CFD在建筑節(jié)能中的應用

余勇

簡單介紹了計算流體動力學（CFD）方法的主要功能和發(fā)展概況。給出了CFD軟件在建筑節(jié)能，最主要是在暖通空調節(jié)能方面的應用，說明了CFD軟件在建筑節(jié)能應用的優(yōu)越性以及有待于進一步研究的問題。

引言

CFD即計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics，簡稱CFD）是一門通過數(shù)值計算方法求解流體控制方程組進而預測流體的流動、傳熱和化學反應等相關物理現(xiàn)象的學科。常用的方法有有限差分法、有限元法和有限體積法。進行CFD分析的基本思路如下：將原本在時間與空間上連續(xù)的物理場如速度場或壓力場等，離散成有限的變量集合，并根據(jù)流體力學的基本假定，建立起控制方程，通過求解這些流體力學的控制方程，獲得這些變量的近似值。

我國作為一個人口眾多的發(fā)展中國家，巨大的能源消耗已成為亟待解決的問題。其中建筑耗能占到總耗能的19.8%，而室內空調的耗能占到了整個建筑耗能的85%以上[2]。因此，在供暖、空氣調節(jié)和建筑物內外空氣流通等研究領域，采用CFD分析來替代傳統(tǒng)的試驗方法，可大大縮短研究時間并提高經(jīng)濟效率。而本文將著重就CFD在暖通工程節(jié)能中的應用來展開討論。

CFD基本原理

CFD是通過計算機模擬和數(shù)值計算方法對流場進行仿真模擬，解決物理問題的精確數(shù)值算法。它是流體力學、數(shù)值計算方法以及計算機圖形學三者相互結合的產(chǎn)物。CFD是繼實驗流體力學和理論流體力學之后出現(xiàn)的第三種流體力學的研究方法，是十分重要的研究方法。在航空航天、土木工程、水利工程等研究領域都扮演著重要角色。尤其是在暖通空調和室內外通風等研究方法，CFD成為了最為行之有效的分析方法。

CFD在暖通工程的應用

CFD在暖通空調中的主要應用領域CFD主要可用于解決以下幾類暖通空調工程的問題：

1.提高室內空調效率

采用CFD分析方法可以預測氣流在房間中的流動情況，在充分考慮室內環(huán)境、各類邊界條件與擾動的影響后，可全面地反映室內的氣流分布情況，通過進一步的優(yōu)化設計可以得道一個合理的氣流分布方法，使空調的使用效率最優(yōu)。

2.建筑周邊環(huán)境分析

建筑周邊環(huán)境對居民日常生活起著舉足輕重的作用。對居民小區(qū)的風環(huán)境和熱環(huán)境進行預測，是CFD分析的又一重要應用領域。采用CFD方法，在建筑設計階段即可對建筑周邊環(huán)境進行分析和優(yōu)化，對規(guī)劃設計的效果進行驗證，使建筑通風和自然采光達到最佳效果，是小區(qū)居民生活品質的重要保障。

3.室內環(huán)境狀況分析

采用試驗方法分析室內環(huán)境狀況，需要耗費大量的時間與經(jīng)費，而采用CFD方法進行分析不僅可以節(jié)省時間，同時也能精確預測利房間內的風速、溫濕度、污染物分布等指標，計算出通風效率、毒害物擴散效率和熱舒適等，進而對室內環(huán)境狀態(tài)做出一個合理的評估。

4.暖通設備性能評估

暖通空調工程使用的大部分設備，如風機、水槽、空調等，其運行狀態(tài)都受流質運動的影響，空氣或水的流動情況是評價設備性能的重要指標。通過CFD分析設備工作時的流場分布情況和流質流動情況，可有效地預測設備的工作狀態(tài)。進而選擇設備最佳工作狀態(tài)，降低設備能耗，節(jié)省運行費用。

暖通空調領域中CFD的求解過程

暖通空調領域用CFD進行模擬仿真，其主要環(huán)節(jié)無外乎包括以下幾個方面：建立數(shù)學物理模型、進行氣流數(shù)值求解、將數(shù)值解結果可視化等。

