可持续发展面临的挑战与策略

1.可持续发展面临的挑战与策略

1.1关键问题和挑战

可持续设计提出了一套独特的挑战，首先涉及从需要设计队伍方面的不断监督。实际上，建筑师是一旦设计阶段已经完成就在某种程度上脱离了该项目。在某种意义上，这不一定是个好主意，而且在以可持续为中心设计的主题下，这样的做法是特别有问题的。在健康的房地产公司和绿色开发合作社，我们正在不断的使多个学科一体化，这就要求设计队伍积极参与，从设计美学的角度讲，要求建筑和周围环境完全融为一体，在所需要的监督比美学更富有技术性的情况下，尤其如此。

第二组问题涉及到伙伴关系与协作，一些重要的建筑项目需要范围比较广泛的技能，而且他们互相之间是有一定的协作性的。然而，可持续性建筑物会让精美的协作艺术和平常相比更具有精巧和复杂的特点。这一点的一个理由是，从公共政策观点来看，可持续设计师十分理想的，这往往可以使一个新伙伴，也就是公共部门，积极的进入这一混合体。

第二个问题涉及到成本。有好消息称，可持续设计的街区与建筑物的先期费用正在下降。这一点主要是两个因素，第一，由于大制造商进入市场的结果，环境友好建筑的成本正在下降。第二，建设者发现他们可以提供附加的成本，比如，更高性能的窗户玻璃和绝热战略，这样有可能使供暖设备和冷却设备的规模降低50%或更多。虽然成本确实较高，但这种更大的先期投资通常也可以通过增大节能，从而在少数几年之内就可以偿还。此外，在健康的房地产公司和开发合作社，我们相信，由于受到抑制的需求和短缺的供应，绿色建筑物特证明是更有价值的，会赢得更高的租金，也会租出去更快。

另一个问题是哲学性的，就普通观点而言，建筑物的绿色特征应该达到什么要求？对于这个问题有两个学派，一个建筑物需要做的就是通过更高的能效，使用可持续产品与材料等来实现绿色。另一个学派持有更广阔建筑学观点，并且主张建筑物即使教育性的又是功能性的。因此，应当传递一种关于对环境的敏感性的需要的明确的视觉信息，STIE环境设计公司的James Wines 已经设计了一批引人注目的建筑物，提供其绿色的承诺和美学的依据。

1.2 街区可持续设计策略

针对我国的可持续设计的策略针对我国当前存在的情况，根据“三最”目标和原则，建筑可持续设计应采取以下8项策略。

(1.)建筑面积适当，不刻意追求大。建筑面积只要满足生活和工作需要即可，不必过大。少一平方米建筑，就减少一份资源消耗，就给环境减少一份压力，给使用者减少一份负担，就是对地球的一份功德。我国大陆近年建造的住宅套均建筑面积达123平方米，仅次于澳大利亚（211平方米）和美国（153平方米），高于台湾（100平方米）、德国（95.4平方米）、法国（93.9平方米）、日本（90平方米）、英国（87.7平方米）和新加坡（72.6平方米）等，而且现在还在增加。笔者根据1999年国家统计局城调总队对10省市5000户“城镇居民消费意向调查”资料，得出我国城镇居民想要的一套住宅的建筑面积是80~120平方米。2006年以前，国家规定新建住宅套建筑面积都在100平方米以下，2009年，深圳市新建商品住宅套均建筑面积为93平方米。可见，把套均建筑面积控制在80~140平方米是可行的。国家规定党政机关办公用用房编制定员人均建筑面积为16~30平方米，其中一级为26~30平方米。但是，有的街道办事处，人均建筑面积竟大到170平方米，是一级办公用房最高人均建筑面积30平方米的5.7倍。

(2).延长建筑寿命，走向百年建筑。可持续设计必须以延长建筑寿命为出发点。目前，我国普通房屋的设计使用年限为50年。有人说，中国建筑平均寿命不到30年，那是指统计平均寿命（等于现有建筑面积/当年新建建筑面积），按照规范设计的建筑，寿命不会低于50年。由于缺乏百年荷载等设计数据，目前虽然还不能设计百年建筑，但是延长建筑使用年限现在就可以着手。第一，要有百年规划。我国东北某市由于规划调整和功能失灵，使用年限不到50年的住宅中，拆除的就占20%，规划变更是我国建筑寿命短的重要原因。第二，建筑设计必须有柔性。建筑内部空间要可以改造，特别是保障性住房，如果套内面积很小的房间都被承重墙分隔，则将来生活水平提高，只能拆除重建。第三，要适应老龄社会的需要。我国已进入老龄社会，大多数人不喜欢频繁搬家，希望在年青时代就拥有的家里度过晚年。所以设计时，就要把老年人的需求考虑进去。日本估计全部考虑和只考虑基本要求，所增费用分别不超过房屋造价的10%和1%。设计老龄住宅，贷款可享受优惠，公营住宅还可获得补助金。第四，管线要容易更换。做明管明线设计，结构体和填充体尽可能做到分离。第五，提高结构、墙体和保温等材料的使用寿命。第六，要注意同周围环境协调，考虑沿街住宅底层会改变用途，以及城市道路可穿越大型住宅小区等。

