CN103853880B

CN103853880B - 一种空气速度可视化的建筑设计方法

Info

Publication number: CN103853880B
Application number: CN201410017518.6A
Authority: CN
Inventors: 钱锋
Original assignee: Tongji University
Current assignee: Tongji University
Priority date: 2014-01-15
Filing date: 2014-01-15
Publication date: 2017-01-18
Anticipated expiration: 2034-01-15
Also published as: CN103853880A

Abstract

本发明涉及一种空气速度可视化的建筑设计方法，通过一种空气速度可视化的方法来观察气流，势必会为人类的健康带来福音。本发明的目的有两个：其一是控制室内空气品质，对人类的健康起到极大的帮助；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。本文通过采用空气速度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。在以后的设计中可以利用空气速度可视化的建筑设计方法以优化设计，使人类不再受空调病的烦扰，有益于身体健康造福全人类。

Description

一种空气速度可视化的建筑设计方法

技术领域

本发明涉及计算机技术应用领域，说明一种空气速度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速度矢量分布，从而找出使其稳定性的控制方法。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

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。空气速度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。空气速度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，就可以得出空气速度的在不同高度的分布图，以此来得出一种空气速度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速度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速度的分布的方法；

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速度的方法。

本发明提出的空气速度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速度数据；

所述空气悬浮速度计算公式：

式中：F——物料颗粒在垂直于气流平面上的投影面积，m²；

ρ_a——空气的密度，kg/m³；

v_t——气流的速度，m/s；

C——阻力系数，是雷诺数Re及物体形状等因素的函数；

在计算悬浮速度时，是向上运动的空气流使物料颗粒悬浮，空气对颗粒的流体阻力R为空气动力；当物料颗粒处于悬浮状态时，作用在颗粒上的空气动力R与物料的浮重W_s相等，即R=W_s

可得W_s=V_s（ρ_s-ρ_s）g

式中：V——物料颗粒的体积，m³；

ρ_s——物料的密度，kg/m³；

代入上式，由于此时管内的气流速度为悬浮速度v_t，因此可得

对直径为d的球形颗粒，其断面积F=πd²/4，其体积V_s=πd³/6，所以

室内空气速度流通预测计算公式

式中 v_m为空气速度轴心速度，m/s；v_o为空气速度流出速度，m/s；C_d为喷射系数，通常为0.65～0.9;R_{f a}为风口有效面积系数；A_c为风口外形总面积，m²，x为距风口出口距离，m；A_o为等效喷射面积，A_o = v_c C_d R_fa，m²; K为速度衰减比例系数，由实验确定；式中用于计算等温自由射射流的中心速度衰减，对于非等温自由射流，可在式中附加一个非等温修正系数K_n，即表示为：

K_n是阿基米德数Ar_o、中心距离x以及A_o的函数；

(3)在计算机智能软件平台上，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速度数据进行二层模拟；

(4)再根据步骤(3)所得的二层模拟结果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速度的参考；

(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速度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)、通过计算机技术的应用，可视化方法的使用，使空气速度分布变成图像显示，可直观的观察空气速度在不同高度的分布，便于我们调查、研究。

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。

虽然其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，就可以得出空气速度的在不同高度的分布图，以此来得出空气速度可视化的建筑设计方法。

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速度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米高度空气速度矢量分布图；

图2为2米高度空气速度矢量分布图；

图3为3米高度空气速度矢量分布图；

图4为纵切面建筑空气速度矢量分布图；

图5为空气速度可视化实施步骤示意图；

图6为空气速度可视化形成过程示意图；

图7为超音速钝体绕流空气速度示意图；

图8为预测建筑内空气流动流型；

图9为建筑模型中的气流流动型式。

图中标号：1为空气速度，2为建筑内部，3为建筑墙体。

具体实施方式

下面通过实施例进一步说明本发明。

一种空气速度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。利用空气速度可视化的建筑设计方法，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。

空气悬浮速度计算公式

式中：F——物料颗粒在垂直于气流平面上的投影面积，m²；

ρ_a——空气的密度，kg/m³；

v_t——气流的速度，m/s；

C——阻力系数，是雷诺数Re及物体形状等因素的函数。

在研究悬浮速度时，是向上运动的空气流使物料颗粒悬浮，这时空气对颗粒的流体阻力R通常称为空气动力。当物料颗粒处于悬浮状态时，作用在颗粒上的空气动力R与物料的浮重W_s相等，即R=W_s

可得W_s=V_s（ρ_s-ρ_s）g

式中：V——物料颗粒的体积，m³；

ρ_s——物料的密度，kg/m³。

室内空气速度流通预测计算公式

式中 v_m为空气速度轴心速度，m/s；v_o为空气速度流出速度， m/s；C_d为喷射系数，通常为0.65～0.9;R_{f a}为风口有效面积系数； A_c为风口外形总面积，m²，x为距风口出口距离，m；A_o为等效喷射面积，A_o = v_c C_d R_fa，m²; K为速度衰减比例系数，由实验确定。式中用于计算等温自由射射流的中心速度衰减，对于非等温自由射流，可在式中附加一个"非等温修正系数"K_n，即表示为：

