《建筑通风模拟教学课件》演示文稿

建筑通风模拟教学课件欢迎参加建筑通风模拟课程！本课程将系统介绍建筑通风模拟的基本原理、应用方法及主流软件操作技巧通过本课程学习，您将掌握如何利用计算流体力学进行建筑通风设计、评估与优化，提高建筑环境舒适度并降低能耗通风是建筑环境工程中的核心环节，直接影响使用者的健康与舒适度随着计算机技术的发展，通风模拟已成为现代建筑设计不可或缺的工具希望本课程能为您提供专业而实用的知识与技能课程目标与内容介绍理论基础掌握软件技能培养系统学习建筑通风的基本原理、分类方法及其对室内环境熟练掌握、等主流通风模拟软件的Ansys Fluent PHOENICS的影响机制，建立完整的理论知识框架操作方法，能够独立完成从建模到结果分析的全过程案例实战能力前沿技术了解通过多种典型建筑类型的通风模拟案例分析，培养实际应介绍集成与人工智能在建筑通风模拟中的应用，把握BIM用能力，解决实际工程问题行业最新发展动向建筑通风定义与意义建筑通风的定义对人体健康的影响节能环保意义建筑通风是指通过自然或机械手段，将良好的通风可以提供充足的氧气，减少合理的通风设计可显著降低建筑能耗，室外新鲜空气引入室内，同时将室内污室内二氧化碳与各类污染物的浓度，预减少碳排放在适宜气候条件下，充分浊空气排出的过程它是控制室内空气防病态建筑综合症，降低呼吸道疾病的利用自然通风可减少空调系统的运行时品质、调节热环境的重要手段，也是建发生率，对维护使用者的健康至关重间，降低约的制冷能耗，符合绿色30%筑环境工程的核心内容之一要建筑发展趋势研究表明，通风不良可导致工作效率下降，增加认知障碍风险15-20%建筑通风的分类机械通风通过风机等设备强制引导气流正压通风送风为主自然通风•负压通风排风为主•利用风压差与热压差形成的空气流动，无需平衡通风送排风量相等机械设备•单向通风单侧开窗•混合通风穿堂风双侧开窗•结合自然与机械通风优势的综合系统烟囱效应利用垂直温差•自然通风辅助机械•+季节交替使用方式•智能控制系统调节•通风对室内环境的影响温湿度调节通风可带走室内多余热量与湿气，降低夏季室温，减少冬季窗户冷凝在过渡季节，适当通风可减少空调使用，降低能耗达以上40%污染物稀释室内装修材料、家具等释放的甲醛、等有害物质，以及人体呼出TVOC的二氧化碳，都需要通过适当通风稀释排出研究表明，每小时次

0.5的换气率可降低室内污染物浓度以上60%气流与舒适性气流速度直接影响人体舒适感夏季的气流可提高舒适

0.15-

0.25m/s度，而冬季应控制在以下避免穿堂风感垂直温差与气流分

0.15m/s布不均则可能导致局部不适建筑通风标准与规范规范名称适用范围主要要求《民用建筑供各类民用建筑规定了最小新风量、换GB50736暖通风与空气调节设计气次数、气流组织等技规范》术参数《通风与国际通用基于人均面积与建筑用ASHRAE

62.1室内空气质量标准》途的通风量计算方法《公共建筑节公共建筑对通风系统能效提出了GB50189能设计标准》具体要求《住宅建筑新住宅建筑住宅新风系统的设计、JGJ/T309风系统技术标准》施工与验收标准中国标准相比国际标准，更强调在特定气候条件下的适应性，同时对等特殊污染PM

