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【前沿探索】建筑风影区对机电布置设计的影响

建筑性能分析与创新设计2018-04-15 14:38:08

这篇文章带大家了解建筑风影区。

关于建筑风影区的分析和探讨,

如何协调和搭配建筑与机电设计,

维持一个良好的建筑舒适环境,

提高设计意识,让设计质量更美好。


一段过往经历

之前有机会在HK工作一段时间,主要为城市形态和微气候模拟方面工作,期间也关注室外环境热舒适质量的一些研究,而在这之前,从事了一些年的暖通设计工作,对比两个专业,暖通专业主要关注室内环境空气质量和舒适度,主要通过机电设备,将室内环境调节到适宜生活和工作的条件,而室外环境,关注多在城市呼吸能力,通风廊道,热岛效应等,通过主动式设计和规划,以先导的形式,提升和优化室外环境。这两段工作,让个人产生一些联通室内外环境设计的想法和觉得建筑形态对地区微环境的影响是有必要进行进一步研究和探讨的。

简单来说,就是建筑形态和机电室外设备相互之间的影响关系,是如何影响到室外环境的,然后进一步影响到室内环境,再而影响到机电设备的设计和布置。


 建筑风影区概念

日常生活中,大部分人对于流动的无形空气并没有感觉,没有足够的工程和实验的实践经验,并不好想象空气在一个区域流动是怎样的一种规律。对于室外大气环境和空气流动方面的研究,日本和欧美都有做过一定的实验研究,主要是采用无毒无害无污染的类似于烟雾投放的多个定点方式,对近地面大气空气流动和污染物传播进行可视化研究,相关论文在行业顶刊都有较为详细的阐述,这里想简略讨论一下建筑风影区。

查阅资料,建筑风影区的概念是指,气流通过地形、地物障碍时,障碍物背风侧由于流线辐射、风流急速减弱的空间范围。

不同建筑布局方式的风影示意

如上图所示,建筑布置和风影区之间的关系,从四张图中可以看出,建筑背后都有一定的风影区,该区域存在气流减速,回流和负压的现象。

可以说,风影区的大小与建筑的尺寸和建筑外形有关,风影区随建筑物高度、长度、倾斜度增加而增加,宽度影响小;

建筑背后风影区详细分析图

如上图所示,由于建筑阻挡了来流空气的流动,空气在高度和宽度方向绕过建筑时,由于压缩,分离和附着,会在建筑前面和后面形成涡流区,建筑正面由于动压转换为静压,形成正压,背面由于扰流过程形成空气稀薄现象,导致压力小于大气压,从而形成负压,在建筑两侧由于压差,会加快两侧扰流气流流速,同样由于压差原因,会在建筑背面产生回流,该部分低流速,低压区域,为建筑风影区。

所以有的外型太过于有棱有角的建筑,容易在局部区域产生风流过的“呼啸声”。而表面圆滑的建筑,更容易减小风影区的影响,比如:


建筑设计和机电的搭配

可以说,建筑风影区是一个日常较少受到关注的地方,建筑和机电的搭配合作,通常都在机房布置,百叶开设,专业提资等方面展开,但是,极少会有设计师会注意到建筑形态和机电系统之间的一些隐含关系,比如,有很多机电设备布置在裙房屋面和建筑表面,包括冷却塔,锅炉烟囱,柴发烟囱,厨房排油烟风机,空调箱新,排风口等等。

在真正的设计期间,少有人能考虑这些因素,不知有没有人听业主说过,在办公室里能闻到炒菜的味道。


案例探讨和分析

既然空气流动是无形的东西,要想预知一些设计的弊端和不足,那只能用高端点的方法(过会可能装逼失败),这里采用Ansys Fluent软件进行相关流动传热模拟分析。

这里取一个简单的案例,假设某地块有一25m高的裙房和150m高的办公塔楼,冷却塔布置在裙房屋顶,全年主导风向为下图从右到左,外界风速3m/s,大气环境为梯度风。

这里没有摆放烟囱或者风机是因为个人偷一下懒,不想翻查老项目参数,反正差不多,就用最近做过的冷却塔来替代吧。


模拟结果分析

先观察大致风影区分布情况,如下图所示,建筑背后产生相对低速风影区,气流产生回流现象,为了节省模拟时间,这里模拟区域和计算域均作尽量缩小和简化,实际建议在硬件条件允许的情况下,考虑足够大的尺度空间。

         建筑背后风影区分布流线,在建筑两侧产生了高速流动区域,背后流速降低,有气流回流和一定的漩涡产生,冷却塔设备摆放在风影区内,可以先想象一下会产生什么样的影响。下图是立面塔楼背后风影区的分布和影响区域。

         建筑背后的3D风影区分布如下图所示,空气绕流过后会产生复杂的扰流,通过流迹线的方式,可以帮我们追踪流体流动痕迹,将其可视化,有助于下一步进行分析。

从冷却塔出口做迹线分布,如下图可见,冷却塔出口虽然风速极高,在10m/s左右,但是出口后速度逐渐衰减和相对于大气环境来说动量还是较小,最终还是有部分热湿空气被“困”在了建筑风影区内,并附着在建筑表面,这也意味着,该建筑被“污染”了!如果被“污染”表面有新风进口,则该区域会吸入被污染空气,进一步扩散至建筑内部,一般商业冷却塔为开式系统,内部循环水长期与外界接触,细菌和军团澡菌潜伏在所排出的热湿空气中,如果被人体吸入会引发疾病,同样,如果是油烟气体,大颗粒油烟和味道也会对人体产生伤害和影响工作。

查看污染物在建筑表面分布情况,如下图所示,可见建筑部分表面被回流污染空气所“贴付”,影响比较严重,裙房表面也有一定污染影响,这对于新风取风设计和裙楼屋面露天商业布局会有重要影响,需要设计师留心。


结束语

由于技术的原因,上述方面往往在设计阶段被设计师所忽略,出于建筑和环境设计是以人为本的角度考虑,对于裙房屋面冷却塔,排油烟风机,烟囱等设计应当结合建筑风影区进行设计和排布优化,尽量将污染物排放方向置于风影区外两侧高速流动区域内,避免日后建筑完工运行时才发现问题所在,留下遗憾和诸多投诉,返工,耗时耗力。


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