1.建立數(shù)學物理模型

建立數(shù)學模型是對所研究的流動問題進行數(shù)學描述，為數(shù)值求解做準備工作。基本數(shù)學模型有：

質量守恒方程：

動量守恒方程：

能量守恒方程：

式中；ρ為流體密度（kg/m3），t為時間（s），u為速度矢量（m/s），ui為速度在i方向上的分量（m/s），p為壓強（Pa）Fi———體積力（N），T為溫度（K），cp為定壓比熱，ST為粘性耗散項。

2.求解過程

（1）確定邊界條件與初始條件

初始條件和邊界條件是控制方程有確定解的前提。初始條件是所研究對象在過程開始時刻各個求解變量的空間分布情況。對于瞬態(tài)問題必須給定初始條件，對于穩(wěn)態(tài)問題不需要初始條件。

（2）劃分計算網(wǎng)格。

網(wǎng)格分結構網(wǎng)格和非結構網(wǎng)格。簡單說，結構網(wǎng)格在空間上比較規(guī)范，如對一個四邊形區(qū)域，結構網(wǎng)格多是成行成列分布的，而非結構網(wǎng)格在空間分布上沒有明顯的行線和列線。

（3）建立離散方程并求解。離散方程常用的方法有：有限容積法、有限差分法和有限元法等。選擇合適的方法，對求解區(qū)域進行離散。

CFD在暖通空調節(jié)能應用情況

隨著我國經(jīng)濟迅速發(fā)展和人民生活水平大幅提升，城市生活對化石能源的需求量越來越大。但今年來一系列能源危機提醒我們應當注重能源安全問題。在建筑工程領域，采用 CFD分析模擬，可有效減少建筑能耗，并能提高暖通設備的運行工作效率，我國暖通工作者已認識到CFD計算在研究和設計中的重要地位。

1.我國CFD在暖通空調節(jié)能應用現(xiàn)狀

目前，我們已開始采用CFD對暖通空調節(jié)能的相關因素進行整體的系統(tǒng)模擬分析。通過在CFD模擬中改變設備參數(shù)，就有可能優(yōu)化設備組合，改進系統(tǒng)性能。國外已把CFD用于室內空氣流動與建筑能耗禍合模擬，我國清華大學也用CFD對空間氣流組織設計與空調負荷的關系進行研究，這對建筑節(jié)能有重大意義。目前，我國在采用CFD解決建筑節(jié)能方面的研究還不是很深人，因而應進一步加強研究和推廣的力度。

2.我國CFD應用存在的問題

我國研究機構很早就開始CFD模擬技術的應用研究，研究的范圍從以室內空氣分布以及建筑物內煙氣流動規(guī)律的模擬為主，逐漸擴展到室外及建筑小區(qū)繞流乃至大氣擴散問題，并已形成一些可以解決實際問題的軟件。所以，從總體上看，我國暖通行業(yè)中開展CFD方面研究尚有大量工作要做，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）還要建立在考慮輻射條件下計算室內空氣的溫度分布、壁面和空氣的換熱、壁面的溫度分布的多種模型。

（2）將已有的CFD模擬技術方法進行簡化，能夠在微機上較準確地計算包括高大空間氣流組織在內的各種通風空調熱環(huán)境問題。

（3）考慮實際空調管道連接帶來的風口出流特性變化，從而使室內空氣流動模擬更加準確等。

（4）CFD技術在CAE工程中已表現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢，如果將與CAD及CAM乃至AI技術有效地結合在一起，將顯示其強大的生命力。

結語

近年來城市化的腳步越來越快，建筑能耗逐年大幅度上升，建筑能耗問題已成為我國能源消耗的重要來源。減少不必要的建筑耗能，大力推進建筑節(jié)能已成為建筑行業(yè)最重要的任務。將CFD技術應用到常規(guī)建筑節(jié)能設計中，會對建筑的合理設計起到更有利作用。

（作者單位：四川蜀渝石油建筑安裝工程有限責任公司）