CN103778285B - 一种空气龄可视化的建筑设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种空气龄可视化的建筑设计方法，通过一些计算机的智能操作，就可以得出空气龄的在不同高度的分布图，以此来得出空气龄可视化的建筑设计方法。通过这些得到的空气龄分布图，可以直观的观察其分布情况。本文通过采用自然通风来进行直观定量的节能分析方式，为建筑节能探索出一条有效的技术方案。选择自然通风系统，需要把建筑看成是有生命的有机体，与气候和谐共处，与建筑使用者的要求相适应。虽然空气龄可视化的建筑设计方法在我国还处于未起步阶段，但随着节能需求的日益迫切，生态、绿色概念的深入人心以及从“以人为本”到“以建筑为主体”的认识思想的转变，利用空气龄可视化的建筑设计方法势必会如雨后春笋般地涌现出来。
Description
技术领域
本发明涉及计算机技术应用领域，具体涉及一种空气龄可视化的建筑设计方法，可以轻松准确的观察建筑内部的空气龄指数，从而找出使其稳定性的控制方法。通过这些得到的空气龄分布图，可以直观的观察其分布情况，以此来对空气龄进行最大限度得调查和研究。此次模拟是以文远楼底层为例，中间部分为走廊，两侧为对称的教室，新风从教室外侧的窗户中进入室内，再从教室内侧的一排高窗中排入走廊，最后再由上侧通风口向上排出。
背景技术
在人类健康日益受到重视的今天，自然通风对于人体舒适度和建筑节能的关系显得尤为重要。根据Sandberg等人的定义,空气龄是房间内某点处空气在房间内已经滞留的时间，反映了室内空气的新鲜程度，它可以综合衡量房间的通风换气效果，是评价室内空气品的重要指标。空气龄已成为继温度、湿度之后评价室内空气品质的又一重要参数。热舒适性是人对各种因素构成的复杂环境系统的综合反映。热舒适环境是人在心理状态下感到满意的热环境。它取决于人体能量代谢率、空气温度、空气水蒸气分压力、空气流速、房间辐射平均温度、人体服装热阻等六个主要因素。一种空气龄可视化的建筑设计方法的目的有两个：其一是控制室内空气品质；其二是解决夏季或过渡季节的热舒适性问题，以取代或部分取代空调，从而达到降低能耗的目的。风速和风向不可预测，但由于具有节能、维护方便及保养费用低等优点，所以自然通风是调节室内小气候优先使用的方法。当前的自然通风的研究着重于采用传统的经验进行自然通风的设计，大部分都是定性的设计，缺少节能方面定量的分析结果。当前使用定量分析的有风洞试验和计算流动动力学（CFD）两种方式，随着计算机技术的发展，CFD以其廉价、便利的方式得到越来越广泛的应用。空气龄可视化的建筑设计方法的使用能够提高设计手段、减少设计风险、降低成本。虽然风速和风向不可预测，但由于具有节能、维护方便及保养费用低等优点，所以自然通风是调节室内小气候优先使用的方法。而通过一些计算机的智能操作，就可以得出空气龄的在不同高度的分布图，以此来得出空气龄可视化的建筑设计方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种空气龄可视化的建筑设计方法；
本发明的另一目的是提供一种快速有效的了解建筑内部产生的空气龄的方法；
本发明的另一目的是提供一种能够利用计算机信息技术来观察建筑空气龄的方法。
本发明提出的一种空气龄可视化的建筑设计方法，具体步骤如下：
(1)、将所测建筑物视为一个大空间网格，所述大空间网格的内部由无数个相同的小空间网格组成，小空间网格的大小根据计算精度来确定，每个小空间网格对应一个房间，或可将若干个小空间网格根据需要进行空间重组；
