楼工程为例，重点介绍了计算流体力学（CFD）模拟技术在绿色建筑设计中的应用。

[关键词] 绿色建筑；CFD模拟技术；室外风环境；自然通风

中图分类号： TU 文献标识码： A

计算流体力学(Computational Fluid Dynamics，简称CFD)是基于计算机技术的一种数值计算工具，用于求解流体的流动和传热问题。CFD 计算相对于实验研究，具有成本低、速度快、周期短、效率高，可以模拟真实及理想条件，后处理技术较完善，便于分析计算结果等优点。CFD模拟计算最早用于航空航天事业，近年来，CFD 开始越来越多地应用到建筑工程中。

随着国家政府可持续发展战略的逐步实施，以及国家对节能和环保等问题的高度重视，建筑界开始广泛关注绿色建筑的设计和研究。CFD模拟技术在绿色建筑设计方面的应用也逐渐增多。本项目通过应用CFD模拟技术，对项目进行了数值模拟分析，为项目的绿色建筑设计提供了相关数据。

1、项目概况

北海市第二人民医院整体搬迁工程的建设规模为三级甲等医院。项目位于北海市上海南路与新世纪大道交汇的西北角，南临新世纪大道，东面为上海路， 西侧为规划道路（未建）。项目的总用地面积为96065.93㎡。

本次绿色建筑示范部分为住院楼、门诊医技楼及地下室,建筑面积为93070㎡（包括住院楼、门诊医技楼、地下室，以下简称医技住院楼）。建筑采用南北朝向，有利于自然通风采光并减少能耗，院落式格局， 可以改善医院附近的小气候，降低医院内的平均气温， 以达到节能减排的目的。

图 1北海市第二人民医院整体搬迁一期工程效果图

2、北海市气候状况

建筑的绿色设计，离不开对其所在环境自然气候的了解和充分利用。北海地处亚热带，气候温暖湿润，空气清新。冬无严寒，夏无酷暑，温、光、雨源充沛，气候宜人。年平均气温22.9℃，极端最高温度37.1℃，极端最低温度2℃。年平均降雨量1670毫米。年平均日照时数2009小时，年平均太阳总辐射111千卡/平方厘米。

3、场地规划及单体设计

本项目的绿色建筑技术实施分为绿色建筑设计、绿色建筑施工和绿色建筑运营管理。其中，CFD模拟技术主要应用于绿色建筑设计阶段，对整个项目的方案设计起指导作用。

项目用地范围内较为平坦，无其它影响建设的建筑物和构筑物，也无影响建设的特殊地形和地貌，因此建筑自身的体量与布置就成了场地设计主要考虑的因素。

3.1室外风环境模拟分析：

设计采用计算流体力学(CFD)模拟技术对北海市第二人民医院医技住院楼项目室外风环境进行模拟，通过CFD模拟软件PHOENICS VR的FLAIR模块进行计算分析。报告中综合考虑风速、风压和空气龄三个因素，对北海市第二人民医院医技住院楼项目周边的风环境状况进行分析评价，从而综合考虑建筑单体及周边整体环境的设计。

室外环境分析结论：

室外风环境模拟分夏季、冬季平均风速2个工况对建筑周边人行区域风环境的舒适性、室内自然通风的可行性、冬季防风进行分析。

根据设计方案在设计软件内模拟建筑形体及建筑周边环境，并依据北海夏季和冬季的主导风向及风速分别对模型进行参数设置。截取1.5 m高度处风速、风压、空气龄进行分析，主要说明规划区风速大小及相对变化情况。（详见图2）得出以下结论：

舒适性

夏季、冬季平均风速条件下，北海市第二人民医院医技住院楼周边人行区域的风速均小于5 m/s，风速放大系数夏季为2.53，冬季为3.03，符合行人舒适性要求。

夏季、冬季平均风速条件下北海市第二人民医院医技住院

图2

楼局部存在循环流，无明显滞风现象，不至影响项目周边环境质量。

自然通风

夏季主导风向条件下北海市第二人民医院医技住院楼前后压差基本处于4～6 Pa之间，室内可利用自然通风。

防风节能

冬季主导风向条件下北海市第二人民医院医技住院楼前后压差基本处于2Pa左右，有利于防风节能。

达标判断

北海市第二人民医院医技住院楼的朝向为南偏东16.56°，与广西当地主导朝向基本相符。基本满足《绿色建筑评价标准》GB/T 50378-2006第5.2.6条一般项：“建筑总平面设计有利于冬季日照并避开冬季主导风向，夏季利于自然通风”中关于建筑朝向的相关要求。