2.5物的控制要求更为明确近年来，中国标准逐步与国际接轨，但仍保持本土化特色通风量的基本计算方法换气次数法基于房间容积计算所需通风量L=n×V其中L为通风量m³/h，n为换气次数次/h，V为房间容积m³适用于简单空间的初步估算，不同建筑类型有推荐换气次数标准人均通风量法基于使用人数计算L=q×N其中L为通风量，q为人均新风量m³/h·人，N为人数适用于人员密集场所，如教室、会议室等单位面积通风量法基于建筑面积计算L=q×A其中L为通风量，q为单位面积通风量m³/h·㎡，A为面积㎡适用于大空间或人员密度较为稳定的区域污染物浓度控制法基于稀释特定污染物所需通风量L=G/Ci-Co其中G为污染物产生率，C为浓度i内，o外适用于特定污染源控制场所建筑布局对通风性能的影响建筑朝向与通风主导风向与建筑长轴平行效果最佳开口布局设计进出风口对角布置可提高通风效率周边环境影响邻近建筑遮挡会形成复杂气流模式内部空间组织开放式布局有利于气流流通建筑布局是影响通风性能的首要因素研究表明，合理的朝向设计可提高自然通风效率以上在北方地区，建筑的主导朝向应考虑冬季防寒与夏季通风的平衡；30%而在南方地区，应优先考虑夏季的主导风向，以最大化自然通风效果开口的大小、位置与形式同样重要垂直高差大的开口可增强热压通风效果，而水平对置的开口则有利于风压通风建筑群体布局应避免形成风影区，造成某些区域通风不畅常见通风问题分析气流短路通风死角现象新风直接流向排风口，未能现象某些区域气流流动极弱，形有效扩散到整个空间成空气滞留区成因进排风口位置设计不合理，成因家具阻挡、空间布局不合距离过近或直接对向理、风口布置不当解决方案调整进排风口相对位解决方案优化室内布局，考虑增置，增加扩散板或导流装置设辅助送风设备或改变通风口形式能耗与效率矛盾现象通风量增加提高了空气质量但能耗显著上升成因未考虑热回收、系统匹配不合理、控制策略简单解决方案采用热回收装置，按需通风，智能控制系统建筑通风模拟的作用30%设计缺陷提前发现率通过模拟可在施工前发现潜在通风问题，避免后期返工25%通风方案能耗降低通过优化设计可显著降低通风系统能耗40%舒适度提升幅度精确模拟使室内气流组织更合理，提高用户体验60%设计周期缩短虚拟测试替代多次实物测试，加速设计迭代建筑通风模拟提供了气流运动的可视化展示，帮助设计师和工程师直观理解通风效果，进行定量分析与优化通过模拟可以评估不同设计方案的性能，在实际实施前进行虚拟测试，降低设计风险通风模拟的基本原理空间离散化将连续流体空间划分为有限计算单元控制方程求解应用方程与能量方程N-S迭代计算求解器反复计算直至收敛计算流体力学（）是通风模拟的核心技术，它基于流体力学基本定律，结合数值计算方法，模拟空气流动与传热过程在建筑通风模拟中，通常CFD需要求解以下几组基本方程质量守恒方程（连续性方程）确保系统中的质量守恒；动量守恒方程（方程）描述流体运动规律；能量守恒方程处理热量传递过程；湍流模型方N-S程描述紊流特性这些方程组成了一个复杂的偏微分方程组，需要通过数值方法求解软件通过有限体积法或有限元法，将空间划分为小的控制体积，然后在每个单元上应用这些方程，最终通过迭代计算获得整个流场的解CFD湍流模型简介标准模型k-ε最广泛使用的湍流模型，计算稳定，适用于高雷诺数流动优点计算效率高，对计算资源要求较低缺点对强曲率流动、旋转流动预测精度较低模型RNG k-ε标准k-ε模型的改进版，增加了对旋涡流动的处理能力优点对复杂几何形状内流动预测更准确缺点计算成本略高，收敛性稍差模型Realizable k-ε进一步完善的k-ε模型，对应力项进行了修正优点对喷流、混合层、壁面流动等模拟更精确缺点在某些条件下收敛较慢模型k-ω对近壁面流动有更好的处理能力优点对低雷诺数流动和逆压梯度边界层处理更准确缺点对自由流动区域敏感性较高边界条件分类及设置边界条件是模拟的关键输入参数，直接决定了模拟结果的准确性常用的边界条件包括速度入口（）用于指定进CFD VelocityInlet风速度和方向；压力出口（）定义出口处的压力条件；墙面边界（）设置固体表面的摩擦和热传递特性；对称边Pressure OutletWall界（）用于简化有对称特性的模型Symmetry在建筑通风模拟中，边界条件设置应尽可能基于实际测量数据或标准规范例如，外部风场可采用气象站风速数据，室内热源可基于设备功率和人员密度估算设置不当的边界条件是导致模拟结果偏差的主要原因之一网格划分原则及影响结构化网格非结构化网格混合网格由六面体单元组成，排列规则，计算效率由四面体等不规则单元组成，适应性强结合两种网格类型优势在关键区域如边高适用于几何形状简单的模型，如规则对复杂建筑几何形状如弯曲表面、不规则界层使用结构化网格精确捕捉梯度变化，形状的房间生成速度快，单元质量好，开口有良好适应性自动生成便捷，但计其他区域使用非结构网格提高适应性平但对复杂几何适应性差算效率较低，对特征捕捉能力弱衡了计算精度与效率，是建筑通风模拟的常用选择收敛性与稳定性判断残差监测关键变量监测质量与能量平衡残差是方程不平衡度的度量，表示计算选择模型中的关键点或面，监测速度、检查整个计算域的质量和能量平衡情精度通常要求残差降至初始值的温度等变量的变化趋势当这些物理量况理论上，进出系统的质量和能量应10-3至各变量残差应呈现平稳下降趋达到稳定状态，不再随迭代次数显著变相等，其差值应接近零良好的模拟结10-6势，如出现大幅波动或上升，表明计算化时，可认为计算收敛果通常保持质量不平衡率小于