(2)、确立分析计算时所需要的建筑环境信息和湿度环境信息，将所述信息输入计算机中进行建筑环境及湿度环境的模拟，得出整个大的空间网格的空气龄数据；
所述空气龄的测量采用下降法计算得到；设房间中某一点的空气由不同空气龄的空气微团组成，故该点所有微团的空气龄存在一个频率分布函数f(τ)和累计分布函数F（τ）；累计分布函数F与频率分布函数f之间的关系如下：
（1）
某一点的空气龄τp是指该点所有微团的空气龄的平均值：
（2）
测量空气龄的计算公式如下：
（4）
采用自然通风系统，对空间的空气流动方向分解成以下四种情况的组合：
（a）无分岔管道内流动，空气龄在管道内的增量为：
（5）
（b）沿分岔管道分流，由于空气性质分岔前后或无限短处不变，所以空气龄分岔前后或无限短处不变；（c）沿管道汇合汇流，汇合点后或无限短处的空气龄通过下式确定：
（6）
其中：τi和Li分别代表第i支参与汇合的风道内在汇合点前或无限短处气流的空气龄和风量；
（d）通风房间内流动：首先通过N-S方程（7）用计算流体力学方法确定房间内空气流速分布，再根据方程（4）用数值方法求解空气龄，所有这些方程都可写成如下同一形式：
（7）
其中是通用变量，可以代表u,v,w等，是密度，的扩散系数和源项。
(3)、在采光模拟软件平台上，利用插件导入步骤(2)得到的建筑环境以及湿度环境模拟所得出的空气龄数据进行二层模拟；
(4)、再根据步骤(3得到的二层模拟对每一个小的空间网格进行计算，所求得的数据就作为将来建筑空气龄的参考；
(5)、在计算机中进行房间数量和属性的设置，那么空间布局中的空气龄就可被肉眼观察和研究了；
(6)、最后根据要求，对整个所测建筑进行功能布置的分析，在分析中将属性相同的功能区尽可能的集中于一体；
(7)、通过采用CFD软件的Fluent，用Fluent模拟从不可压缩流体到高度可压缩流体，使空气龄分布变成图像显示，可直观的观察空气龄在不同高度的分布，便于我们调查、研究；
采用非结构网格（即Tgird）对其周围流体进行网格划分。因此采用标准K-ε模型。其所有的控制微分方程包括连续方程、动量方程和K方程和ε方程，公式如下所示（考虑流体不可压缩，稳态后的简化）：
湍流黏性系数 （8）
连续性方程 （9）
动量方程 （10）
k方程 （11）
方程 （12）
方程（11）与（12）各项含义：从左到右依次为对流项、扩散项、产生项、耗散项。式中，μ为流体动力黏度（下标t表示湍动流动）；ρ为流体密度，单位为m3/s；cμ为经验常数；k为湍流脉动动能；ε为耗散率；ui为时均速度；σk和σε分别是与湍流动能k和耗散率ε对应的Prandtl数；i和j为张量指标，取值范围（1,2,3)。根据张量的有关规定，当表达式中的一个指标重复出现两次，则表示要把该项在指标的取值范围内遍历加和。根据Launder等的推荐值及后来的实验验证，模型常数C1ε、C2ε、cμ、σk 、σε的取值分别为：C1ε＝1.44、C2ε＝1.92、cμ＝0.09、σk＝1.0、cμ＝1.3；
从而得出直观的观察空气龄在不同高度的分布。
本发明中，所述的建筑环境信息包括建筑材料和结构；所述的湿度环境信息包括太阳辐射对建筑表面形成的太阳辐射程度、周边的风压和周边的风向。
本发明中，所述采用自然通风系统，即是将每个房间的室外的新风从两侧的窗口进入房间内，再从房间内侧的窗洞口处排出，风速逐渐加大，由于房间室内上层空气的运动，带动下层空气随之运动，从而达到改善整个空气品质的效果；在走廊上部排气口，风速达到最大，在走廊下层由于上层空气快速流动，下层空气也随之形成了一个低速涡旋，改善走廊的通风效果，并且不会对内部的行人造成任何不适。
