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       风力对建筑物的影响分析

 

     风载荷通过体形系数、区域系数、风振系数、迎风面积等计算。体形比较简单的建筑物体形系数可通过规范查到,由于规范只规定了规则形状的体形系数,体形复杂时只能近似了,因此很难得到较准确的风载荷。通过计算流体动力学技术为复杂体形高层建筑风载进行准确计算,模拟建筑物和建筑群的流场,从而可得到非常准确的风压值及风载荷分布.

 

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  • 计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,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。文远楼于钢筋混凝土框架结构建筑。

    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,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。

    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。在夏季早晨,夜间冷却了的“烟囱”从室外吸入较热的空气,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通风,减少了空调使用能耗。

     

    1.2  上悬式开窗

    建筑单层外围护结构的开窗方式首先解决两个问题:一是对气流形成一定遮挡,减小原有风速;二是设置挡板及运用可控制开窗方式使进入室内空间的气流改变运动方向,减小行人高度的风速。满足这两个条件的可控制开窗方式有下悬及上悬两种模式, 为两种模式的开窗方式。下悬开窗方式的特点为气流从底部进入室内后向上方移动,减小对人坐立点高度的影响;上悬开窗方式的特点为气流进入室内后,窗户的开启使气流进入室内后向下部空间移

    动,这种方式对人坐立位置的高度影响较大。针对文远楼主要做为人群密集的学习工作场所,因此采用上悬的开窗方式。所示为外立面上悬窗和室内走廊通风口。

    2  CFD 模拟分析

    当前自然通风的研究着重于采用传统的经验进行自然通风的设计,大部分都是定性的设计,缺少节能方面定量的分析结果。使用定量分析的有风洞试验和计算流体力学(CFD)两种方式,随着计算机技术的发展,C F D 以其廉价、便利的方式得到越来越广泛的应

    用。本文选用基于有限容积法的专门用于建筑通风空调分析的CFD 软件—— Fluent Air-pak 对文远楼的风流场进行分析。该软件可以准确地模拟通风系统的空气流动、空气品质、传热、污染和舒适度等问题,提高设计手段,减少设计风险,降低成本。此次模拟是以文远楼底层为例,中间部分为走廊,两侧为对称的教室,新风从教室外侧的窗户中进入室内,再从教室内侧的一排高窗中排入走廊,最后再由上侧通风口向上排出。室外进风速设定

    为 1.5m/s,得到不同高度、不同切面的风速、空气龄分布图。1m 高度的空气速度分布图和空气龄分布图显示,教室内在 1m高度空气的速度相对较低,最大速度约为 1.5m/s,空气龄也相对较长,高度与人坐立时候高度相差不多,刚好避免了过大的风速对教室内人造成的干扰。2m 高度的空气速度分布图和空气龄分布图显示,教室内在 2m高度空气的速度较之 1m 处有了明显提高,风速普遍高于 1.5m/s,位于教室东西两端的风速相对较低,空气龄也明显的缩短,空气流通加快,有效地改善了教室内空气的新鲜程度。3m 高度的空气速度分布图和空气龄分布图显示,教室内在 3m高度空气的速度进一步加大,靠近教室内位于内侧墙上的排风口处风速逐渐加大,位于教室东西两端的风速相对较低。空气龄较短,空气流通加快,位于走廊顶部的排风口风速达到最大。从纵切面中可以看出,室外的新风从两侧的窗口进入教室内,

             

             

    再从教室内侧的窗洞口处排出,风速逐渐加大,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。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,降低空调的能耗,最终达到节能的目的。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,而如果充分利用通风,则可以减少该时段的空调使用.

    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 Fluent Air-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。