0.5%不稳定例如，可监测出风口温度、房间中心点对于自然通风，还应检查浮力项与压力但仅依靠残差收敛不足以判断结果可靠速度等参数，判断其波动是否在合理范项的平衡情况性，还需结合其他指标综合评估围内（通常小于）1%典型物理过程建模热压通风建模热压通风依赖温度差产生的密度差形成气流模拟时需正确设置•启用重力模型与浮力效应•精确定义热源功率与位置•建立合理的温度边界条件•选择适当的空气密度计算模型（Boussinesq近似或理想气体模型）风压通风建模风压通风利用建筑周围气流造成的压力差关键设置包括•准确的外部风场边界条件（速度、湍流参数）•正确定义建筑开口的位置与大小•考虑开口的阻力系数•模拟域边界要足够远离建筑以避免边界效应混合通风建模结合热压与风压效应的通风模式需要注意•同时考虑温度场与速度场的相互作用•建立合适的热-流耦合求解方案•计算域尺寸要兼顾室内外环境•选择更高精度的湍流模型处理复杂流动通风模拟结果的后处理流线可视化流线显示了气流的路径和方向，是理解气流组织最直观的方式可以通过改变流线的颜色、粗细来表示速度、温度等参数的变化对于识别气流短路、死角等问题尤为有效云图展示通过色彩梯度直观显示速度、温度、压力等物理量在空间分布情况剖面云图可以展示特定截面上的分布，而体积云图则可以显示整个三维空间的分布状态通常需要精心选择色标范围以突出关键区域的变化定量分析对关键区域或点进行数值提取，生成图表进行定量分析如不同高度温度剖面图、特定路径上的速度变化曲线等这些数据可用于与设计目标或标准要求进行比对，评估设计方案的性能动态展示通过动画展示时变的流场特征，尤其适合表现非稳态流动过程如瞬态自然通风动态粒子追踪可直观展示污染物扩散路径，帮助理解通风效果和气流组织方式通风模拟主流软件简介概述Ansys Fluent全面的物理模型支持多种流动、传热、湍流模型高效求解器架构并行计算技术与高性能算法复杂几何处理能力支持复杂建筑模型与网格处理丰富的用户界面直观的操作流程与结果展示是领域最广泛使用的商业软件之一，具有强大的通用性和灵活性其模块化结构包括前处理（几何建模、网格生成）、求解（方程求解、监控Ansys Fluent CFD收敛）和后处理（结果分析、可视化）三大部分，形成完整的工作流程在建筑通风模拟方面，特别适合处理复杂建筑形态、多区域耦合分析和非稳态通风过程它支持自然通风、机械通风和混合通风的各种物理模型，能够Fluent精确预测风压、热压等驱动力下的气流组织建模流程Ansys Fluent几何建模使用SpaceClaim或DesignModeler创建建筑几何模型•可导入CAD模型并进行简化•定义流体域和实体域•创建命名选择便于后续操作网格生成使用Meshing模块划分计算网格•设置全局网格尺寸与局部加密•创建边界层网格捕捉壁面流动•进行网格质量检查物理模型设置在Fluent中设置物理模型与求解控制•选择适当的湍流模型（通常为k-ε）•定义边界条件（速度、温度等）•设置求解器参数与收敛条件求解计算启动求解过程并监控•初始化流场•设置监测点•评估收敛情况结果分析使用后处理工具分析结果•创建流线、云图等可视化视图•提取定量数据与特征值•生成报告与动画常用模块Ansys FluentSpaceClaimMeshing Solver直接建模工具，用于创建网格生成工具，支持多种核心求解器，负责数值计或修改3D几何模型特点网格类型包含自动网格算提供基于压力和基于是操作简单直观，能够快划分功能，可根据几何特密度的求解器选择，支持速处理导入的CAD模型，征智能调整网格密度提稳态和瞬态计算实现了执行修复、简化和参数化供网格质量评估与优化功多种离散格式和求解算操作在建筑通风模拟能，确保计算稳定性允法，平衡计算效率与精中，常用于简化复杂建筑许定义边界层网格，精确度具备并行计算能力，细节，提取流体域捕捉壁面附近的流动特可利用多核处理器加速大性型模型计算Results结果后处理与可视化工具提供丰富的绘图功能，如等值线、矢量图、流线等支持创建自定义图表和报告，进行定量分析能够生成高质量动画，展示时变流场特性方便的数据导出功能，便于与其他分析工具集成软件特点PHOENICS适用于建筑领域的专业功能友好的用户界面与工作流程是最早应用于建筑环境模拟的软件之一，具有针采用环境作为主要界面，用户可在PHOENICS CFDPHOENICS VRVirtual Reality对建筑通风特别优化的功能模块其子系统专为室内气流三维场景中直观地构建和编辑模型这种交互式操作方式大大降FLAIR和热舒适性分析设计，内置了常见组件库，如风机、散热低了学习门槛，特别适合建筑设计师等非专业人士使用HVAC CFD器、通风口等，可直接拖放使用软件提供了标准建筑材料数据库，包含常见墙体、窗户的热物理软件工作流程高度集成，从几何建模到后处理可在统一界面完参数，简化了模型设置过程同时集成了多种热舒适性评价指成，避免了在多个模块间切换的复杂性预设的求解方案库覆盖标，如、等，便于直接评估设计方案的舒适性了大多数建筑通风场景，用户只需少量调整即可启动计算，降低PMV-PPD ADPI能了操作难度相比等通用软件，在建筑应用方面操作更FluentCFDPHOENICS为简便，但在处理极复杂几何或特殊物理模型方面灵活性稍低基础介绍OpenFOAM开源的优势适用范围支持多种流体力学分析，在建OpenFOAMOpen FieldOperation andOpenFOAM是一套完全开源的工具筑通风领域尤为适用于自然通风分析，Manipulation CFD箱，基于语言开发其开源特性带来显包括风压和热压驱动流动；建筑群空气动C++著优势无需支付高昂授权费用；源代码力学研究；室内空气质量与污染物扩散模完全开放，可自由修改和扩展；活跃的用拟；城市微气候与风环境评估；复杂非稳户社区提供丰富的支持资源；可以根据特态通风过程定需求开发定制功能模块特别适合需要精确控制计算过程或有特殊对于研究机构和学术用途，的物理模型需求的高级用户，但对入门用户OpenFOAM开源性特别有价值，允许研究人员深入理不够友好解和改进算法应用案例国际上，已在多个知名建筑项目中应用伦敦碎片大厦的自然通风优化；新加OpenFOAM坡花园城市项目的城市通风评估；迪拜高层建筑群的风环境分析在中国，清华大学、同济大学等机构利用进行了北京冬奥场馆通风设计、上海超OpenFOAM高层建筑通风性能优化等研究，取得了良好效果通风模拟辅助建模软件Revit SketchUp软件领导者，提供完整建筑信息模型，可直观的建模工具，插件丰富，可与多种BIM3D CFD直接输出几何数据至软件软件对接CFDAutoCAD Rhino传统软件，精确的模型可导出至多强大的建模软件，处理复杂曲面建筑形CAD2D/3D NURBS数平台态的理想选择CFD在通风模拟工作流程中，专业建模软件与软件的无缝对接至关重要作为工具可提供包含材料属性、系统信息的完整建筑模型，通过专用接CFD RevitBIM口或中间格式（如、）将几何和参数传递给软件，保持模型一致性.sat.stl CFD因其简单易用的特点广受欢迎，通过插件如可直接将模型发送至云端平台则凭借其参数化设计能力，特别适合SketchUp SimScaleConnector CFDRhino处理非常规建筑形态的通风模拟前期准备工作选择合适的辅助建模软件可显著提高工作效率，减少数据转换过程中的错误软件选择与对比软件名称适用项目类型优势劣势费用水平Ansys Fluent复杂建筑、研功能全面、精学习曲线陡峭高（约6-10万究项目度高元/年）PHOENICS常规建筑通风界面友好、专高级功能较少中（约3-5万元设计业HVAC/年）OpenFOAM学术研究、创开源免费、可使用难度大免费新项目定制SketchUp+插概念设计、小易用、集成度精度和功能有低（约5千-2万件型项目高限元/年）FloVENT空调系统专项HVAC组件库丰通用性稍弱中（约4-6万元分析富/年）选择合适的通风模拟软件应综合考虑项目需求、预算限制和用户专业水平对于复杂的研究项目或高要求的商业设计，等专业软件是更可靠的选择；而对于日常设计验证或教学目的，FluentPHOENICS或基于的插件可能更具成本效益SketchUp模型几何建设基本要求几何完整性确保流体域无间隙或重叠适当简化去除对气流无显著影响的细节尺寸准确保持关键几何特征的真实比例合理区域划分4便于后续网格划分与边界条件设置建筑通风模拟的几何模型应在保持物理真实性的同时，进行合理简化以提高计算效率通常需要保留的关键元素包括主要结构墙体与分隔；通风开口的准确位置与尺寸；对气流有显著影响的大型家具或设备；热源位置与体积可以简化或忽略的细节包括装饰性构件；小型家具；线缆、管道等小尺度元素；远离关注区域且对流场影响小的结构简化原则是重要开口周围保留更多细节，而远离关键区域的部分可适当粗化一个良好的几何模型应平衡计算资源需求与模拟准确性，避免不必要的复杂性建筑模型导入流程CAD格式转换建筑模型通常需要转换为软件可识别的格式常见的中间格式包括CAD CFD、、、等不同软件对格式支持不同，STEP.stp IGES.igs Parasolid.x_t ACIS.sat如推荐使用格式，而则更适合处理格式Fluent.sat OpenFOAM.stl模型清理导入后的模型通常需要清理处理修复破损面或边缘；删除重复实体；处理微小间隙或重叠；合并共面实体减少面数；检查并修正反向面这一步对确保后续网格生成的质量至关重要提取流体域分析需要的是流体域而非实体通常采用减法操作从环境体积中减去所有实CFD体结构，得到气流通过的空间对于复杂建筑，可能需要分区域提取，然后重新组合，以避免操作失败命名与组织为不同区域和边界面指定有意义的名称，如入口、出口、墙面等，便于后续设置边界条件合理组织模型结构，创建逻辑分组，提高工作效率网格划分技巧与注意事项边界层处理关键区域加密远场网格处理壁面附近的流动特性对通风效果有重要影通风开口、热源周围、预期有强梯度的区远离关注区域的网格可以适当粗化以节省响，需要特殊处理使用成长率为域需要更细密的网格开口处网格尺寸应计算资源通常采用渐进式放大策略，远