本发明的有益效果在于：
具体地说，本发明的优点如下：室外的新风从两侧的窗口进入教室内，再从教室内侧的窗洞口处排出，风速逐渐加大，由于室内上层空气的运动，带动下层空气随之运动，从而达到改善整个空气品质的效果。在走廊上部排气口，风速达到最大，在走廊下层由于上层空气快速流动，下层空气也随之形成了一个低速涡旋，改善走廊的通风效果，并且不会对内部的行人造成任何不适。
通过上述模拟实验，我们对不同高度层面的空气龄分布状况进行了定量的直观模拟，对改造后的文远楼自然通风原理有了一个全面的，且更直观的认识。在室外温度适宜的春秋或者初夏时节，利用大楼自身的自然通风，可以有效的降低室内温度，提高热舒适性，并改善空气品质。降低空调的能耗，最终达到节能的目的。
附图说明
图1为1米高度空气龄分布图；
图2为2米高度空气龄分布图；
图3为3米高度空气龄分布图；
图4为纵切面空气龄分布图；
图5为空气龄在不同环境下分布情况示意图；其中：(a)为不同密闭时间，(b)为不同通风时间。
图6为空气龄可视化具体实施步骤示意图；
图7为空气龄可视化形成过程示意图；
图8为标准层户型空气龄图；
图9为实际通风系统中对空气龄的计算方法。
图中标号：1.空气龄，2.建筑内部，3.建筑墙体。
具体实施方式
下面通过实施例进一步说明本发明。
空气龄可视化的建筑设计方法不仅能创造热舒适，减少空调的使用，同时还可以减少“建筑综合征”发生的可能。
数值计算空气龄公式
数值计算方法是根据示踪气体的质量守恒方程，得到其质量浓度输运方程，然后根据示踪气体法，可以推导出空气龄的输运方程：
式中u,v,w分别为x,y,x三个坐标轴方向的速度；为扩散系数。从上式可以看出，空气龄与流动和扩散系数有关。方程形式与连续性方程、动量方程、湍流模型方程相同。有了空气龄输运方程，就可以采用数值计算方法对空气龄进行求解。
下降法测量空气龄的计算公式
房间中某一点的空气由不同空气龄的空气微团组成，因此该点所有微团的空气龄存在一个频率分布函数f(τ)和累计分布函数F（τ）。累计分布函数F与频率分布函数f之间的关系如下：
（1）
某一点的空气龄τp是指该点所有微团的空气龄的平均值：
（2）
用示踪气体方法测量某一点示踪气体浓度随时间的变化过程，得到该点空气龄的频率分布函数f或累计分布函数F，从而可计算出该点的空气龄。以下降法为例，空气龄的累计分布函数F如下：
（3）
其中，Cp(τ)为测点时刻示踪气体浓度。
于是，采用下降法测量空气龄的计算公式如下：
（4）
实际通风系统中对空气龄的计算方法见图9。
不论是多么复杂的通风系统，总可以按照空气流动方向分解成以下四种情况的组合：（1）无分岔管道内流动（例如从点M1到点S1）；（2）沿分岔管道分流（在点S1处）；（3）沿管道汇合汇流（在点M1处）；（4）通风房间内流动。对这四种情况的空气龄分布，我们可以在满足精度要求的情况下作如下处理：
（1）无分岔管道内流动，空气龄在管道内的增量为：
（5）
（2）沿分岔管道分流，由于空气性质分岔前后（无限短处）不变，所以空气龄分岔前后（无限短处）不变。
（3）沿管道汇合汇流，汇合点后（无限短处）的空气龄通过下式确定：
（6）
其中τi和Li分别代表第i支参与汇合的风道内在汇合点前（无限短处）气流的空气龄和风量。
（4）通风房间内流动：首先通过N-S方程（7）用计算流体力学方法确定房间内空气流速分布，再根据方程（4）用数值方法求解空气龄。所有这些方程都可以写成如下同一形式：
（7）
方程中u，v，w等的边界条件前人已有说述，在此不再赘言。