(3).用好自然资源，不给地球增负。第一是利用好大自然赐予我们的空气和阳光。建筑自然通风和采光是节能和健康的最为有效的途径。现在，一些高档酒店的窗户不能开启，拉上窗帘用人工采光、通风；一些住宅集中送新风，要求室内恒温恒湿恒氧，过关窗生活；这些显然不利于节能和健康。自然通风要通过窗的开启方式、竖向风道和设置负压等组织室内气流。自然采光要充分利用顶光、侧光和反射设施等。第二是利用好可再生能源，如太阳能、地热能、风能、水能

和生物质能等。目前，利用太阳能提供热水并与建筑一体化，不但技术成熟，而且经济可行，应列为首选，但要注意选用质量好的产品。利用光电能源，目前在经济上虽然还未过关，但如国家给予补贴，从长远和保护环境的角度来看，还应推行。地热能利用的地区，一要有地下空间规划；二要有水文地质勘查证明可行；三要有水文地质、暖通空调、地热设备专家共同参与；四要有政府专门机构或人员从立项、实施和效果进行管理。在城镇利用风能困难较多，但两栋相邻的超高层建筑则可利用风能并与建筑一体化。在没有地下空间规划，未经勘查论证，政府没有严格管理的情况下，就大面积推开，而且不计效果地给以补贴，是有很大风险的。第三是做好建设场地的规划设计如：力求保持原生地形地貌；尽可能保留原生大树存遗；尽量做到开挖土方平衡；暂时存放场地面表土并回收利用；注意暴雨处置、雨水回渗和储留利用；以及利用自然土层和和人工层、屋顶、阳台、外墙栽种各类植物，进行绿化，以利用植物的光合作用固定空气中的二氧化碳。

(4).保护生物多样性。生物多样性是人类文明的基础；是地球上生物圈中所有的生物（即动物、植物、微生物），以及它们所拥有的基因和生存环境；包括生态系统多样性、物种多样性和遗传多样性。要关注生态金字塔最基层生物的生存环境，用多样化土壤、植被、水文、空间提供多样化绿地，造就生物藏身、筑巢、觅食、求偶、产卵、繁殖等功能的环境，以满足野生物种的食物、水、隐蔽和养育幼崽场所等4项基本生存需求。如：植物种类多，选用当地原生种，利用生态表土，绿地分布均匀、连贯，大小乔木、灌木、花草密植混种，自然护岸生态水池，多孔材料边坡、透空围篱，隐蔽绿地内设置生态小丘（枯木、乱石、空心砖等），以及采用有机肥料等。

(5).建筑造型、景观简约，朴实无华。建筑立面设计要反映自然条件、民族特点、场地环境和建筑规划的总体要求，要考虑材料的性能、结构、构造和建造技术，要适应社会经济条件，要符合建筑美学原则。但是，反映建筑功能和使用性质，建筑形态要随着社会发展而发展，应是建筑立面设计的首要原则。一位美国的著名建筑师曾经对我说“建筑的立面首先是由功能确定的”。住宅小区主要是住，景观要简约，不能按照公园做景观设计，建假山、喷泉、大面积水景，众多的小品和雕塑等等。住宅套型设计要把功能放在首位，厨房和卫生间是住宅的心脏，一定要安排好。要注意改变储藏空间不足的状况。一些住宅小区和单位，把入口大门建造得高大、豪华，其实，大门丝毫不能反映住宅小区的品质和单位的声誉。

(6).倡导本土全球建筑（GlocalArchitecture）。本土全球建筑首先是本土（local），即适应地方特点，学习乡土建筑，保留国家和地方特色；其次是全球（Global），即吸取全球技术和智慧，有益于业主和用户。特别是住宅建筑设计，必须考虑地方特点、习俗、传统、社会和文化背景、生活行为模式、以及社会、