1.2-

1.3的边界层网格，第一层厚度应根据所选湍足够小，确保至少个单元跨越开口宽场单元尺寸可为近场的倍对于外部风5-103-5流模型确定对于标准壁面函数，值应度狭窄通道如门缝、窗缝应保证至少环境模拟，建筑物上游和两侧区域应保持y+3-4在范围；增强壁面处理则需要接个单元穿过，避免堵塞效应加密区域应适当加密，而下游尾流区可以逐渐粗化30-300y+近设置过渡区，避免相邻单元尺寸比超过确保计算域边界足够远，避免边界条件影1响核心区域的流场

1.2模型缩放与物理一致性处理尺度变换原则参数调整方法常见陷阱与解决方案在某些情况下，可能需要对原始建筑模当模型尺寸缩放后，需要相应调整物理模型缩放常见的问题包括型进行缩放处理，如风洞实验模型或超参数以保持相似性小尺度湍流效应丢失采用适当的湍•大建筑群进行尺度变换时，必须保持若建筑模型缩小到，为保持雷诺数一流模型补偿1/n物理一致性，确保关键无量纲参数不致，入口风速应增加倍，或流体动力黏n壁面传热特性变化调整壁面热边界变，主要包括•度减小倍对于热压问题，温度差应调n条件雷诺数保证流动相似性整，使格拉肖夫数保持不变•Re小开口流动阻力变化修正通风开口•格拉肖夫数热压流动相似性•Gr的损失系数在实际应用中，通常通过调整无量纲系普朗特数热传导与对流的相对•Pr数，如压力损失系数、对流热传递系数对于必须精确模拟的关键区域，应尽可重要性等，来补偿不可避免的尺度效应模型能保持原始尺寸，只对远场区域进行缩缩放率通常不建议超过，以避免引1:100对于建筑通风，特别是自然通风问题，放处理在结果分析时，必须考虑缩放入过大误差通常无法同时满足所有相似准则，需要因素，将模拟结果转换回实际物理量确定主导因素环境风场设置方法出口与边界条件湍流参数设置其他边界条件通常设置为入口风速剖面设置入口湍流参数对模拟结果有显著影响，通计算域尺寸确定•出口压力出口（零表压）准确的入口风速剖面至关重要通常采用常设置模拟外部风环境时，计算域边界必须足够幂律或对数律描述大气边界层•侧面与顶面对称或零剪切应力边界•湍流强度开阔地形10-15%；郊区远离建筑物，避免边界条件影响核心区域•地面无滑移壁面，设置适当粗糙度幂律Uz=Urefz/zrefα15-20%；城市20-30%流场通常建议•建筑表面无滑移壁面，可设置热边其中α根据地表粗糙度确定开阔地形•湍流长度尺度