如说明书附图所示，通过空气龄可视化的建筑设计方法，1米高度的空气龄分布图显示，空气龄相对较长，这个高度与人坐立时候高度相差不多，刚好避免了过大的风速对教室内人造成干扰。
2米高度的空气龄分布图显示，位于教室东西两端的风速相对较低，空气龄明显的缩短，空气流通加快，有效的改善了教室内空气的新鲜程度。
3米高度的空气龄分布图显示，空气龄较短，空气流通加快，位于走廊顶部的排风口风速达到最大。
可以轻松使空气龄得到可视化的设计方法。此外也可以根据需要确定建筑功能的布置，将建筑所需要的功能空间进行合理利用。此专利技术的实现先要融合三种技术系统来实现，第一是建筑受光分析系统，这是一种能够通过太阳辐射对建筑表面形成的太阳辐射程度来判断建筑受光情况；第二种是周边风压和风向对建筑的散热情况，如冬季的北方会加速建筑温度的流失；第三种是计算机的智能化分析，就是根据前面两步得到的空气龄分布的数据，来妥善将同一属性的功能空间进行集中，这个属性的设置可以以采光为重点考虑，也可以由空气龄分布情况来重点考虑。有了这三种技术，通过一个软件平台进行融合，就可以计算出所需要的建筑体量关系。借此在这个体量关系上做到进一步的节能设计，本发明致力于发展可持续发展战略进入建筑领域的必要技术。作为体量计算必不可少的环节，计算机的运用是通过精确的公式换算，编入本发明需要的验收标准。
将整个建筑物视为一个大的空间网格，所述大的空间网格的内部由无数个相同的小空间网格组成，小空间网格的大小根据计算精度来确定，每个小空间网格对应一个房间，且还可进行另外的空间重组；确立分析计算时所需要的一切建筑信息和环境信息，将这些信息输入计算机中进行建筑环境及湿度环境的模拟，得出整个建筑物的空气龄分布情况；在采光模拟软件平台上，利用插件导入建筑环境以及湿度环境模拟所得出的空气龄分布数据进行二层模拟；再根据已获知的数据信息对每一个建筑空间网格进行计算，在计算机中进行房间数量和属性的设置，那么空间布局中则根据能量流失的多少来布置相应的房间在对应的部位上；最后根据要求，对建筑进行功能布置的分析，在分析中将属性相同的功能区尽可能的集中于一体。所述的建筑信息包括建筑材料和结构；所述的环境信息包括太阳辐射对建筑表面形成的太阳辐射程度、周边的风压和周边的风向。
本发明所要解决的关键问题是如何同时引用采光数据和受气压影响的温度数据。就当前的分析软件，模拟采光和模拟流体环境的软件是分离的，然而在本发明的分析中，采光软件所要分析的主要是建筑受采光以及阳光热辐射对建筑温度的影响，而空气龄可视化的建筑设计方法所要模拟的是以空气龄分布为主要数据的，从这里可以得出，其实我们所共同需要运用到的是空气龄分布的数据。这样就可以以采光软件为基础平台，在此基础上布设插件，它可以自动将风环境模拟过的空气龄分布数据放进来进行第二层模拟，就找到了两者的兼容方法。
此外，智能化分析方式也是本发明需要解决的问题，这里所需要解决的数据问题其实是建立在已经得出的完整空气龄分布数据基础上，有了这个空气龄分布信息数据，再根据房间功能的大小比例模数信息和设计师输入的功能房间数量信息，抓住了这两点就可以快速的实现智能分析，把方案展现在设计师的面前。
本发明的优势：
1.可以轻松使观察建筑内的空气龄分布。
2.建筑内部因空调产生的空气龄通过计算机技术的运用实现了可视化的操作。
3.将建筑内部的空气龄达到最科学合理的分析，建筑内部的功能空间都被合理的利用。
4.利用大楼自身的自然通风，可以有效地降低室内温度提高热舒适性，并改善空气品质，降低空调的能耗，达到节能的目的。
