計(jì)算流體力學(xué)（Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ Ｆｌｕｉｄ�。模睿幔恚椋悖�，ＣＦＤ）為建筑節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一種方法，是在預(yù)測和評價(jià)建筑設(shè)計(jì)階段，對室內(nèi)通風(fēng)與污染狀態(tài)進(jìn)行分析的方法和手段。但是由于往往建筑內(nèi)房間數(shù)量眾多，且形式錯(cuò)綜復(fù)雜，Ｃ Ｆ Ｄ 計(jì)算量巨大，計(jì)算時(shí)間長。因此在利用該技術(shù)進(jìn)行分析時(shí)必須進(jìn)行必要的技術(shù)分析和模型簡化。本文以同濟(jì)大學(xué)文遠(yuǎn)樓為研究對象進(jìn)行具體分析。文遠(yuǎn)樓于鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)建筑。
１ 自然通風(fēng)設(shè)計(jì)
風(fēng)環(huán)境是空氣流在建筑內(nèi)外空間的流動狀況及其對建筑使用的影響，是建筑環(huán)境設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)重要內(nèi)容。在以往的建筑物理研究發(fā)展中，風(fēng)環(huán)境在一定程度上被忽視了。在自然環(huán)境日益受到重視的今天，自然通風(fēng)對于人體舒適度和建筑節(jié)能的作用顯得尤為重要。室內(nèi)風(fēng)環(huán)境設(shè)計(jì)的目的有兩個(gè)：其一是控制室內(nèi)空氣品質(zhì)；其二是解決夏季或過渡季節(jié)的熱舒適性問題，以取代或部分取代空調(diào)，從而達(dá)到降低能耗的目的。風(fēng)環(huán)境設(shè)計(jì)分為自然通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)，自然通風(fēng)以其節(jié)能無污染的特點(diǎn)具備積極的意義。自然通風(fēng)的形成是靠熱壓（溫差）和風(fēng)壓。雖然其風(fēng)速和風(fēng)向不可預(yù)測，但由于具有節(jié)能、維護(hù)方便及保養(yǎng)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)［１］，所以自然通風(fēng)是調(diào)節(jié)室內(nèi)小氣候優(yōu)先使用的方法。改造后的文遠(yuǎn)樓使用了熱壓通風(fēng)和上懸式的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的開窗
方式來利用自然通風(fēng)。
１．１ 熱壓通風(fēng)
熱壓通風(fēng)又稱煙囪通風(fēng)，與風(fēng)壓通風(fēng)相比，熱壓通風(fēng)更能適應(yīng)常變的外部風(fēng)環(huán)境，熱壓通風(fēng)的原理如圖 １ 所示。熱壓通風(fēng)系統(tǒng)不僅能創(chuàng)造熱舒適，減少空調(diào)的使用，同時(shí)還可以減少“建筑綜合癥”發(fā)生的可能。在夏季早晨，夜間冷卻了的“煙囪”從室外吸入較熱的空氣，這種逆向煙囪效應(yīng)能使室內(nèi)獲得舒適的空氣流動。當(dāng)“煙囪”內(nèi)不斷升溫，其作用又反饋回來，涼爽的室外空氣又被利用起來。文遠(yuǎn)樓的生態(tài)節(jié)能改造就充分利用自然通風(fēng)技術(shù)，外立面門窗的上懸窗設(shè)計(jì)、室內(nèi)豎向通風(fēng)井都為文遠(yuǎn)樓提供了良好的自然通風(fēng)，減少了空調(diào)使用能耗。
１．２ 上懸式開窗
建筑單層外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的開窗方式首先解決兩個(gè)問題：一是對氣流形成一定遮擋，減小原有風(fēng)速；二是設(shè)置擋板及運(yùn)用可控制開窗方式使進(jìn)入室內(nèi)空間的氣流改變運(yùn)動方向，減小行人高度的風(fēng)速。滿足這兩個(gè)條件的可控制開窗方式有下懸及上懸兩種模式， 為兩種模式的開窗方式。下懸開窗方式的特點(diǎn)為氣流從底部進(jìn)入室內(nèi)后向上方移動，減小對人坐立點(diǎn)高度的影響；上懸開窗方式的特點(diǎn)為氣流進(jìn)入室內(nèi)后，窗戶的開啟使氣流進(jìn)入室內(nèi)后向下部空間移
動，這種方式對人坐立位置的高度影響較大。針對文遠(yuǎn)樓主要做為人群密集的學(xué)習(xí)工作場所，因此采用上懸的開窗方式。所示為外立面上懸窗和室內(nèi)走廊通風(fēng)口。