0.07*特征长度（如建界条件•建筑物上游边界距建筑5H（H为建

0.14-

0.2；郊区

0.22-

0.28；城市

0.3-

0.4筑高度）筑高度）风速数据可来自气象站记录或设计规范，•对于k-ε模型，需计算k与ε值•建筑物下游边界距建筑15H（捕捉注意转换参考高度k=

1.5U*I2尾流）•侧向边界距建筑5H•顶部边界距建筑5H室内热源与通风口建模人体热源建模设备热源处理人体是室内主要热源之一，通常有两种建模常见设备热源包括电脑、照明、厨房电器方法等，建模方法简化几何法用简单几何体（如圆柱或方精确几何法用实际形状建模，适用于大型块）代表人体，表面设置热流密度约60-设备如服务器机柜100W/m²点热源法不考虑人体几何形状，直接在位简化边界法用表面热流或温度边界条件代置处设置体积热源，每人约75-100W替，适合分散小型设备对于人员密集区域，可设置区域热源，按人设备发热量可查设备参数或按经验值电脑员密度和单人发热量计算总热负荷150-300W，照明20-50W/m²通风口设置技巧通风口建模是影响模拟准确性的关键环节对于明确几何的风口，应保留栅格、导向叶片等结构特征对于复杂风口，可用多孔介质模型模拟阻力，设置合适的惯性和粘性阻力系数必须正确设置风量或速度边界条件，注意单位换算对于温度控制的系统，还需设置进风温度和热边界条件常用边界类型配置范例边界类型适用位置参数设置注意事项速度入口Velocity送风口、自然进风开速度大小、方向、温对于扩散型风口，可Inlet口度、湍流参数设置风速分布函数或使用UDF压力入口Pressure受压力驱动的开口总压力、温度、湍流适合不确定流动方向Inlet参数的通风开口压力出口Pressure排风口、建筑外部边静压力（通常为避免回流，或正确设Outlet界0）、回流条件置回流参数壁面Wall墙体、地面、窗户热边界条件温度、对不同材料区分设热流、对流系数置；考虑粗糙度影响多孔介质Porous过滤器、栅格窗、百孔隙率、压力损失系系数可通过实验或经Zone叶数验公式确定风扇Fan机械风机、排气扇压力-流量特性曲线或需参考实际风机性能简化压力跃升曲线设置在实际项目中，边界条件的设置应尽可能基于测量数据或设计参数，而非假设值对于复杂或非标准边界，可考虑使用用户自定义函数UDF实现更精确的描述边界条件是模拟结果准确性的关键，应谨慎处理典型室内自然通风案例演示

3.6m房间尺寸中等规模办公室

1.2m²开窗面积双侧对开窗设计

1.5m/s外部风速典型城市环境风速℃6温差室内外温度差值该案例展示了一个标准办公室的自然通风模拟模型采用了实际尺寸的办公室，包含双侧对开窗设计，考虑了内部家具布置对气流的影响模拟同时考虑了风压和热压的共同作用，更符合实际情况模拟结果显示，在

