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使用计算流体力学和气候模拟工具对绿色建筑进行优化设计
摘要
自然通风或自通风是改善室内空气质量的经济方法。温度，受辐射度，湿度和风量等气候因素会严重影响建筑物的自然通风。这项研究旨在研究伊朗北部里海南部炎热潮湿气候下，一些常见设计策略的性能，例如用特定建筑物方向，孔径区域和涂料颜色，来促进自然通风。传统上使用这些技术时，没有任何关于它们的重要性和相互影响的专门知识可供参考。作为用于能量评估的高级建模工具，Design-Builder与“计算流体动力学”能够一起用于对每个更改的结果进行数字评估。在许多可能的情况下，通过开发一个全面的计算机仿真模型研究得出了七个方案。结果表明，通过增加迎风侧的空间，并在背风侧的屋顶窗为屋顶用上浅色涂层，可以提高热舒适度达30%，并获得合适的气流。在夏季设计周中，应用这些因素可将表观温度降低至10°C。
关键词：自然通风能源评估；绿色建筑；热舒适性；气候；
1. 简介
使用清洁能源和自然能源（例如太阳能和风能）是全球性的趋势（Oropeza-Perez，2015年）。作为这一趋势的一部分，节能标准的修订主要影响能源消耗和排放率方面的法规（Nejat等，2015）。据统计，供暖，通风和空调（HVAC）系统消耗的能源占城市能源供应的三分之二（Elshafei等，2017；Orme，2001）。因此，通过法规和新标准，提高建筑物的能源效率成为世界许多地方优先考虑的途径（Roetzel 等。2010）。绿色建筑正在寻找一种在其生命周期内与环境和资源节约相适应的建筑过程。可持续建筑的初步工程设计的概念似乎完全符合此想法。作为一种有助于改善室内空气质量，冷却过程和最佳能源消耗的机制，自然通风最近已成为一种流行趋势（Li等人，2018；Zhou等人，2014）。据报道与机械通风的建筑相比，对于采用自然通风的建筑，除了合适的空气质量外，能耗也降低了30-40%（Yu等人2014；Liu等人2015；Zhang等人，2015年；Hu和Chen，2015年；Gratia和Herde，2004年；Schulze和Eicker，2013年）。但是，由于内部和外部气流的复杂性，设计自然通风的房屋被认为是一项艰巨的任务（Chen 2004；Seifert等人2006；Hu等人2008）。在自然因素中，包括温度，风，降水，辐射和太阳方向在内的气候条件起着更为重要的作用。通风性能受各种设计特征的组合影响，例如开口类型和比率，建筑面积，工地位置和层数。其他因素包括风速和风向，外部障碍和涂层颜色，开口样式以及内墙的结构（Gao 和 Lee 2011）。通过不同方法对室内气流的计算分析使我们能够模拟房屋内部的风速和流向（Guo等人，2015）。计算流体动力学（CFD）是一组数值方法，用于计算特定空间区域中的流动的压力，速度，温度和其他属性。通过求解流量的控制方程并应用边界条件，CFD模型可以提供有关气流的速度，方向和压力以及建筑物中传递的能量和热量的详细信息。可以使用指定的边界条件（例如气候条件，能量吸收和加热，自然通风，强制通风系统或HVAC）来计算室内空间的温度。文献回顾表明，许多对建筑物的自然通风过程的研究投入已经减轻了。
Hatamipour和Abedi（2008）回顾了传统有效的自然通风技术，这些技术目前在伊朗南部沿海炎热潮湿的气候中使用。受这些技术的启发，他们提出了一套用于现代建筑的工程方法，以增强自然通风。Hatamipour和Abedi提出的被动冷却方案的例子包括沿东西方向建造建筑物，将一些空间与其他部分分隔开以及为防止空气流通阻塞而设计的建筑物遮阳。Yildiz和Durmus（2011）研究了伊兹密尔的一栋建筑物，并研究了在土耳其温暖潮湿的气候中影响其通风性能的参数。此外，通过进行敏感性分析，他们认为，开口（窗口）的总面积，热传递系数（U）和玻璃吸收系数可能是这方面最有效的因素。Gao和Lee（2011）使用平均空气年龄（AOA）的概念以及香港一栋典型住宅中的气体探测器的测量结果，研究了不同开口结构对自然通风性能的影响。评价结果表明，可以通过安装两组彼此垂直的开口并正确放置建筑物的方向和门来增强自然通风性能。Prajongsan和Sharples（2012）将计算流体动力学（CFD）分析用于曼谷居民的高层建筑，研究使用通风竖井增强自然通风和热舒适性的可能性。为此，使用Design-Builder软件中提供的CFD软件包，计算了带有和不带有通风井的房间内的风速。