模拟优化技术在绿色工业建筑设计的应用

通过采用通风模拟软件CFD和采光模拟软件Ecotect，对工业建筑在绿色化设计道路上进行了优化探索，重点在建筑间距、外窗可开启比例、屋顶倾斜角度等方面进行了优化设计。为绿色工业建筑的设计师们提供了借鉴和指导作用。

绿色建筑工业是指在保证人员热舒适的前提下，尽量降低工业建筑能耗，并达到《绿色工业建筑评价标准》的要求。本文主要利用CFD室内外风环境软件和Ecotect采光模拟软件，从被动式建筑节能技术角度出发，主要从以下3个角度出发改善室内外环境和降低建筑能耗。

1）通过优化建筑物位置进而改善室外风环境，形成较好室内外压差；2）通过优化外窗可开启面积进而改善室内自然通风，形成较好的气流组织；3）通过优化屋顶设计进而改善室内采光，提供较好的室内光环境。本文以福建省漳州市某厂房项目作为案例分析，结合厂房所在地区气候特点，对厂房内外的风环境、光环境模拟在绿色建筑设计中起到的作用进行探讨，主要用于建筑设计前期的方案推敲与优化。

1、室外风环境优化模拟分析

本厂房主要车间为铸造车间、装配车间、电镀车间、珍彩车间等，主要车间集中在厂区中部。本节的模拟背景为：珍彩车间北部的综合车间和南部的装配车间位置已确定，珍彩车间与装配车间由连廊连接。在规划设计阶段，为了使珍彩车间和装配车间之间有较好的室外风环境，又有合适的建筑前后风压差，以利于室内的自然通风。采用CFD模拟对珍彩车间的位置进行优化分析。设计的初步方案为珍彩车间距离装配车间15m，便于两栋建筑生产工艺上的产品运输。

但考虑到装配车间的长度较长，若两栋楼距离过近会在两栋楼之间形成风漩涡，因此考虑建筑间距为18m时，与15m的间距进行对比分析，进而选择较优的建筑布局。根据《中国建筑热环境分析专用气象数据集》统计得到漳州市夏季的主导风风向（SSE）为东南偏南22.5°，平均风速为4.1m/s。两种建筑间距工况下的模拟结果如下：

1.1风速模拟结果图

1.1、图1.2为距离地面1.5m高度的风速矢量图。图1.3、图1.4为风速云图。模拟结果显示，15m间距时建筑背风面的平均风速更大，主要原因是受迎风建筑长度影响，当间距为18m时迎风建筑形成的风影区面积更大，使得目标建筑完全淹没在迎风面建筑的风影区内，所以自然通风效果不如15m时好。

1.2风压模拟结果图

1.5、图1.6为珍彩车间和装配车间间距15m情况下的风压图。建筑物迎风面风压基本在-5.8Pa左右，背风面基本在-3.7Pa左右，前后压差大约在2.1Pa左右。图1.7、图1.8为间距18m情况下的风压图。建筑物迎风面风压基本在-5.8Pa左右，背风面基本在-3.7Pa左右，前后压差大约在2.1Pa左右。可见，两种间距下风压分布差别并不明显，前后压差均在2.1Pa左右，均满足夏季建筑物前后压差大于1.5Pa的要求。

1.3小结

根据模拟结果可以看出，两种间距下的建筑物前后压差均能满足室内自然通风的需求。但珍彩车间和装配车间楼距为15m时，两栋楼之间的室外风速更大，更有利于避免污染物的聚集。通过优化后的建筑物位置，使建筑物室内外能够形成有利的压差，以此为边界，对室内自然通风进而优化分析。

2、室内自然通风优化模拟分析

室内自然通风模拟优化以铸造车间为例进行分析，主要是考虑到铸造车间有局部热源，对自然通风的需求更大。模拟的目的是为了确定外窗可开启的比例，以达到较好的自然通风效果。

2.1外窗可开启方案

该车间主体建筑设计、外窗位置、开启方式均已确定，故仅针对该厂房的外窗可开启面积做定量和定性的模拟分析。图2.1为两种不同的推拉式外窗的方案设计，图（a）中为双扇推拉可开启式外窗，可开启面积为50%，图（b）中为单扇推拉可开启外窗，可开启面积为25%。建筑厂房内人员、设备相对集中，散热量大，使得室内形成稳定的热源，有利于建筑热压通风，通过室内自然通风模拟做进一步研究。

