徐越群 劉 佳 馬艷芳

（石家莊鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 河北石家莊 050041）

CFD技術(shù)在建筑節(jié)能中的應(yīng)用

徐越群 劉 佳 馬艷芳

（石家莊鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 河北石家莊 050041）

介紹我國(guó)建筑能耗所存在在的問(wèn)題，CFD的基本原理和求解過(guò)程，CFD的應(yīng)用現(xiàn)狀及我國(guó)在應(yīng)用中存在的問(wèn)題，對(duì)建筑環(huán)境進(jìn)行分析。

CFD 建筑節(jié)能 應(yīng)用

近年來(lái)，我國(guó)建筑規(guī)模迅速擴(kuò)大，本世紀(jì)的頭 20 年內(nèi)，建筑業(yè)仍將迅速發(fā)展。預(yù)計(jì)到 2020 年底，全國(guó)房屋建筑面積將達(dá)到 686 億平方米，其中城市為 261 億平方米[1]。如此巨大的建筑規(guī)模，在世界范圍是空前的。建筑的每個(gè)環(huán)節(jié)，從建筑施工、建材生產(chǎn)、建筑日常運(yùn)轉(zhuǎn)到建筑的拆除等都需要消耗數(shù)量巨大的能源。而這其中比重最大的是建筑日常運(yùn)轉(zhuǎn)能耗，即空調(diào)、采暖、照明、電器、熱水等用能，約占到了總能耗的 80%。隨著建筑業(yè)的高速發(fā)展和人民生活質(zhì)量的改善，建筑耗能占全社會(huì)總能耗的比例還將增大。因此許多國(guó)家都把建筑節(jié)能尤其是降低建筑日常運(yùn)轉(zhuǎn)耗能作為節(jié)能工作的重點(diǎn)[2]。

1 CFD基本原理

CFD即計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，簡(jiǎn)稱(chēng)CFD）是一門(mén)通過(guò)數(shù)值計(jì)算方法求解流體控制方程組進(jìn)而預(yù)測(cè)流體的流動(dòng)、傳熱和化學(xué)反應(yīng)等相關(guān)物理現(xiàn)象的學(xué)科。常用的方法有有限差分法、有限元法和有限體積法。進(jìn)行CFD分析的基本思路如下：將原本在時(shí)間與空間上連續(xù)的物理場(chǎng)如速度場(chǎng)或壓力場(chǎng)等，離散成有限的變量集合，并根據(jù)流體力學(xué)的基本假定，建立起控制方程，通過(guò)求解這些流體力學(xué)的控制方程，獲得這些變量的近似值。

2 CFD的求解過(guò)程

2.1 確定邊界條件與初始條件

初始條件和邊界條件是控制方程有確定解的前提。初始條件是所研究對(duì)象在過(guò)程開(kāi)始時(shí)刻各個(gè)求解變量的空間分布情況。對(duì)于瞬態(tài)問(wèn)題必須給定初始條件，對(duì)于穩(wěn)態(tài)問(wèn)題不需要初始條件。

2.2 劃分計(jì)算網(wǎng)格

網(wǎng)格分結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。簡(jiǎn)單說(shuō)，結(jié)構(gòu)網(wǎng)格在空間上比較規(guī)范，如對(duì)一個(gè)四邊形區(qū)域，結(jié)構(gòu)網(wǎng)格多是成行成列分布的，而非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格在空間分布上沒(méi)有明顯的行線和列線。

2.3 建立離散方程并求解

離散方程常用的方法有：有限容積法、有限差分法和有限元法等。選擇合適的方法，對(duì)求解區(qū)域進(jìn)行離散。

3 建筑環(huán)境分析

3.1 建筑周邊環(huán)境分析

建筑周邊環(huán)境對(duì)居民日常生活起著舉足輕重的作用。對(duì)居民小區(qū)的風(fēng)環(huán)境和熱環(huán)境進(jìn)行預(yù)測(cè)，是CFD分析的又一重要應(yīng)用領(lǐng)域。采用CFD方法，在建筑設(shè)計(jì)階段即可對(duì)建筑周邊環(huán)境進(jìn)行分析和優(yōu)化，對(duì)規(guī)劃設(shè)計(jì)的效果進(jìn)行驗(yàn)證，使建筑通風(fēng)和自然采光達(dá)到最佳效果，是小區(qū)居民生活品質(zhì)的重要保障。