夏季、冬季平均风速条件下北海市第二人民医院医技住院楼周边人行区域距地1.5 m高度处风速均小于5 m/s，风速放大系数夏季为2.53，冬季为3.03，无明显滞风现象，符合《绿色建筑评价标准》GB/T 50378-2006第5.1.7条一般项要求“建筑周围人行区风速低于5 m/s，不影响室外活动的舒适性和建筑通风”。

3.2室内自然通风模拟分析：

3.2.1模拟概述

自然通风是在压差推动下的空气流动，根据压差形成的机理，自然通风可以分为风压作用下的通风和热压作用下的通风。

在具有良好的外部风环境的地区，风压可作为实现自然通风的主要手段。风洞试验表明：当风吹向建筑时，因受到建筑的阻挡，会在建筑的迎风面产生正压。而当气流绕过建筑的各个侧面及背面，会在相应位置产生负压。风压通风就是利用建筑的迎风面和背风面之间的压力差实现空气的流通。压力差的大小与建筑的形式、建筑与风的夹角以及建筑周围的环境有关。当风垂直吹向建筑的正立面时，迎风面中心处正压最大，在屋角和屋脊处负压最大。

根据项目室外风环境模拟结果可知，北海市第二人民医院医技住院楼各季节的建筑前后压差都较大，故本项目主要考虑风压通风，通过设置外窗开启扇实现被动式通风节能。

3.2.2模型简化分析

住院楼因整体采用机械通风换气系统，所以不在本次分析范围内。本项目主要分析门诊医技楼各层采用自然通风的主要房间与空间，其他如机械通风房间、机械通风区域、楼梯间、卫生间、机房等非主要功能空间不在本次分析范围内。

（1）分析根据本项目之前做的室外风环境模拟结果，选取夏季、冬季平均风速两个工况的模拟结果设置边界条件（详见图3）

图3

经统计，北海市第二人民医院整体搬迁一期工程项目建筑整体区域夏季的通风换气效率约为4.24～24次/h之间，大于2 次/h，满足在自然通风条件下保证主要功能房间换气次数不低于2 次/h的要求。大部分区域换气次数在12次/h左右，室内换气次数相对理想，通风效果相对较好。在冬季，室内的通风换气效率约为5.14～36次/h之间，大于2 次/h，满足在自然通风条件下保证主要功能房间换气次数不低于2 次/h的要求。大部分区域换气次数在12次/h左右，室内换气次数相对理想，通风效果相对较好。

（2）结论

通过对北海市第二人民医院整体搬迁一期工程项目在夏季和冬季主导风向平均风速条件下的室内自然通风状况模拟，得出结论如下：

北海市第二人民医院整体搬迁一期工程项目建筑形体较为规整，通风口分布较均匀，自然通风效果较好。

在夏季和冬季主导风向平均风速条件下北海市第二人民医院整体搬迁一期工程项目所有通风口均开启的时，室内整体区域的风速小于1.4 m/s。

在夏季和冬季主导风向平均风速条件下，当北海市第二人民医院整体搬迁一期工程项目所有通风口均开启时，大部分自然通风功能空间的空气龄都在300s左右，换气效率较高，局部通风口周围换气效率很高，自然通风功能空间整体换气次数分别为12次/h，室内整体换气次数相对较高。

北海市第二人民医院整体搬迁一期工程项目室内自通风状况整体符合《绿色建筑评价标准》GB/T 50378—2006第5.5.7条“建筑设计和构造设计有促进自然通风的措施”一般项的相关要求。

4、结语

北海市第二人民医院整体搬迁工程一期建设的绿色建筑设计通过对绿色建筑设计、绿色建筑施工和绿色建筑运营管理等阶段的管理与控制，项目整体达到了绿色建筑设计标识二星级要求。其中，设计采用计算流体力学（CFD）模拟技术对项目的室外环境及建筑的室内环境进行模拟分析，对建筑单体设计的有效控制，大大改善了建筑的空间环境，提高了空间使用的舒适度，对项目的绿色建筑设计提供了有效的帮助。

绿色建筑已成为建筑开发的潮流，通过CFD模拟技术等新技术新科技的辅助，能够更好的实现建筑的绿色节能设计实践。

参考文献：

【1】李超，范秦寅.《CFD技术在建筑环境中的应用》

【2】张宾，鲍艳卫，李静.《浅谈CFD技术在建筑风环境模拟中的应用》/J/.城市建设理论研究.2012，35（12）

【3】吴珍珍，鄢 涛，付祥钊.《基于CFD模拟技术的深圳城市风环境分析》/J/.工程质量.2009,11.