2.2室内自然通风模拟结果及分析图

2.2中给出了两种外窗开启面积条件下分别模拟得到的厂房自然通风效果分布图，图中由于厂房人员密度大，室内发热设备较多，形成了稳定的热压通风。当外窗为双扇推拉可开启时，厂房的室内自然通风平均风速为0.15m/s，当外窗为单扇推拉可开启时，厂房的室内自然通风平均风速为0.17m/s，后者略大于前者。从两种方案下，垂直方向上室内气流分布图(c)和(d)可知，单扇推拉可开启外窗条件下，室内形成稳定的热压通风，室内整体通风效果优于外窗采用双扇可开启时。

分析主要原因为，当采用双扇可开启时，进风口距离较短，容易发生气流短路，同时，在过渡季时，室外风速较大若房间可开启的面积较大时，将影响室内形成稳定的热压，不利于厂房类进深较大的建筑实现热压通风。由于风压通风受室外季节影响较大，而热压通风在室内热源稳定的情况下，室内自然通风受室外季节影响相对较小，鉴于以上原因，建议厂房的天窗均采用双扇可开启外窗，各立面上的外窗采用单扇可开启外窗即可。

3、室内自然采光优化模拟分析

良好的自然采光同样可以较少人工照明所产生的能耗。本次模拟目的为在铸造车间的建筑设计阶段，采用Ecotect软件进行模拟计算，通过模拟对比分析不同建筑设计方案下该厂房的室内采光效果，以此确定本厂房屋顶的最优设计方案。

3.1屋顶倾斜方案介绍

图3.1中给出了不同屋顶设计方案下建筑立面图，两种不同倾角的屋顶设计方案的主要区别在于屋顶天窗的位置发生了改变。屋顶方案A中天窗位于建筑的正中，相对于地面的高度与方案B保持一致，从热压通风原理分析，热源进出口侧的相对高度保持一致条件下对室内热压通风的影响效果相同，因此本节重点对不同屋面做法对室内自然采光的影响进行分析。

3.2建筑自然采光模拟结果

由自然采光模拟结果可知，无论该厂房屋顶方案设计为等坡度斜屋顶或者是不等坡度斜屋顶，厂房的整体采光系数均达到6.77%，《建筑采光设计标准》GB50033-2013的采光要求。但由图3.2所示，如果从自然采光的均匀度分析，图（a）中厂房中部存在明显的采光较差的区域，同时该方案中车间区域部分存在较多局部较强光线分布，从而降低了室内的光舒适性，使得长期工作在室内的工作人员容易产生视觉疲劳，可能会导致生产效率降低等一系列问题。相较而言，图（b）中整体自然采光效果更为均匀，无较大面积的局部光线较弱和较强区，室内光舒适度相对方案A更高。

3.3光舒适度比较分析

图3.3给出了两种屋顶设计方案下厂房的整体采光效果对比分析图，结果显示，该厂房屋顶采用等坡度的斜屋顶时，厂房自然采光局部差异化较为明显，光线最弱区采光系数为1~2%范围内的建筑面积比例达1.43%，而采光系数为9~10%范围内的建筑面积也达4.3%。从强光分布和弱光分布面积范围来看，屋顶采用等坡度的斜屋顶时均大于采用不等坡度的方案B，而B方案中有近40%的面积采光系数分布在4%~7%之间，由此可知，屋顶采用不等坡度斜屋顶时得到的自然采光分布均匀度更好，局部强光或弱光的分布面积较小，整体光舒适度更高。

本文从室外风环境模拟、室内自然通风模拟、室内自然采光模拟三个方面对工业厂房项目的建筑设计中的技术进行了优化分析，得出的结论如下：

1、采用CFD模拟软件对室外风环境进行模拟，重点结合工业建筑生产及运输工艺需求，考虑室外风环境避免室外污染物的聚集，同时利于建筑前后形成风压差，利于室内自然通风等方面，优化各车间布局；通过室内自然通风模拟，无论从开窗形式、开窗比例、天窗开启比例上都可进行优化改进。

2、通过采用Ecotect软件进行室内自然采光模拟，可以分析含有天窗的屋顶不同倾斜角度下厂房内的自然采光效果，从自然采光的整体采光舒适度、采光分布均匀度的角度选择较优的设计方案，以达到降低能耗，同时为工作提供舒适光环境的目的。总之，采用模拟软件进行优化分析，对设计师在工业整体布局及车间被动式技术设计方面均具有借鉴和指导作用。

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