经济、科技和生活发展状况，照抄、照搬外国、外地的住宅建筑是完全违背可持续设计原则的。最近有一位从美国来北京开会的研究生，她是伊朗人，第一次来中国。我问她：“你这几天最深的感受是什么？”她未加思索地说：“我来中国，特别想看中国的建筑，但是现在还没有看到。”可见中国是多么需要中国建筑。

2.环境能源的多样化模块专业级分析

2.1建筑环境模拟CFD

可持续设计的概念和相关实践是在全球可持续发展的思考和实践过程中逐

渐形成和产生的。1987 年，联合国世界环境与发展委员会(WCED)在《我们共同的未来》(Our Common Future)一书中正式提出可持续发展(Sustainable Development)的概念—“既满足当代人的需求，又不对后代人满足其自身需求的能力构成危害的发展”。此后，联合国通过召开“联合国环境与发展大会”等一系列举措，使得可持续发展的概念逐渐得到世界各国政府及学者的接受和支持。用可持续发展的标准来衡量建筑行业，就得到了可持续建造(SustainableConstruction)的概念。1994年，在美国佛罗里达州坦帕市举行了“首届国际可持续建造会议”。在会上美国佛罗里达大学教授基伯特(Charles J. Kibert)第一次提出并解释了可持续建造的概念—“基于高效资源利用和生态学原则的健康的建筑环境的创造及其负责的管理”。可持续设计是可持续建造活动的一部分，是人们为了创造有助于人类可持续发展的建筑物所作的设计工作。当人们设计和构造复杂系统的时候，或研究自然界、人类社会中漫长的演变过程和不易重复试验的事物时，需要制造一个模型来进行各种试验。在历史上，人们应用过数学模型、实物模型进行试验。可编程的数字计算机出现以后，人们把数学模型编制成计算机程序，在虚拟空间中完成模拟过程，这就是计算机模拟技术。计算机模拟经过反复试验，帮助人们了解系统的性能，检验预想的假设，进行系统的分析、设计、预测或评估[2]。CFD，即计算流体力学(Computational Fluid Dynamics)，是一种重要的计算机模拟技术，其产生可以追溯到20世纪30年代初，它是流体力学、数值计算方法以及计算机图形学三者相互结合的产物。1974年，丹麦的尼尔森(P.V. Nielsen)首次将CFD 技术应用于空调工程，模拟室内空气流动情况，标志着CFD 技术开始应用于分析工程中的流动问题。近年来，随着计算机容量的大大提高，先进的数值计算技术的出现以及各种湍流模型的提出，CFD 技术已经广泛应用于暖通空调、环境水利工程、化工、热能动力、核能、大气流动等领域。科学计算可视化(Visualization in Scientific Computing，简称ViSC技术的出现，使得CFD 技术得到进一步的发展。在可持续设计中，需要对设计方案的自然通风和温度分布状况进行模拟，因为这是节约能耗和达到适宜的室内环境的

重要因素。近年来的研究和经验表明，室内空气流动情况很大程度上影响了人体的热舒适和健康，房间的空调或自然通风的效率以及建筑物的能耗状况。

CFD 技术具有成本低、速度快、资料完备且可模拟各种不同工况等独特的优点，在可持续设计中大有用武之地。利用CFD方法可以对室内空气流动形成的速度场、温度场、湿度场以及有害物浓度场等进行模拟和预测，从而可以得到房间内各种物理量的详细分布情况，这对于保证良好的室内气流组织设计方案、提高室内空气品质，以及减少建筑物能耗都有着重要的指导意义。此外，利用CFD技术也能对建筑外部的空气流动情况进行模拟和预测，有助于建筑师进行建筑设计时全面考虑建筑物周围的微气候，减少建筑物对于环境的不利影响。在实际运用中，CFD 技术通过与ViSC技术的结合可以直观的将模拟结果用图形表示出来，便于设计人员观察和判断。

美国麻省理工学院(MIT)建筑系有个名为“中国可持续城市住宅研究团”(The Sustainable Urban Housing in China Group)5)的学术组织，曾经在中国大陆进行了一系列可持续住宅的设计研究工作，探索在像中国这样的发展中国家的城市进行可持续住宅设计的具体途径和方法。1999年至2000年，该组织与上海同济大学以及上海住房发展公司合作，进行了上海泰东小区的可持续设计研究。该项目是以课程设计的方式开始的。2000年秋，3个学生设计方案提交给了开发商。经过比较和评估，其中的一个最终得到了深化和发展。该项目的主要成就是深入研究了建筑单体的室内空气质量问题和具体的通风设计问题。