1.5m/s的外部风速和6℃室内外温差条件下，室内形成了良好的穿堂风效应气流在窗口附近速度较高（约

0.8-

1.0m/s），在室内中心区域速度适中（约

0.2-

0.4m/s），符合舒适性要求局部可发现小范围涡流区域，主要位于家具后侧，但未形成明显通风死角通过分析不同高度平面的速度分布，发现在坐姿高度（

0.6m）和站姿高度（

1.1m）处的气流速度分布均匀，有利于人体舒适感该案例验证了对开窗设计在办公环境中的有效性，同时也展示了家具布局对气流组织的影响开窗自然通风模拟分析机械送风系统建模风机建模技术风道与配件处理送风口模型风机是机械通风系统的核心组风道网络是连接风机与风口的送风口直接影响室内气流组件，建模方法通常有三种简通道，需要考虑压力损失和流织，其建模尤为关键线性送化边界法直接在入口设置速度量分配长直风道可简化为具风口可用狭缝简化，但需保留或流量边界条件，适合初步分有合适粗糙度的管道；弯头、正确的出风角度；旋流风口则析；压力跃升法使用风扇边界变径等配件可通过局部损失系需考虑旋转动量，可使用方向定义压力增量，需输入压力-流数模拟；风阀和调节装置则需向量定义；对于百叶风口，建量特性曲线；完整几何法建模设置正确的阻力特性对于复议保留实际几何特征或使用多风机的实际几何形状和旋转运杂风道系统，建议先进行一维孔介质模型送风参数应根据动，计算量大但精度高网络分析确定边界条件，再进设计风量和实测数据确定，不行三维CFD细节分析同风口类型的射程、扩散角有显著差异参数调整方法机械通风系统模拟中，参数调整是优化设计的关键步骤风量调整应逐步进行，每次变化不超过20%，观察室内气流组织变化；送风温度调整需考虑与室内热负荷的平衡；送风角度调整可显著改变气流覆盖范围参数调整应以改善热舒适性、避免气流直吹和消除死角为目标大空间通风（如体育馆）案例顶部送风策略温度分层效应混合通风优化大型体育馆常采用顶部送风方式，利用气流下大空间建筑典型特征是显著的温度分层现象将自然通风与机械通风结合是大空间最有效的沉覆盖大面积空间模拟结果显示，高位送风模拟显示，在高米的体育馆中，顶部与地面策略模拟研究表明，在过渡季节，开启高侧15需考虑热浮力影响，夏季冷风容易因密度大而温差可达℃这种分层可用于节能设计，夏窗可形成显著的烟囱效应，每小时换气次数5-8快速下落，导致局部冷风感；而冬季热风则有季只需调节低层空间温度，让热空气自然上可达次，大幅降低能耗设计中关键在于窗3-4上浮趋势，难以到达人员活动区优化设计升；冬季则需打破分层，促进空气混合策略口位置与面积比例的优化，高低窗口合理配置中，射流风口朝向和送风温差是关键参数，应性地布置回风口位置可有效控制分层程度可强化热压通风效果在不同季节和人员负荷精确控制下，自动控制系统可动态调整自然机械通风比/例内廊式住宅通风模拟实例内廊式住宅通常围绕中央中庭或风井组织，利用自然通风改善居住环境本案例模拟了一座层内廊式住宅，分析中庭通风效果及不同楼层的通风差异模型12包含完整的中庭空间、环绕走廊和简化的户型单元，考虑了外部风场、太阳辐射和内部热源的共同作用模拟结果显示，中庭在夏季能形成明显的烟囱效应，底部冷空气进入，上部热空气排出，形成自然对流通风在有外部风场的情况下，风压与热压共同作用，增强了通风效果但不同楼层表现出显著差异低层（层）主要受风压驱动，风速较大；中层（层）风速适中；而高层1-

30.3-

0.5m/s4-

80.2-

0.3m/s（层）则主要依靠热压通风，气流组织更为复杂9-12通过比较不同开口设计，发现顶部排风口面积对整体通风效果影响最大，增加的开口面积可提高平均换气率近该案例为内廊式住宅的自然通风优化30%50%提供了有价值的参考商业综合体通风设计对比封闭式与开放式布局对比实测与模拟结果对比商业综合体常采用不同空间组织策略，本研究对比了两种典型布为验证模拟准确性，研究团队在某典型商业综合体进行了详细的现局封闭分隔式和开放流动式模拟结果显示，封闭布局中各区域场测量，包括各区域温度、风速、浓度等参数测点布置采用CO₂气流相对独立，便于精确控制温湿度，能耗管理更为精细，但整体网格法，共设置个测点，覆盖不同功能区域和高度层次120空间感受较差；开放布局则气流连通性好，可利用中庭等公共空间形成引流效应，提升自然通风效率，同时提供更好的空间体验对比结果表明，温度模拟值与实测值的平均偏差为℃，风速偏±

0.8差为，总体吻合度良好主要偏差出现在人流密集区域±

0.15m/s在相同外部条件下，开放布局的平均气流速度高出封闭布局约和设备集中区，这些区域的瞬时负荷波动较大此外，中庭顶部的35%，但温度控制精度降低，区域间温差可达2-3℃从能耗角度温度分层现象在模拟中略显夸大，实际温差小于模拟值约15%看，开放布局在过渡季节可节省约空调能耗，但在极端天气条25%件下能耗可能略高通过调整湍流模型参数和边界条件设置，第二轮模拟的准确性有所提高，特别是在预测气流组织方面，与烟雾示踪实验的流型吻合良好这种反复验证的方法为商业综合体通风设计提供了可靠的技术支持公共建筑节能通风设计案例1234夏季模式过渡季节冬季模式全年智能控制利用夜间低温进行预冷全面开启自然通风系统最小化不必要的通风换气基于气象数据预测控制上部开窗排热，下部引入凉风利用风压与热压协同效应热回收系统回收排风热量CO₂浓度与温度联动调节智能遮阳系统控制日照关闭机械系统最大化节能利用内部热源辅助供暖用户反馈机制优化舒适度本案例研究了某大型公共图书馆的被动式通风设计，该建筑总面积15,000平方米，采用了多种节能通风策略模拟分析了不同季节的通风模式和能耗表现夏季模式下，建筑利用中庭烟囱效应强化自然通风，模拟显示在室外温度低于28℃的条件下，可完全依靠自然通风维持舒适夜间冷却策略能将建筑构件温度降低3-5℃，第二天可延迟空调启动时间约2小时冬季模式通过最小化通风量和热回收系统，将新风热损失降低约60%特别值得注意的是，图书室和设备区域的内部热源被巧妙地引导至公共空间，提供部分热量全年能耗模拟表明，相比同类常规建筑，该设计可节约约32%的空调能耗和28%的总能耗，同时保持或提高了室内环境质量绿色建筑通风案例LEED通风评分标准LEED v4LEEDLeadership inEnergy andEnvironmental Design认证中，通风设计主要关注两方面室内空气质量EQ Credit和能源效率EA Credit在室内环境质量类别中，通风相关指标包括最小通风性能前提条件、增强型通风策略2分、热舒适度1分和自然通风潜力评估创新加分案例建筑概况该项目为上海某LEED铂金认证办公建筑，建筑面积32,000平方米，采用了创新的混合通风设计核心策略包括双层表皮系统，内外层均可独立开启；分区通风控制，根据朝向和使用功能灵活调节；智能气象站联动，根据室外条件自动切换通风模式；以及高效热回收系统，回收率达85%通风模拟与优化CFD模拟在项目中发挥了关键作用，主要分析包括自然通风潜力评估，确定全年可自然通风天数约120天；气流组织优化，改进了风口布置以消除初期设计中的速度过高区域；以及热舒适性验证，确保95%的使用区域满足ASHRAE55标准通过多轮迭代模拟，最终设计方案在保证舒适度的同时最大化了自然通风利用率创新设计要点该项目的几点创新设计获得了LEED评审的高度认可需求控制通风系统DCV基于CO₂和VOC传感器实时调整新风量；风井与中庭组合系统创造了强大的烟囱效应；以及多级回风系统，可根据区域温度差异智能调整回风比例最引人注目的是其微压区设计，不同功能区维持细微的压力梯度，确保气流从清洁区域流向污染区域通风与污染物扩散模拟传输模拟危险气体泄漏应急通风系统效率评估PM