在一侧装有通风管而另一侧装有通风口的房间，其气流速度和制冷潜力存在显着差异。Adamu等（2012）研究了由浮力驱动的气流在单床医院病房的四种自然通风策略中的表现。策略是单开窗，同侧双开，进风和烟囱协同工作，以及基于天花板的自然通风（CBNV）的新概念。在伦敦市中心的医院病房中，使用CFD和气流模拟对这些策略的效果进行了案例研究。结果表明，冬季至少需要通风开口比例的25%，才能提供所需的气流和热舒适感。除基于窗户的设计外，其他方法也可在不同程度上最大程度地减少夏季过热。CBNV概念还可以有效地向病房中隔离区域的患者直接输送新鲜空气。
Hanan（2015）还通过整合自然通风和机械空调系统，探索了阿拉伯联合酋长国一栋别墅中节能的可能性。通过数值模拟对房屋的年度能源成本进行了详细分析。然后将结果与整个样本年的实际账单进行比较。能源消耗还与通过内部空间风流的CFD分析获得的各种自然通风策略的结果进行了比较。Baghaei等（2016年）研究了双边开放和单向通风对住宅公寓室内空间最大风循环效率的影响。他们使用了Design-Builder模型提供的CFD工具来模拟四种不同的场景，在这些场景中，房屋的内部分隔墙略有变化。观察到，在室内空间的最佳设计中，沿流道安装面向风向和背风方向的窗户可提供足够的空气流，从而显着降低了居住空间的湿度。
Elshafei等。（2017）进行了一项实验和数值研究，以探索自然通风对埃及亚历山大港一栋住宅楼的室内热舒适性的影响。在稳态条件下采用Design-Builder中提供的CFD工具，并使用雷诺平均Navier-Stokes模型估计研究范围内的风流场。然后使用实验测量值来验证模拟。考虑空气流速，相对湿度和温度场来量化热舒适度。为了改善室内空气质量和通风，对窗户的设计参数（例如窗户的尺寸，位置和阴影）进行了修改，从而将空气温度降低了2.5%，同时将风速提高了六倍。
Li等（2018）使用ANSYS FLUENT16.2作为功能强大的计算流体动力学（CFD）软件来估计建筑设计早期阶段风力驱动的自然通风的潜力。使用稳态雷诺平均Navier-Stokes（RANS）标准湍流模型，并针对不同的通风场景进行了验证。为了帮助建筑师和工程师，将数值结果用于建立经验公式，以便快速，准确地评估通风率。Aflaki等人进行了一组数值模拟和实验测试，（2019）还探讨了单侧通风和交叉通风对高层建筑中住宅单元的室内空气流速和流型的效率。作为功能齐全的3D-CFD解决方案工具，FloEFD软件用于数值分析。众所周知，该软件是一种强大而可靠的仿真模型，能够快速求解Navier-Stokes方程。使用RANS湍流模型以及输运方程来测量湍动能（）和耗散率（）。他们的结果表明，加强自然通风可使室内空气速度提高四倍，每小时平均换气量提高27%。
对以前工作的回顾表明，研究更多地集中在外部边界和房屋内部建筑的影响上。环境条件以及温度，湿度，风向和太阳辐射等气候变量对气流模式的影响，而场地方向，阴影，舒适条件和居民满意度是建筑物运营中需要考虑的其他决定性因素。计算流体动力学CFD模型经过精心设计，可以模拟气流和环流，但计算要求很高，并且只能考虑边界内的一些气候参数。这项研究通过强调设计变量（如房屋开张，涂层颜色和方向）对实施地块之前的初步工程设计过程的影响，从而遵循绿色建筑的想法。通过一组计算机模拟讨论了这些因素的变化及其对室内空气质量的相互影响。研究了风驱动通风及其与其他气候因素的相互作用。提供最佳自然通风的组合将作为最佳设计，从而减少空气停留时间并提高室内空气质量。找到每个变量的重要性将有助于工程师在设计的早期阶段更好地投资内部功能。
2. 材料和方法
2.1. 通用框架
在这项研究中，将计算流体动力学工具与能量模拟程序一起使用，以研究建筑物的室内气流和热状况。作为用于节能设计的高级多学科建模工具，Design-Builder用于空气特性的仿真。该软件是用于可视化的强大3D模型，为建筑设计早期阶段中的能耗和居民舒适度分析提供了灵活的工具。该软件为气流的热模拟和流体动力学建模提供了图形界面。包含在Design-Builder中的CFD引擎是基于SIMPLER算法开发的。通常，与Fluent，CFX和OpenFOAM等复杂的CFD软件包相比，该软件更易于使用。此外，它需要较少的数据来设置几何和边界条件。该软件允许工程师和能源评估人员将所有模块与流体动力学模块一起使用，以模拟实际情况，并达到工程应用所需的精度水平。