K_n是阿基米德数Ar_o、中心距离x以及A_o的函数。

如说明书附图所示，通过空气速度可视化的建筑设计方法，1米高度的空气速度分布图显示，教室内在1米高度空气的速度相对较低，最大速度约为1.5m/s，避免了过大的风速对教室内人造成干扰。

2米高度的空气速度分布图显示，教室内在2米高度空气的速度较之1米处有了明显的提高，风速普遍高于1.5m/s，位于教室东西两端的风速相对较低，空气流通加快，有效的改善了教室内空气的新鲜程度。

3米高度的空气速度分布图显示，教室内在3米高度空气的速度进一步加大，靠近教室内位于内侧墙上的排风口处风速逐渐加大，位于教室东西两端的风速相对较低，空气流通加快，位于走廊顶部的排风口风速达到最大。

可以轻松使空气速度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温度流逝的数据，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，也可以由温度流逝情况来重点考虑。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，本专利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风环境及湿度环境的模拟，得出整个建筑物的空气速度数据；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速度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，所求得的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，那么空间布局中的空气速度分布情况就可以被肉眼观察和研究了；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。

本专利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，然而在本专利的分析中，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，而空气速度可视化的建筑设计方法就是用来观察空气速度分布的情况，而这个空气速度可视化的方法主要是以空气速度分布为主要数据的，从这里可以得出，其实我们所共同需要运用到的是空气速度分布的数据。这样就可以以采光软件为基础平台，在此基础上布设插件，它可以自动将建筑环境模拟过的空气速度在不同高度的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专利需要解决的问题，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速度分布数据基础上。有了这个立体信息数据，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，将其重组为符合房间功能需要的方案设计，此外就是将具备向阳属性的房间自动南至，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。

本专利的优势：

1.可以轻松观察建筑内的空气速度分布情况。

2.建筑内部的空气速度通过计算机技术的运用实现了可视化的操作。

3.将建筑内部的空气速度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，得出空气速度信息。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速度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速度的数据，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，一面要求用于准确的数据，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。

二次计算是本专利的创新之处，成功运用了空气速度可视化的建筑设计方法提供的数据信息，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。空气速度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。空气速度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。

一种空气速度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。文远楼的生态节能改造就充分利用空气速度可视化的建筑设计方法，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。空气速度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，对人类的健康起到极大的帮助，为人类的健康带来福音；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。直接通过肉眼就可以对空气速度进行最大限度得调查和研究，更好的了解空气速度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。本文通过采用空气速度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。在今后的建筑设计理念中，空气速度可视化的建筑设计方法势必会如雨后春笋般地涌现出来。在以后的设计中我们可以利用空气速度可视化的建筑设计方法以优化设计，使其达到理想的功效。通过此方法的大力使用及推广，可以使人类不再受空调病的烦扰，有益于身体健康造福全人类。

Claims

1.一种空气速度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速度数据；

所述空气悬浮速度计算公式：

式中：F——物料颗粒在垂直于气流平面上的投影面积，m²；

——空气的密度，kg/m³；

v_t——气流的速度，m/s；

C——阻力系数，是雷诺数Re及物体形状等因素的函数；

在计算悬浮速度时，是向上运动的空气流使物料颗粒悬浮，空气对颗粒的流体阻力R为空气动力；当物料颗粒处于悬浮状态时，作用在颗粒上的空气动力R与物料的浮重W_s相等，即R＝W_s

可得

式中：V_s——物料颗粒的体积，m³；

ρ_s——物料的密度，kg/m³；

g——重力加速度，9.8m/s²；

代入上式，由于此时气流的速度v_t为悬浮速度，因此可得

对直径为d的球形颗粒，其断面积F＝πd²/4，其体积V_s＝πd³/6，所以

室内空气速度流通预测计算公式：

式中v_m为空气速度轴心速度，m/s；v₀为空气速度流出速度，m/s；C_d为喷射系数，通常为0.65～0.9；为风口有效面积系数；A_c为风口外形总面积，m²，x为距风口出口距离，m；A_c为等效喷射面积，，m²；K为速度衰减比例系数，由实验确定：式中用于计算等温自由射流的中心速度衰减，对于非等温自由射流，可在式中附加一个非等温修正系数K_n，即表示为：

K_n是阿基米德数Ar₀、中心距离x以及A₀的函数；

(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)通过计算机技术的应用，可视化方法的使用，使空气速度分布变成图像显示，可直观的观察空气速度在不同高度的分布，便于我们调查、研究。

2.根据权利要求1中的一种空气速度可视化的建筑设计方法，其特征在于：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。