2.5随着公众对空气质量关注度提高，等对于实验室、工业设施等场所，气体泄漏应通风系统去除污染物的效率可通过通风效PM

2.5颗粒物在建筑内的扩散研究日益重要模拟急通风模拟至关重要此类模拟通常采用瞬率因子量化评估模拟研究比较了置换通采用欧拉拉格朗日方法，将颗粒物作为离态算法，考虑气体比重与扩散特性以某化风、混合通风和分层通风三种模式的效率-散相跟踪结果显示，自然通风状态下，室学实验室模拟为例，当氯气密度大于空气结果表明，在相同风量条件下，置换通风的内浓度分布极不均匀，窗口附近浓度泄漏时，传统顶部排风效率低下；而地面排污染物去除效率最高，可比混合通风高PM

2.5可达远端区域的倍；而在机械通风条件风口在分钟内可降低浓度以上模拟；分层通风则在保持舒适性同时提供了2-3580%40%下，合理的气流组织可使颗粒物分布更加均还表明，短时间内大风量排风比长时间小风中等的去除效率这种效率差异在低风速条匀量更有效件下更为明显

0.1-

0.2m/s结果与现场数据对比CFD仿真结果优化与验证参数调整与优化参数敏感性分析针对关键参数进行有针对性调整识别对结果影响最大的关键参数结果评估对比优化前后的模拟结果3迭代改进根据验证结果进一步完善模型实测验证与现场测量数据进行对比验证参数敏感性分析是优化模拟结果的关键步骤在建筑通风模拟中，最具影响力的参数通常包括入口边界条件（风速剖面、湍流参数）、湍流模型选择、网格分辨率以及材料热物理属性通过单因素变量法或正交设计法，可量化各参数对结果的影响程度，从而确定优化重点验证流程应遵循系统化方法首先进行网格独立性验证，确保结果不受网格影响；然后进行模型验证，比较不同物理模型的预测能力；最后是实验验证，将模拟结果与现场或实验室测量数据对比典型的可接受误差范围为风速±15%，温度±1℃，压力±10%当模拟结果超出这些范围时，需重新审视模型假设和边界条件设置迭代优化过程中，应保持物理一致性，避免为达到某一指标而过度调整特定参数，导致模型失去物理意义最终的优化目标是在计算资源合理范围内，获得具有工程意义的准确预测多通风参数协同优化策略通风模拟常见问题计算发散问题收敛速度慢表现残差持续增大或出现异常波动，计表现残差下降缓慢，需要大量迭代才能算无法继续达到要求常见原因边界条件设置不合理；网格质常见原因网格尺寸分布不均匀；复杂几量较差，如高度偏斜单元；初始化不当；何形状处理不当；多物理场耦合计算；欠物理模型选择不适合松弛因子设置过小解决方法使用较简单的物理模型先获得解决方法采用多重网格法加速收敛；优初始流场；降低松弛因子，减小迭代步化网格结构，保持邻近单元尺寸比小于长；优化网格质量，特别是高梯度区域；；调整松弛因子；使用更高效的求解算