通过CFD技术，设计者最终将由2栋建筑组成的方案，改成了由33栋建筑组成，使得小区内气流分布更为均匀，改善了小区的总体环境状况。在进行模拟时，假定了风向为东南向(当地夏季的主导风向)，风速为3m/s，离地面10m。CFD 软件模拟了2种不同方案在不同的高度对小区气流环境的影响(图5)。CFD技术还对单体的室内通风状况进行了模拟工作，供设计者评估方案之用。能力。实践证明，在以CFD为代表的计算机模拟技术的帮助下，建筑师可以获得直观、科学、可靠的决策依据，真正提高可持续设计的有效性。

我国是一个发展中国家，同时也是一个人口众多、资源相对匮乏、工业基础比较薄弱的大国，在发展中所面临的环境压力特别巨大。严峻的形势迫使我国加快进行可持续设计的研究,然而，目前我国的可持续设计的理论和实践都处在初级的阶段，发展速度也不尽人意。究其原因，主要是设计手段的严重滞后，多数人没有意识到可持续设计对信息技术的巨大依赖性。改变这种状况需要政府、学术界和每一个有责任感的建筑师一齐行动起来，努力提高自己的知识水平，使得以CFD为代表的计算机应用技术早日成为提高我国可持续建设乃至可持续发展水平的有力工具。

2.2日照模拟SUNCOST

城市日照是一个物理变化过程,主要表现在日照阴影和太阳辐射方面。研究城市照环境,就是通过模拟太阳运动,结合城市建筑物的布局,研究日影变化规律,从而对城市规划进行一定的科学指导,然而影响城市居住区环境的物理因素不仅仅是自然光、还有其他因素诸如热、声、气等,但自然光环境与其他不因素不同的是光因地理、气象条件而产生,是不以人的意志为转移的客观因素。因此,以自然光照作为切入点,引入建筑物阴影和太阳辐射数据,将其空间动态变化与绿化位置优化结合是本文的主要内容。

2.2.1 日照阴影的物理环境作用

建筑物阴影在人们的生活中随处可见,在炎热的夏季有一定的阴影往往会起到特殊的防热避暑作用，而且在部分地区，建筑物的设计上也都比较关注夏天的遮阳问题，从建筑型体的控制上入手,对建筑物的高低、走向、布局进行设计来营造物理环境,即利用建筑物阴影来防热降温[51]。然而,建筑物阴影也会带来一些麻烦,遮挡冬季居室采光，遮挡阳光影响城市中植被生长等。

2.2.2 日照阴影的遮阳与降温效应

减少太阳辐射是降低温度最直接的方法,在建筑物阴影区域内的地表及空气温度与非阴影区。已有研究者[29]统计表明:建筑日照阴影与城市居住区热环境有着密切的关系,良好的阴影结构及空间分布变化对炎热的夏季防热降温具有一定的功效和意义,结果显示城市阴影面的地表温度比太阳直射面的地表温度低

16-26℃,如表4.1、4.2 所示。

表1

表2

表3

通过上图对比可以发现，混凝土地表在阳光和阴影下的温差明显大于绿地,而且混凝土地表温度要高于绿地地表的温度，在一天中阴影下的草地温度基本与空气温度持平,而阴影覆盖的混凝土地表温度却在早晚时分低于空气温度中午时分又高于空气温度。这也说明一点,通过物理过程来避免阳光直射，降低太阳辐射对降温有直接快速的效果。

2.2.3 阴影与绿化的关系

绿地系统在城市中具有重要的作用,是城市自然和生态的重要组成部分,不仅可以净化空气,消除噪音,降低空气温度,而且还可以给城市带来一定的美化功效。光照是植物生长的必需条件,城市中高楼林立的城市遮挡阳光资源,产生的建筑物

阴影使植被等绿地因得不到充足的阳光而不能发挥更好的生态效应。然而建筑物阴影客观存在不可避免,但是利用阴影的位置入手来分析指导绿地的优化却有一定的现实指导意义,一方面可以对绿地的合理位置进行选取和优化分析,另一方面,建筑物遮挡产生的阴影区域可以布置一些适合生长的种类,这样不仅有效避免了日照资源的不足,而且在城市景观上又体现出了绿地系统的多样性。

