运用模拟分析技术优化室内环境的绿色建筑设计实践

作为绿色建筑行业的咨询研究人员，我们认为，绿色建筑不是一种高科技的技术集成，而是设计合理，为人们提供健康、适用和高效的使用空间，与自然和谐共生的当代建筑。

因此近年来，我们的工作思路一直在转变，从单纯的根据《绿色建筑评价标准》要求去指导建筑设计，到现在深入参与设计，积极运用模拟分析技术为设计师服务，解决问题，寻找绿色建筑的最优解。下面两个实践案例，介绍了我们是如何运用模拟分析技术进行室内环境优化的。

1. 超高层建筑大空间环境的设计优化

1.1 设计中需解决的问题

本项目为深圳市一超高层建筑，首层大厅为一高大空间，大厅的室内温度环境的设计标准较高，设计及控制上均有一定难度。一方面大厅的外围护结构均为透明玻璃幕墙，室外主要朝向为西、南侧，夏季空调冷负荷较大且分布不均，同时由于大厅属于高大空间，室内温度存在水平与垂直分布情况。另一方面，为配合建筑装修的要求，考虑到视觉效果，送、回风口的位置被严格限制。

因此本项目的设计难点在于，如何在建筑条件有限的条件下，对气流组织的控制采取精细化设计，使之满足室内环境的舒适度要求。

1.2模拟分析的方法

（1）调节各风口送风参数（包括送风量和送风角度）对室内环境进行控制，以适应大厅非均匀负荷分布的实际情况。对不同送风工况进行模拟计算，通过对比大厅人活动区域的温度场与速度场的均匀性，从而获得优化的风口送风风量分配以及送风角度方案。

（2）本次模拟共9个计算工况，包括1个设计工况和8个调整工况。其中4个调整工况为风量调整优化，即对各组风量进行调整，送风角度保持设计工况不变。根据设计工况的模拟结果，对于人员活动区域温度较高区域提高送风量，而在温度较低的区域减小送风量。另外4个调整工况为送风角度优化，即在调整风量分配的基础上调节送风角度，调整角度分别为 90°/ 60°/ 45°/ 30°，使空调送风直接供给空调区域，降低平均温度。

1.3模拟分析的结果

（1）风速调整结果

原设计工况风速场比较均匀，但区域温度较高（见图1）。经过4轮的风量调整优化，最终调整工况4的计算结果显示，大厅主要人员活动区域的温度分布均匀，平均温度约为26.5℃,整体温度比设计温度值稍高。主要人员活动区域风速均在0.3m/s以下，能够满足舒适性需求（见图2、3）。

▲图1 设计工况人活动区域温度水平分布

▲图2 调整工况4人活动区域水平温度分布

▲图3 调整工况4人活动区域水平风速分布

（2）角度调整

当送风角度调整为60°时，平均温度为25.5℃，主要人员活动区域风速均在0.3m/s以下能够满足舒适性需求。

当送风角度调整为45°时，平均温度为24.5℃，主要人员活动区域平均风速为0.4m/s，但考虑到大厅人员走动引起空气扰动、以及停留时间较短的特点，因此基本能够满足舒适性需求。（见图4、5）

当送风角度调整到30°时，大部分区域风速达到0.6m/s，有吹风感，会对人体舒适性产生不良影响。

▲图4 送风角度45°人员区域水平温度分布

▲图5 送风角度45°人员区域水平风速分布

1.4设计优化建议

本项目将工况四的调整送风量参数确定为设计参数，用于确定各个送风口和送风管道的尺寸选型，送风角度调整为45°至60°。优化后的大厅主要人员活动区域平均温度值和温度、风速的分布情况，均能够满足设计及使用要求。

2 某国际机场的采光优化

2.1设计中需解决的问题

本项目需要对机场室内空间进行自然采光模拟计算分析，根据相关标准要求评价其室内二层主要空间的自然采光质量是否舒适，并以此确定天窗的适宜宽度。

2.2模拟分析的方法

（1）首先依据《建筑采光设计标准》GB50033-2013第3.0.3和第4.0.13条，确定采光二层主要功能空间舒适的采光系数区间为2.2%-7.7%

（2）模拟中，主要功能房间包括值机大厅、候机厅、连接通道、商业、餐厅等。设备机房、库房、办公区、等不计入模拟范围。计算高度面为高于各层楼板750mm的工作面。

（3）为简化模拟计算，按照吊顶的孔隙率对其透光率进行折算。折算后透光率与天窗的透光率进行相乘叠加。因此，吊顶的孔隙率设为50%，天窗采用双层LOW-E玻璃（透光率60%），其最终透光率为30%。

（4）根据天窗的不同尺寸建立3个采光模型，其中模型Ⅰ的天窗宽度为3m，模型Ⅱ宽度为5m，模型Ⅲ宽度为7m。三个模型的模拟区域全部相同。

2.3模拟分析的结果

（1）模型I ，主要房间的采光系数舒适区间（2.2%-7.7%）的比例为56.96%，自然采光舒适区域主要集中在中部的值机大厅，但相邻的商业等房间采光系数不足2%（图6）。

（2）模型Ⅱ，主要房间的采光系数舒适区域的比例为41.31%，虽然值机大厅的采光系数多在7.7%以上，但商业区域的采光系数基本高于低限值要求的2.2%（图7）。

（3）模型Ⅲ，主要房间的采光系数舒适区间比例为25.92%，值机大厅的采光系数普遍较高，基本超过11%（图8） 。

▲图6 模型Ⅰ（天窗宽度3米）二层主要功能空间的采光计算结果

▲图7 模型Ⅱ（天窗宽度5米）二层主要功能空间的采光计算结果

▲图8 模型Ⅲ（天窗宽度7米）二层主要功能空间的采光计算结果

2.4设计优化建议

二层主要功能房间采光系数舒适区间比例最高的模型为Ⅰ号模型，其次为模型Ⅱ和模型Ⅲ。但是模型Ⅰ中二层商业及一些非临窗房间的采光系数较低，未能达到采光标准中要求的2.2%低限值，因此降低了建筑整体的采光效果。而模型III值机大厅采光系数太高，易造成夏季晴天过热及不舒适眩光等问题。综合考虑上述因素，模型Ⅱ的模拟结果最为理想，建议天窗宽度为5m。

3 结束语

通过上面的案例可以看出，模拟分析技术的运用，能够真正为建筑设计解决实际问题。希望在今后的绿色建筑设计中，我们能够为更多的设计师提供技术上的支持；同时也希望我们将来能更进一步，不是被动地等待设计师提出问题，而是真正能参与到绿色建筑设计中，为设计师提出更好的优化建议。

■ 参考文献

[1] 梁楠，朱颖秋，马晓钧，蔡志涛．深圳中州塔工程大空间非均匀送风参数的优化设计．2014年第十九届全国暖通空调制冷学术年会论文集，75．

来源：朱颖秋 城市生态与节能论坛