具体实施步骤：确立所需要的一切建筑信息和环境信息，将这些信息输入计算机进行建筑环境及湿度环境的模拟，得出空气龄信息。在采光模拟软件平台上，利用插件导入建筑环境模拟的空气龄在不同高度的分布数据进行二层模拟。根据已获知的数据信息对每一个建筑空间网格进行计算，这些数据就作为将来房间布局的参考。在计算机中进行房间数量和属性的设置，根据要求对建筑进行功能布置的分析，在智能分析中会属性相同的的功能区尽可能的集中于一体。
得出合理的建筑内部空气龄的数据，为建筑师确立方案提供依据。本发明要解决的问题是对于各种功能房间的数据参数和属性要求的优先选取，在真实布局时，可能会存在两种环境的矛盾，一面要求准确的数据，一面要求热损耗小，通风舒畅，当两种要求不能同事具备时，就要选取一个优先条件。然后根据喜好可以编辑优先选择顺序，重新进行运算选取。
二次计算是本发明的创新之处，成功运用了不同软件的数据信息，模拟施加在建筑表面的风压和降温参数，以这些参数为参考再对室内进行二次计算，最后得出一套自动的建筑方案，大大提高了建筑设计节能的智能化程度。
当前的自然通风的研究着重于采用传统的经验进行自然通风的设计，大部分都是定性的设计，缺少节能方面定量的分析结果。当前使用定量分析的有风洞试验和计算流动动力学（CFD）两种方式，随着计算机技术的发展，CFD以其廉价、便利的方式得到越来越广泛的应用。空气龄可视化的建筑设计方法可以准确地模拟通风系统的空气流动、空气品质、传热、污染和舒适度等问题。空气龄可视化的建筑设计方法的使用能够提高设计手段、减少设计风险、降低成本。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的一个可行性实施例的具体说明，但是该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更，例如，等变化的等效性实施例，均应包含于本案的专利范围之内。
空气龄可视化的建筑设计方法不仅能创造热舒适，减少空调的使用，同时还可以减少“建筑综合征”发生的可能。在夏季早晨，夜间冷却了的“烟囱”从室外吸入较热的空气，这种逆向烟囱效应能使室内获得舒适的空气流动。当“烟囱”内不断升温，其作用又反回来，凉爽的室外空气又被利用起来。文远楼的生态节能改造就充分利用自然通风技术，外立面门窗的上旋窗设计，室内竖向通风井都为文远楼提供了良好的自然通风，减少了空调使用能耗。
此方法适用于同类型同领域的建筑载体，这将是一项重大的技术革新，透过此方法的大力普遍使用，将节约大量的物力财力，今后定会成为建筑设计领域中不可或缺的重大突破。以此来对空气龄进行最大限度得调查和研究，更好的了解空气龄在建筑设计中的重要作用，以便捷于建筑设计，推进人类与自然的和谐共处。本文通过采用空气龄可视化的建筑设计方法，为建筑节能探索出一条有效的技术方案。选择自然通风系统，需要把建筑看成是有生命的有机体，与气候和谐共处，与建筑使用者的要求相适应。虽然空气龄可视化的建筑设计方法在我国还处于未起步阶段，但随着节能需求的日益迫切，生态、绿色概念的深入人心以及从“以人为本”到“以建筑为主体”的认识思想的转变，利用自然通风系统的绿色建筑势必会如雨后春笋般地涌现出来。
Claims (3)
1.一种空气龄可视化的建筑设计方法，其特征在于具体步骤如下：
(1)、将所测建筑物视为一个大空间网格，所述大空间网格的内部由无数个相同的小空间网格组成，小空间网格的大小根据计算精度来确定，每个小空间网格对应一个房间，或将若干个小空间网格根据需要进行空间重组；
(2)、确立分析计算时所需要的建筑环境信息和湿度环境信息，将所述信息输入计算机中进行建筑环境及湿度环境的模拟，得出整个大的空间网格的空气龄数据；