２ ＣＦＤ 模擬分析
當(dāng)前自然通風(fēng)的研究著重于采用傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行自然通風(fēng)的設(shè)計(jì)，大部分都是定性的設(shè)計(jì)，缺少節(jié)能方面定量的分析結(jié)果。使用定量分析的有風(fēng)洞試驗(yàn)和計(jì)算流體力學(xué)（ＣＦＤ）兩種方式，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，Ｃ Ｆ Ｄ 以其廉價(jià)、便利的方式得到越來越廣泛的應(yīng)
用。本文選用基于有限容積法的專門用于建筑通風(fēng)空調(diào)分析的ＣＦＤ 軟件—— Ｆｌｕｅｎｔ Ａｉｒ－ｐａｋ 對文遠(yuǎn)樓的風(fēng)流場進(jìn)行分析。該軟件可以準(zhǔn)確地模擬通風(fēng)系統(tǒng)的空氣流動、空氣品質(zhì)、傳熱、污染和舒適度等問題，提高設(shè)計(jì)手段，減少設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，降低成本。此次模擬是以文遠(yuǎn)樓底層為例，中間部分為走廊，兩側(cè)為對稱的教室，新風(fēng)從教室外側(cè)的窗戶中進(jìn)入室內(nèi)，再從教室內(nèi)側(cè)的一排高窗中排入走廊，最后再由上側(cè)通風(fēng)口向上排出。室外進(jìn)風(fēng)速設(shè)定
為 １．５ｍ／ｓ，得到不同高度、不同切面的風(fēng)速、空氣齡分布圖。１ｍ 高度的空氣速度分布圖和空氣齡分布圖顯示，教室內(nèi)在 １ｍ高度空氣的速度相對較低，最大速度約為 １．５ｍ／ｓ，空氣齡也相對較長，高度與人坐立時(shí)候高度相差不多，剛好避免了過大的風(fēng)速對教室內(nèi)人造成的干擾。２ｍ 高度的空氣速度分布圖和空氣齡分布圖顯示，教室內(nèi)在 ２ｍ高度空氣的速度較之 １ｍ 處有了明顯提高，風(fēng)速普遍高于 １．５ｍ／ｓ，位于教室東西兩端的風(fēng)速相對較低，空氣齡也明顯的縮短，空氣流通加快，有效地改善了教室內(nèi)空氣的新鮮程度。３ｍ 高度的空氣速度分布圖和空氣齡分布圖顯示，教室內(nèi)在 ３ｍ高度空氣的速度進(jìn)一步加大，靠近教室內(nèi)位于內(nèi)側(cè)墻上的排風(fēng)口處風(fēng)速逐漸加大，位于教室東西兩端的風(fēng)速相對較低�？諝恺g較短，空氣流通加快，位于走廊頂部的排風(fēng)口風(fēng)速達(dá)到最大。從縱切面中可以看出，室外的新風(fēng)從兩側(cè)的窗口進(jìn)入教室內(nèi)，
再從教室內(nèi)側(cè)的窗洞口處排出，風(fēng)速逐漸加大，由于室內(nèi)上層空氣的運(yùn)動，帶動下層空氣隨之運(yùn)動，從而達(dá)到改善整個(gè)空氣品質(zhì)的效果。在走廊上部排氣口風(fēng)速達(dá)到最大，在走廊下層由于上層空氣快速流動，下層空氣也隨之形成了一個(gè)低速渦旋，改善走廊的通風(fēng)效果，并且不會對內(nèi)部的行人造成任何不適。通過上述模擬實(shí)驗(yàn)，我們對不同高度層面的空氣速度場和空氣齡分布狀況進(jìn)行了定量的直觀模擬，對改造后的文遠(yuǎn)樓自然通風(fēng)原理有了一個(gè)全面且更直觀的認(rèn)識。在室外溫度適宜的春秋或者初夏
時(shí)節(jié)，利用大樓自身的自然通風(fēng)，可以有效的降低室內(nèi)溫度，提高熱舒適性，并改善空氣品質(zhì)，降低空調(diào)的能耗，最終達(dá)到節(jié)能的目的。為文遠(yuǎn)樓一年中各月份空調(diào)使用情況表，在某些特殊的時(shí)段如 ５ 月下旬和 １０ 月上旬，即圖中橫陰影線表達(dá)的區(qū)域，在未充分利用自然通風(fēng)情況下需要開啟空調(diào)來保持舒適度，而如果充分利用通風(fēng)，則可以減少該時(shí)段的空調(diào)使用.
３ 結(jié)論
本文通過采用自然通風(fēng)來進(jìn)行直觀定量的節(jié)能分析方式，為建筑節(jié)能探索出一條有效的技術(shù)方案。在以后的設(shè)計(jì)中我們可以利用計(jì)算流體力學(xué)軟件 Ｆｌｕｅｎｔ�。粒椋颍校幔� 模擬分析以優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其達(dá)到理想的功效。選擇自然通風(fēng)系統(tǒng)，需要把建筑看成是有生命的有機(jī)體，與氣候和諧共處，與建筑使用者的要求相適應(yīng)。雖然與一些發(fā)達(dá)國家相比，綠色建筑自然通風(fēng)系統(tǒng)在我國還處于起步階段，但隨著節(jié)能需求的日益迫切，生態(tài)、綠色概念的深入人心。