3.2 室內(nèi)環(huán)境狀況分析

采用試驗(yàn)方法分析室內(nèi)環(huán)境狀況，需要耗費(fèi)大量的時(shí)間與經(jīng)費(fèi)，而采用CFD方法進(jìn)行分析不僅可以節(jié)省時(shí)間，同時(shí)也能精確預(yù)測(cè)利房間內(nèi)的風(fēng)速、溫濕度、污染物分布等指標(biāo)，計(jì)算出通風(fēng)效率、毒害物擴(kuò)散效率和熱舒適等，進(jìn)而對(duì)室內(nèi)環(huán)境狀態(tài)做出一個(gè)合理的評(píng)估。

4 CFD技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

4.1 建筑外環(huán)境分析設(shè)計(jì)

建筑外環(huán)境對(duì)建筑內(nèi)部居者的生活有著重要的影響，所謂的建筑小區(qū)一次風(fēng)、小區(qū)熱環(huán)境等問(wèn)題日益受到人們的關(guān)注[3]。采用 CFD 可以方便地對(duì)建筑外環(huán)境進(jìn)行模擬分析，從而設(shè)計(jì)出合理的建筑風(fēng)環(huán)境。而且通過(guò)模擬建筑外環(huán)境的風(fēng)流動(dòng)情況，還可進(jìn)一步指導(dǎo)建筑內(nèi)的自然通風(fēng)設(shè)計(jì)等。

4.2 建筑設(shè)備性能的研究改進(jìn)

暖通空調(diào)中的許多設(shè)備，如風(fēng)機(jī)、蓄冰槽、空調(diào)器等，都是通過(guò)流體工質(zhì)的流動(dòng)而工作的，流動(dòng)情況對(duì)設(shè)備性能有著重要的影響。通過(guò) CFD 模擬計(jì)算設(shè)備內(nèi)部的流體流動(dòng)情況，可以研究設(shè)備性能，從而改進(jìn)其更好地工作，降建筑能耗，節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用。

4.3 CFD技術(shù)在室內(nèi)環(huán)境中的應(yīng)用

借助 CFD 技術(shù)對(duì)室內(nèi)設(shè)計(jì)方案的模擬，可以主觀的表現(xiàn)出室內(nèi)通風(fēng)設(shè)計(jì)的溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)的變化，借助模擬結(jié)果的反饋，可更好的對(duì)室內(nèi)通風(fēng)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行改進(jìn)。CFD 的應(yīng)用改變了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程，人們不必對(duì)描述潔凈室氣流狀態(tài)的控制方程進(jìn)行過(guò)多的簡(jiǎn)化，而借助于計(jì)算機(jī)通過(guò)運(yùn)用 CFD 方法來(lái)得到的潔凈環(huán)境狀況的細(xì)節(jié)。它可以進(jìn)行潔凈室內(nèi)空氣流動(dòng)狀態(tài)的模擬與預(yù)測(cè)，是一種相對(duì)完善的確定性數(shù)值方法。由于 CFD 的應(yīng)用可以相對(duì)準(zhǔn)確地給出流體流動(dòng)的細(xì)節(jié)，如速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)、溫度場(chǎng)或顆粒濃度場(chǎng)，因而可很容易地從對(duì)流場(chǎng)的分析中發(fā)現(xiàn)工程設(shè)計(jì)中的問(wèn)題，并更容易得到某些規(guī)律性的知識(shí)。這樣，工程的設(shè)計(jì)與優(yōu)化很少依賴(lài)經(jīng)驗(yàn)或試驗(yàn)，試驗(yàn)的目的變?yōu)轵?yàn)證工程設(shè)計(jì)過(guò)程的合理性。方案的篩選是以科學(xué)性的分析為基礎(chǔ)，當(dāng)方案設(shè)計(jì)在整個(gè)設(shè)計(jì)中占的比例變得相當(dāng)重要后，設(shè)計(jì)的成功變得更有保證，而且它將傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的大循環(huán)過(guò)程轉(zhuǎn)變?yōu)榉桨冈O(shè)計(jì)帶有預(yù)測(cè)性質(zhì)的校驗(yàn)循環(huán)，當(dāng)設(shè)計(jì)依據(jù)基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求時(shí)再轉(zhuǎn)入通常的詳細(xì)設(shè)計(jì)，大大減少了設(shè)計(jì)過(guò)程的中間環(huán)節(jié)[4]。

