運用模擬分析技術(shù)優(yōu)化室內(nèi)環(huán)境的綠色建筑設(shè)計實踐

作為綠色建筑行業(yè)的咨詢研究人員，我們認(rèn)為，綠色建筑不是一種高科技的技術(shù)集成，而是設(shè)計合理，為人們提供健康、適用和高效的使用空間，與自然和諧共生的當(dāng)代建筑。

因此近年來，我們的工作思路一直在轉(zhuǎn)變，從單純的根據(jù)《綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》要求去指導(dǎo)建筑設(shè)計，到現(xiàn)在深入?yún)⑴c設(shè)計，積極運用模擬分析技術(shù)為設(shè)計師服務(wù)，解決問題，尋找綠色建筑的最優(yōu)解。下面兩個實踐案例，介紹了我們是如何運用模擬分析技術(shù)進行室內(nèi)環(huán)境優(yōu)化的。

1. 超高層建筑大空間環(huán)境的設(shè)計優(yōu)化

1.1 設(shè)計中需解決的問題

本項目為深圳市一超高層建筑，首層大廳為一高大空間，大廳的室內(nèi)溫度環(huán)境的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)較高，設(shè)計及控制上均有一定難度。一方面大廳的外圍護結(jié)構(gòu)均為透明玻璃幕墻，室外主要朝向為西、南側(cè)，夏季空調(diào)冷負(fù)荷較大且分布不均，同時由于大廳屬于高大空間，室內(nèi)溫度存在水平與垂直分布情況。另一方面，為配合建筑裝修的要求，考慮到視覺效果，送、回風(fēng)口的位置被嚴(yán)格限制。

因此本項目的設(shè)計難點在于，如何在建筑條件有限的條件下，對氣流組織的控制采取精細(xì)化設(shè)計，使之滿足室內(nèi)環(huán)境的舒適度要求。

1.2模擬分析的方法

（1）調(diào)節(jié)各風(fēng)口送風(fēng)參數(shù)（包括送風(fēng)量和送風(fēng)角度）對室內(nèi)環(huán)境進行控制，以適應(yīng)大廳非均勻負(fù)荷分布的實際情況。對不同送風(fēng)工況進行模擬計算，通過對比大廳人活動區(qū)域的溫度場與速度場的均勻性，從而獲得優(yōu)化的風(fēng)口送風(fēng)風(fēng)量分配以及送風(fēng)角度方案。

（2）本次模擬共9個計算工況，包括1個設(shè)計工況和8個調(diào)整工況。其中4個調(diào)整工況為風(fēng)量調(diào)整優(yōu)化，即對各組風(fēng)量進行調(diào)整，送風(fēng)角度保持設(shè)計工況不變。根據(jù)設(shè)計工況的模擬結(jié)果，對于人員活動區(qū)域溫度較高區(qū)域提高送風(fēng)量，而在溫度較低的區(qū)域減小送風(fēng)量。另外4個調(diào)整工況為送風(fēng)角度優(yōu)化，即在調(diào)整風(fēng)量分配的基礎(chǔ)上調(diào)節(jié)送風(fēng)角度，調(diào)整角度分別為 90°/ 60°/ 45°/ 30°，使空調(diào)送風(fēng)直接供給空調(diào)區(qū)域，降低平均溫度。

1.3模擬分析的結(jié)果

（1）風(fēng)速調(diào)整結(jié)果

原設(shè)計工況風(fēng)速場比較均勻，但區(qū)域溫度較高（見圖1）。經(jīng)過4輪的風(fēng)量調(diào)整優(yōu)化，最終調(diào)整工況4的計算結(jié)果顯示，大廳主要人員活動區(qū)域的溫度分布均勻，平均溫度約為26.5℃,整體溫度比設(shè)計溫度值稍高。主要人員活動區(qū)域風(fēng)速均在0.3m/s以下，能夠滿足舒適性需求（見圖2、3）。

▲圖1 設(shè)計工況人活動區(qū)域溫度水平分布

▲圖2 調(diào)整工況4人活動區(qū)域水平溫度分布

▲圖3 調(diào)整工況4人活動區(qū)域水平風(fēng)速分布

（2）角度調(diào)整

當(dāng)送風(fēng)角度調(diào)整為60°時，平均溫度為25.5℃，主要人員活動區(qū)域風(fēng)速均在0.3m/s以下能夠滿足舒適性需求。

當(dāng)送風(fēng)角度調(diào)整為45°時，平均溫度為24.5℃，主要人員活動區(qū)域平均風(fēng)速為0.4m/s，但考慮到大廳人員走動引起空氣擾動、以及停留時間較短的特點，因此基本能夠滿足舒適性需求。（見圖4、5）