所述空气龄的测量采用下降法计算得到；设房间中某一点的空气由不同空气龄的空气微团组成，故该点所有微团的空气龄存在一个频率分布函数f(τ)和累计分布函数F(τ)；累计分布函数F与频率分布函数f之间的关系如下：
某一点的空气龄τp是指该点所有微团的空气龄的平均值：
测量空气龄的计算公式如下：(4)
采用自然通风系统，对空间的空气流动方向分解成以下四种情况的组合：
(a)无分岔管道内流动，空气龄在管道内的增量为：
(b)沿分岔管道分流，由于空气性质分岔前后或无限短处不变，所以空气龄分岔前后或无限短处不变；
(c)沿管道汇合汇流，汇合点后或无限短处的空气龄通过下式确定：
其中：τi和Li分别代表第i支参与汇合的风道内在汇合点前或无限短处气流的空气龄和风量；
(d)通风房间内流动：首先通过N-S方程(7)用计算流体力学方法确定房间内空气流速分布，再根据方程(4)用数值方法求解空气龄，所有这些方程都可写成如下同一形 式：
其中是通用变量，可以代表u,v,w；ρ，是密度，且是的扩散系数和源项；
(3)、在采光模拟软件平台上，利用插件导入步骤(2)得到的建筑环境以及湿度环境模拟所得出的空气龄数据进行二层模拟；
(4)、再根据步骤(3)得到的二层模拟对每一个小的空间网格进行计算，所求得的数据就作为将来建筑空气龄的参考；
(5)、在计算机中进行房间数量和属性的设置，那么空间布局中的空气龄就可被肉眼观察和研究了；
(6)、最后根据要求，对整个所测建筑进行功能布置的分析，在分析中将属性相同的功能区尽可能的集中于一体；
(7)、通过采用CFD软件的Fluent，用Fluent模拟从不可压缩流体到高度可压缩流体，使空气龄分布变成图像显示，可直观的观察空气龄在不同高度的分布；
采用非结构网格对其周围流体进行网格划分；因此采用标准K-ε模型；其所有的控制微分方程包括连续方程、动量方程和K方程和ε方程，公式如下所示，考虑流体不可压缩，稳态后的简化：
湍流黏性系数
连续性方程
动量方程
k方程
ε方程
方程(8)与(9)中cμ为经验常数；k为湍流脉动动能；ε为耗散率；ui为时均速度；为偏导符号；
方程(11)与(12)各项含义：从左到右依次为对流项扩散项产生项耗散项式中，μt中μ为流体动力黏度，下标t表示湍动流动；ρ为流体密度，单位为m3/s；σk和σε分别是与湍流动能k和耗散率ε对应的Prandtl数；i和j为张量指标，取值范围1,2,3；根据张量的有关规定，当表达式中的一个指标重复出现两次，则表示要把该项在指标的取值范围内遍历加和；根据Launder等的推荐值及后来的实验验证，模型常数C1ε、C2ε、cμ、σk、σε的取值分别为：C1ε＝1.44、C2ε＝1.92、cμ＝0.09、σk＝1.0、σε＝1.3。
2.根据权利要求1中的一种空气龄可视化的建筑设计方法，其特征在于：所述的建筑环境信息包括建筑材料和结构；所述的湿度环境信息包括太阳辐射对建筑表面形成的太阳辐射程度、周边的风压和周边的风向。
3.根据权利要求1中的一种空气龄可视化的建筑设计方法，其特征在于：所述采用自然通风系统，即是将每个房间的室外的新风从两侧的窗口进入房间内，再从房间内侧的窗洞口处排出，风速逐渐加大，由于房间室内上层空气的运动，带动下层空气随之运动，达到改善整个空气品质的效果；在走廊上部排气口，风速达到最大，在走廊下层由于上层空气快速流动，下层空气也随之形成了一个低速涡旋，改善走廊的通风效果。
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