绿色工业建筑风环境设计研究——以苏州地区机械加工类厂房自然通风优化为例

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随着我国工业建筑能耗持续上升,降低工业建筑能耗,推进绿色工业建筑的发展,已成为当前建筑设计师的考虑首要问题。我国机械加工厂房数量众多,室内空间大,许多非精密类型厂房对室内密封性要求不高,在夏季与过渡季节,厂房空调使用率较高,使得建筑空调能耗过大。苏州地区受季风气候影响,常年多风,自然通风存在很大的利用潜力。在工业建筑设计中,基于当地风环境,合理组织室内建筑风环境,巧妙的营造出绿色健康的使用空间,将自然通风合理的运用到建筑设计中,能适当减少建筑能耗,提高室内环境舒适度。虽然在2014年发布了《绿色工业建筑评价标准》(GB/T50878-2013),国内出现较多绿色工业建筑实例介绍,但对建筑风环境和自然通风优化设计的阐述也只是轻描淡写。大多数建筑设计人员只是按照规范标准和设计经验来简单进行建筑风环境设计,其中大部分建筑风环境的模拟分析,都忽略了室内外风压的同时考虑,只是单独的模拟分析室外风环境或室内风环境,通过自然通风优化设计来模拟分析工业建筑能耗的研究资料更是凤毛麟角。  现阶段,国内大部分的机械加工类厂房内部自然通风的营造缺乏,风环境的组织是依靠门窗处风压来实现,室内风速和窗口风压呈现正比例关系。在夏季(6月)和过渡季节(9月)中,尽量增加迎风面开窗面积,促成正负压力差界面的形成,保证室外的新鲜空气进入室内,增加室内风速,降低室内各层空气龄,从而间接缩短厂房空调开启的运作时间,减少建筑空调能耗,达到绿色节能的目的。在冬季,在导热和对流的作用下,大面积的外窗会将增加建筑耗热量的损失,增加建筑热负荷,不利于达到工业建筑全年节能的目的。无庸赘述,在厂房设计时考虑风环境,组织自然通风对改善建筑能耗具有一定影响。但在确定开窗面积不变的情况下,提出优化措施,如何让厂房运用自然通风改善室内风环境,达到降低建筑能耗是本次课题研究的主要目的,希望通过研究得出结果能对机械加工类厂房的自然通风优化设计,以及我国绿色工业建筑的发展起到一定的理论指导作用。  本文针对苏州地区机械加工类厂房建筑,采用CFD(PHOENICS)数值模拟技术,对不同地区和不同类型的厂房室内外风环境进行模拟,针对厂房不同高度的风压场和风速场及表面风压值进行模拟分析,对比模拟结果与实测数据之间的方差值,并验证模拟结果的可靠性。与此同时,分析现有厂房内部各层自然通风存在的问题,根据实测数据和参考资料对厂房迎风面窗口和内部隔断等部位提出优化设计意见。最后,借用DeST能耗模拟软件对比分析原有工况和改善后,验证优化设计的合理性。  在调研苏州地区多个厂房中,笔者选择三个不同区域的三个厂房作为研究案例。经过实地测量和数值模拟中发现,室外风环境方面:案例一(江源4#厂房,单层,周围不其他建筑)的风环境较好,案例二(优德通力厂房,单层,西侧邻高层)受高层办公楼影响,窗口风压值较低,案例三(东风精冲厂房,多层,西、南面有其他建筑)的西面与南面受相邻建筑影响,两面窗口风压值较低;室内风环境方面,在各案例中,除靠近窗口区域的室内风速与空气龄较为理想,其他区域实测与模拟的结果均不理想。本文针对洞口平面位置和导风板这两项优化措施来提出改进方案。对案例一中的各工况进行模拟分析,得出结论:外窗口处适当增加导风板,并保证原有开窗面积时,能有效改善室内局部自然通风。夏季节约14141.43W的空调冷负荷,降低约2.25%。对案例二中的各工况进行模拟分析,得出结论:外窗口处适当增加导风板,并保证原有开窗面积时,能有效改善室内局部自然通风,导风板凸出越长,效果越明显。夏季节约7724.79W的空调冷负荷,降低约1.73%。对案例三中的各工况进行模拟分析,得出结论:外窗口处适当增加导风板,并保证原有开窗面积时,能有效改善室内局部自然通风,导风板凸出越长,效果越明显。夏季节约4993.9W的空调冷负荷,降低约0.87%。结合三个不同案例的优化结果,归纳出各厂房风环境的方案优化设计。研究结果对于绿色工业建筑节能设计,以及既有机械类工业厂房设计有一定的参考价值。
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