當(dāng)送風(fēng)角度調(diào)整到30°時，大部分區(qū)域風(fēng)速達到0.6m/s，有吹風(fēng)感，會對人體舒適性產(chǎn)生不良影響。

▲圖4 送風(fēng)角度45°人員區(qū)域水平溫度分布

▲圖5 送風(fēng)角度45°人員區(qū)域水平風(fēng)速分布

1.4設(shè)計優(yōu)化建議

本項目將工況四的調(diào)整送風(fēng)量參數(shù)確定為設(shè)計參數(shù)，用于確定各個送風(fēng)口和送風(fēng)管道的尺寸選型，送風(fēng)角度調(diào)整為45°至60°。優(yōu)化后的大廳主要人員活動區(qū)域平均溫度值和溫度、風(fēng)速的分布情況，均能夠滿足設(shè)計及使用要求。

2 某國際機場的采光優(yōu)化

2.1設(shè)計中需解決的問題

本項目需要對機場室內(nèi)空間進行自然采光模擬計算分析，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求評價其室內(nèi)二層主要空間的自然采光質(zhì)量是否舒適，并以此確定天窗的適宜寬度。

2.2模擬分析的方法

（1）首先依據(jù)《建筑采光設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》GB50033-2013第3.0.3和第4.0.13條，確定采光二層主要功能空間舒適的采光系數(shù)區(qū)間為2.2%-7.7%

（2）模擬中，主要功能房間包括值機大廳、候機廳、連接通道、商業(yè)、餐廳等。設(shè)備機房、庫房、辦公區(qū)、等不計入模擬范圍。計算高度面為高于各層樓板750mm的工作面。

（3）為簡化模擬計算，按照吊頂?shù)目紫堵蕦ζ渫腹饴蔬M行折算。折算后透光率與天窗的透光率進行相乘疊加。因此，吊頂?shù)目紫堵试O(shè)為50%，天窗采用雙層LOW-E玻璃（透光率60%），其最終透光率為30%。

（4）根據(jù)天窗的不同尺寸建立3個采光模型，其中模型Ⅰ的天窗寬度為3m，模型Ⅱ?qū)挾葹?m，模型Ⅲ寬度為7m。三個模型的模擬區(qū)域全部相同。

2.3模擬分析的結(jié)果

（1）模型I ，主要房間的采光系數(shù)舒適區(qū)間（2.2%-7.7%）的比例為56.96%，自然采光舒適區(qū)域主要集中在中部的值機大廳，但相鄰的商業(yè)等房間采光系數(shù)不足2%（圖6）。

（2）模型Ⅱ，主要房間的采光系數(shù)舒適區(qū)域的比例為41.31%，雖然值機大廳的采光系數(shù)多在7.7%以上，但商業(yè)區(qū)域的采光系數(shù)基本高于低限值要求的2.2%（圖7）。

（3）模型Ⅲ，主要房間的采光系數(shù)舒適區(qū)間比例為25.92%，值機大廳的采光系數(shù)普遍較高，基本超過11%（圖8） 。

▲圖6 模型Ⅰ（天窗寬度3米）二層主要功能空間的采光計算結(jié)果

▲圖7 模型Ⅱ（天窗寬度5米）二層主要功能空間的采光計算結(jié)果

▲圖8 模型Ⅲ（天窗寬度7米）二層主要功能空間的采光計算結(jié)果

2.4設(shè)計優(yōu)化建議

二層主要功能房間采光系數(shù)舒適區(qū)間比例最高的模型為Ⅰ號模型，其次為模型Ⅱ和模型Ⅲ。但是模型Ⅰ中二層商業(yè)及一些非臨窗房間的采光系數(shù)較低，未能達到采光標(biāo)準(zhǔn)中要求的2.2%低限值，因此降低了建筑整體的采光效果。而模型III值機大廳采光系數(shù)太高，易造成夏季晴天過熱及不舒適眩光等問題。綜合考慮上述因素，模型Ⅱ的模擬結(jié)果最為理想，建議天窗寬度為5m。

3 結(jié)束語

通過上面的案例可以看出，模擬分析技術(shù)的運用，能夠真正為建筑設(shè)計解決實際問題。希望在今后的綠色建筑設(shè)計中，我們能夠為更多的設(shè)計師提供技術(shù)上的支持；同時也希望我們將來能更進一步，不是被動地等待設(shè)計師提出問題，而是真正能參與到綠色建筑設(shè)計中，為設(shè)計師提出更好的優(yōu)化建議。

■ 參考文獻

[1] 梁楠，朱穎秋，馬曉鈞，蔡志濤．深圳中州塔工程大空間非均勻送風(fēng)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計．2014年第十九屆全國暖通空調(diào)制冷學(xué)術(shù)年會論文集，75．

來源：朱穎秋 城市生態(tài)與節(jié)能論壇