1.2检查边界条件物理合理性法如SIMPLE-C物理不合理现象表现速度或温度分布不符合物理预期；质量或能量不守恒常见原因边界条件错误；湍流模型不适用；网格分辨率不足；未考虑重要物理机制解决方法检查并验证所有输入参数；在关键区域加密网格；选择更适合的湍流模型；引入必要的物理模型如浮力效应；参考类似案例中的合理设置软件运行效率提升技巧硬件优化高性能计算资源配置并行计算设置多核心与分布式计算策略云计算应用弹性计算资源与远程访问求解器优化算法选择与参数调整模型简化策略合理减少计算复杂度大型通风模拟项目常面临计算资源与时间限制，提升运行效率至关重要并行计算是最有效的方法之一，通过将计算负载分配到多个处理器同时执行对于结构化网格，域分解法效率最高；而非结构化网格则适合网格分区法Fluent等软件提供图形化并行设置界面，可指定核心数量和分配策略测试表明，对于中等规模模型1-5百万网格，使用8-16核心可获得最佳性价比，再增加核心数量边际效益递减云计算平台为资源受限的用户提供了灵活选择亚马逊AWS、阿里云等服务提供预配置的CFD环境，按使用时长付费对于季节性或偶发性的大型计算需求，云服务可避免硬件投资，典型配置每小时费用在30-200元之间此外，基于云的协作平台还便于团队远程协作，同步查看和分析模拟结果算法层面的优化同样重要选择合适的求解器如压力基或密度基、适当的离散格式和收敛控制参数，可显著影响计算速度AMG代数多重网格求解器对大型问题特别有效，而SIMPLE-C算法相比标准SIMPLE可提升20-30%的收敛速度结果可视化及多场景演示流线动画制作交互式展示技术多场景比较分析流线是表现气流路径最直观的方式制作高质量现代可视化已超越静态图像，转向交互式体验呈现不同设计方案的对比是结果可视化的关键应流线动画的关键步骤包括选择代表性释放点，基于技术的结果展示让用户能走入用有效的多场景对比应包含统一的评价指标VR/AR CFD通常在入口或关注区域设置；设定适当的流线密虚拟流场，直观感受气流变化实现方法包括体系，确保可比性；一致的可视化参数如颜色范度，太少无法展示流场特征，太多则视觉混乱；使用等工具导出或格式；在围、视角；关键区域的放大对比；以及量化指标ParaView VRMLFBX使用颜色映射表示速度或温度等物理量变化；添或引擎中构建交互场景；添加时间的对照表现代后处理工具如允许创建Unity UnrealEnSight加时间因子使流线沿流场移动，创建动态效果轴控制、截面移动等交互元素对于建筑师和决模板化布局，一次性生成多种工况的对比视图，常用的时间步长为真实流动时间的至，策者，这种沉浸式体验比传统图表更有说服大大提高工作效率通过动态切换不同场景，可1/101/52D以平衡流动细节展示和观看流畅度力，帮助他们理解通风方案的优劣直观展示参数变化对通风效果的影响通风模拟在新技术领域的拓展集成仿真BIM建筑信息模型BIM与CFD的集成代表了行业发展方向传统工作流程中，从建筑模型到CFD模型存在数据断层，每次设计变更都需要重建模型新一代集成平台实现了双向数据辅助设计流BIM模型直接导出包含材料属性的CFD几何；CFD结果反馈回BIM环境用于性能评估AI如Revit与Fluent的连接器插件，可保持模型参数化特性，支持设计变更自动更新仿真模人工智能技术正在改变通风模拟的应用方式机器学习算法通过分析大量CFD结果，建立型这种集成减少了80%的模型准备时间，显著提高了设计迭代效率参数与性能间的映射关系，实现快速预测深度学习模型如U-Net已被用于预测室内气流分布，计算速度比传统CFD快1000倍以上，精度损失控制在10%以内基于遗传算法的优化引擎可自动探索设计空间，寻找最优通风方案在某办公楼项目中，实时反馈系统AI辅助系统评估了2000多种开窗配置，找到的最优方案比人工设计提高通风效率28%传统CFD是离线分析工具，而新兴的实时CFD系统将模拟与建筑控制系统融合这些系统使用简化物理模型和边界元素法，结合实时传感器数据，持续更新预测模型例如，某智能办公楼部署的数字孪生系统，每15分钟更新一次室内气流预测，为HVAC控制提供前馈信息移动应用程序允许设施管理人员通过平板电脑查看实时气流分布，识别问题区域并调整设置这种人机协作模式使建筑运营更加智能化，实现主动式环境管理本课程要点总结通风基础知识掌握通风原理与分类体系理论基础CFD理解流体力学方程与数值方法软件操作技能熟练使用主流通风模拟软件结果分析能力科学评估与优化通风方案通过本课程的学习，您已经系统掌握了建筑通风模拟的关键知识和技能从基础理论到实际应用，我们全面覆盖了建筑通风模拟的各个环节在理论层面，您理解了通风的物理原理、分类方法及其对室内环境的影响机制；掌握了计算流体力学的基本方程、湍流模型和数值方法在软件应用方面，您熟悉了Ansys Fluent、PHOENICS、OpenFOAM等主流软件的特点和适用范围；掌握了从几何建模、网格划分到求解设置的完整工作流程；了解了边界条件设置、收敛性判断等关键技巧在案例分析环节，您接触了不同类型建筑的通风模拟案例，包括住宅、商业、公共建筑等，积累了丰富的实战经验最重要的是，您现在具备了独立开展通风模拟项目的能力，能够通过科学的方法论解决实际工程问题您不仅能够运用软件工具，更能够批判性地分析结果，提出优化建议，为建筑环境设计提供技术支持展望与进一步学习方向多物理场耦合模拟通风与热、湿、声、光等物理场的协同模拟是未来重要趋势推荐学习Comsol Multiphysics等多物理场软件，探索流-固耦合、流-声耦合等前沿技术清华大学、同济大学等机构提供相关高级课程智能建筑控制系统基于CFD的智能控制是建筑节能的重要方向建议学习机器学习算法、物联网技术与控制理论，了解模型预测控制MPC等先进方法可参与智慧建筑相关实验项目，或关注新加坡国立大学智能建筑研究中心的成果城市尺度气流模拟从单体建筑到城市群，尺度扩展带来新挑战推荐学习中尺度气象模型如WRF，以及其与CFD的耦合方法香港城市大学、荷兰代尔夫特理工大学提供城市风环境专题研究课程，可作为深入学习的资源健康建筑与疫情防控疫情后时代，通风与健康关系更受重视建议关注ASHRAE、REHVA等组织的最新指南，学习气溶胶传播模拟方法哈佛大学健康建筑课程和WELL健康建筑标准提供了系统的知识框架建筑通风模拟技术正经历快速发展，未来将更加智能化、集成化和人性化继续学习的途径包括参与实际工程项目积累经验；加入IBPSA等专业组织拓展人脉；关注顶级期刊如Building andEnvironment、Energy andBuildings的最新研究；参加国际会议如COBEE、Indoor Air等交流前沿成果在实践方面，建议从小型项目开始，如单个房间或住宅的通风模拟，逐步过渡到复杂建筑和城市环境建立个人项目档案库，记录不同案例的经验和教训与建筑师、暖通工程师等跨专业合作，理解不同视角下的设计需求和约束条件。