4.4 我國(guó)CFD應(yīng)用存在的問(wèn)題

我國(guó)研究機(jī)構(gòu)很早就開(kāi)始CFD模擬技術(shù)的應(yīng)用研究，研究的范圍從以室內(nèi)空氣分布以及建筑物內(nèi)煙氣流動(dòng)規(guī)律的模擬為主，逐漸擴(kuò)展到室外及建筑小區(qū)繞流乃至大氣擴(kuò)散問(wèn)題，并已形成一些可以解決實(shí)際問(wèn)題的軟件。所以，從總體上看，我國(guó)暖通行業(yè)中開(kāi)展CFD方面研究尚有大量工作要做，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）還要建立在考慮輻射條件下計(jì)算室內(nèi)空氣的溫度分布、壁面和空氣的換熱、壁面的溫度分布的多種模型。

（2）將已有的CFD模擬技術(shù)方法進(jìn)行簡(jiǎn)化，能夠在微機(jī)上較準(zhǔn)確地計(jì)算包括高大空間氣流組織在內(nèi)的各種通風(fēng)空調(diào)熱環(huán)境問(wèn)題。

（3）考慮實(shí)際空調(diào)管道連接帶來(lái)的風(fēng)口出流特性變化，從而使室內(nèi)空氣流動(dòng)模擬更加準(zhǔn)確等。

（4）CFD技術(shù)在CAE工程中已表現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢(shì)，如果將與CAD及CAM乃至AI技術(shù)有效地結(jié)合在一起，將顯示其強(qiáng)大的生命力。

5 結(jié)語(yǔ)

減少不必要的建筑耗能，大力推進(jìn)建筑節(jié)能已成為建筑行業(yè)最重要的任務(wù)。將CFD技術(shù)應(yīng)用到常規(guī)建筑節(jié)能設(shè)計(jì)中，會(huì)對(duì)建筑的合理設(shè)計(jì)起到更有利作用，進(jìn)而創(chuàng)造出宜居的、和諧的、生態(tài)性?xún)?yōu)異的建筑環(huán)境。

[1]郎四維,林海燕.建筑節(jié)能是關(guān)乎我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重大戰(zhàn)略性舉措.建設(shè)部辦公廳《工作調(diào)研與信息》[R],2003, (15)

[2]尹潔.從節(jié)能視角看單元式住宅的戶(hù)型設(shè)計(jì)[D].天津:天津大學(xué),2007

[3]王昭俊,趙加寧,劉京.室內(nèi)空氣環(huán)境[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社.2006.176-179

[4]張海文.既有建筑節(jié)能改造模式探討[J].建筑節(jié)能,2006, (7):98-99

The Application of CFD Technology in Building Energy Efficiency

XU Yue-qun LIU Jia Ma Yan-fang
(Shijiazhuang Institute of Railway Technology Shijiazhuang Hebei 050041 China)

This paper introduces the existing problems in the building energy consumption in our country, the basic principle of CFD and the solving process, the present situation of the application of CFD and the problems existing in the application in our country. It also analyses the architectural environment.

CFD building energy efficiency application

中國(guó)分類(lèi)號(hào)：TK01A

1673-1816(2016)02-0095-03

2015-11-09

徐越群（1978-），男，河北廊坊人，碩士，講師，研究方向水處理理論與技術(shù)。