本文提出的方法包括针对伊朗北部城市Babolsar的潮湿亚热带气候条件设计建造的房屋中的气流特性，温度场，相对湿度，阴影和太阳辐射。根据文献中发现的建筑设计指南，开发了各种自然通风改善方案，并研究了每种方案的性能。主要因素包括建筑元素，例如场地方向，孔径区域和涂层颜色。研究了每种影响及其组合影响的有效性。图1显示了设计变量和用于评估通风性能和热舒适性的研究方法。气候变量，例如干球温度（°C），湿球温度（°C），大气压（hPa），全球太阳辐射量（Wh/m2），太阳散射辐射（Wh/m2），云量（oktas）），风速（节）和风向（从北向顺时针方向）用作Design-Builder的天气数据输入。这些变量的值是从该地区的参考气象站获得的。在模拟中，考虑到最需要冷却系统的八月炎热天气，这是舒适条件下的最坏情况。产生了每月的风玫瑰，并在模拟中使用了八月份的主要风向和强度。研究了三对方案，从每对方案中，在最佳组合方案中使用了更好的方案。
2.2. 案例研究
这项研究是在伊朗Babolsar的一块16公顷的空地上进行的。该地点位于北纬36.70度和北纬52.62度，属亚热带气候，夏季温暖湿润，冬季温和。设计了一个有123个区域（每个1000平方米）的复杂城镇，每个区域都有一个双层住宅。天气数据收集了60年，由Babolsar天气气象站记录（纬度：36.72，经度：52.65，海拔：-21ms）。该数据集是天气观测站每小时观测的典型数据。通过称为WindrosePlot的计算机程序，可以提取区域风能数据并用于开发该地区的月度风向图。气象数据也用于能源模拟过程。Design-Builder使用每小时天气数据来定义建筑物的外部条件，并通过建立连接将其用于能源和CFD模拟过程中。
相对湿度从70%到85%不等，平均日温度范围从7°C（12月）到30°C（8月）。风速在4到5.3m/s之间，主要从西部或西北方向吹来。如图2所示，盛行风的方向是从西到东（270°），平均速度为6.76节（3.48m/s）。表1给出了在Babolsar天气气象站中记录的平均温度，风速，风向和相对湿度。
图3表示研究区域的场地布局（左）和建筑平面图（右）。每栋房屋都包括一个1000平方米的花园，该花园有两层楼，四间卧室和两个客厅。在一个开放的空间中，我们能够应用不同的设计方案。为了检查自然通风性能，在建模过程中假设门（窗户除外）和窗户保持打开状态，而没有热源或HVAC系统运行。双层别墅的设计带有墙壁开口和连续的屋顶窗，以加快通风过程并允许气流从上部区域逸出。背风侧的天窗就像传统的风塔一样工作，可形成低压空间并加速外部气流。为了评估自然通风的变化，Jamaludin等（2014年）开发了几种方案。入口和出口的总面积决定了最小和最大允许建筑面积，分别为4%和40%。在两种情况下还研究了倾斜屋顶孔的方向：（1）背风侧的屋顶窗户（墙壁开口向风）（2）沿盛行风向的屋顶窗户。最后，研究了屋顶和墙壁的涂层颜色，即其亮度，对室内温度和气流的影响。另外，还比较了接收到的光量。
因此，通过七个不同的场景对自然通风进行了评估。比较每对它们，并按如下方式进行设计敏感性分析：
1. 建筑物的开口面积（最大和最小开口）
2. 屋顶和墙壁上的漆面颜色（亮度）
3. 场地方向（朝着主要风向或任意方向） 4. 情景组合
2.3. 光圈面积
为了增强建筑物的自然通风，Jamaludin等人（2014）建议：
1. 矩形计划比方形计划更有效率
2. 高架地板使风更容易流入室内空间
Tantasavasdi等。（2001年）还建议，为了实现理想的自然通风，进出水口的最佳总面积约为地面面积的40%。为了增加室内空气流通，建议将窗户的O.K.B[1]设置为与居民的生活方式成比例。根据居民大部分时间的身高，可以认为应选择小于1m的窗户高度，以使居民更多地暴露于空气流中。在本研究计划的方案中，考虑了这些因素以进行最佳设计。根据伊朗国家建筑法规（2013），每个空间的开口面积必须至少为建筑面积的4%，使这些空间与周围环境的空气交换最少。因此，建筑物开口的最小和最大面积的计算范围为4%至40%，如下所示（图4）：
2.4. 漆面的颜色（屋顶和墙壁）
根据建筑物接收或吸收的辐射量，日出后建筑物的表面温度会升高。对于浅色表面，吸收的热量较低，反之亦然。阳光对建筑物表面温度的影响有时可能大于环境空气温度。根据气候设计
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