2.2.4 城市阴影率分析

关于阴影率的概述在第二章节中已经讲述,它是指某时刻阴影面积在地块面积上的占有比例,反映的是城市某一地块内居住小区的日照阴影和居住环境质量的状况,与建筑容积率、绿地率不同的是阴影率是一个动态变化的量值。一年中不同时刻的建筑物阴影都是不同的,因此对阴影率的分析,必须选取一个具有代表性的时间段来进行。尤其在夏季,它的值在一定程度上能更好的反应出某一小区的居住舒适度。在进行分析时,需要知道城市中某一指定地块的地块面积(Plot Area),模拟并统计出分析时间段内各个时刻的阴影面积(Sha Area)。由于时间是一个连续变化量,而且在相邻时刻点阴影的空间特征具有一定的相似性,根据这一特点,将某一天的时间进行离散化,即划分为一系列微分单元,并且我们假定在时间单元内,阴影的是不变的,时间单元划分的越细越精确,而此前关于城市日照分析中建筑物遮挡的日照时数计算就是利用这种算法,将连续的时间离散,然后再根据遮挡条件判断来积分,累计计算出遮挡时数,阴影率只是表示一天阴影的变化和所占的比例,以夏至日为例,取一天的08:00-18:00 之间的不同时刻点,以1h为时间刻度进行绘

表,如表所示 不同时刻阴影率对比图

2.2.5 城市阴影的变化分析

太阳高度角和方位角的改变,表现在地面上反映的是建筑物阴影的长度和角度的变化,即阴影的长度差和方位差,习惯上我们将变化理解为面积大小和位置的改变,但这不能更精确的描述其变化量,因此,笔者通过总结前人的研究成果,

引入不同季节阴影率对比图

表5 表6 表7

了阴影的长度差和方位差概念作为建筑阴影变化的衡量指标。在晴天,建筑物阴影是一个随时间和地点变化的量,表现为早晚时分阴影较长,中午时分最短,而且阴影的位置和角度也有东到西发生变化,如图所示。

通过以上分析,阴影的影响范围便可以由阴影的长度差和方位差近似计算,其中包括阴影的外围轮廓和阴影死区(照不到阳光的区域)。由于阴影在早晚时分长中午时分短,使阴影面积形状呈现蝴蝶状图形,因此阴影范围图也称之为蝴蝶图城市太阳辐射的空间变化分析。

2.2.5 城市日照制约下的绿地空间布局

城市绿地是城市的重要组成部分,在城市中具有重要的美化和生态功能,大多以人工栽培为主,通常分布于街道两旁,高楼之间以及高架桥层之间,其种类布置,群落的形成以及生长情况在很大程度上受到人为的影响。关于城市中植被以及绿地的研究虽起步较晚,但目前在国内已有部分学者对城市植被的种类组成和城市化对树木和绿地等的生长影响方面进行了重点研究。随着城市化规模加剧,城市空气水质污染、日光资源遮挡等环境因素对植物的影响逐步开始被人们所关注,然而GIS 和遥感技术的出现,使城市化包括城市中植被和绿地的进一步研究得到了足够的支持,在北京、广州、上海、天津等地相继开始应用遥感和GIS 技术对城市植被绿地进行大规模大范围的调查和研究,都取得了较好的研究效果。

将日照和城市规划结合研究是一个探索性课题。从阴影的变化和位置入手,通过分析建筑物阴影的空间分布特征以及日变化情况,并结合植物对光的需求对城市绿化布局进行合理指导。正确合理的绿化布置不仅可以为夏季烈日下形成自然凉,而且可以使植物得到合理的光照使其正常健康的生长,在光照强烈的地方可以布置一些乔木类植物来吸收过多的太阳辐射,这样可以防止地表暴漏在阳光下空气温度居高不下,从而起到改善建筑周围微气候的作用,而在光照微弱的地方布置一些耐阴植物,这样不仅可以使建筑围绕在绿色的植物中间,在美化环境的同时又不影响正常的生态功能发挥,而且还可以更加充分的利用建筑周围的土地资源。并且绿地的优化反过来又对建筑的日照环境起到一定的改善作用,减弱辐射,增加室外舒适度,给建筑的使用者带来一定舒服感。绿地的布局设计主要利用阴影、辐射、现状绿地以及道路来共同参与完成,具体的优化流程如图所示。

对绿地空间布局的优化,主要是利用阴影和辐射的变化分布,寻找出强光和弱光的分布区域,进行绿地布局时既要避免植物生长的“死区”又要防止“强光伤害区”,从而提高植物的生态效益,而提高绿化设计的生态效益就必须满足在日周期内得到适量的太阳辐射,因此,对建筑周边的强光区域和弱光区域的确定是关键,合理正确的利用光照资源,在不同的光照条件下布置不同种类的植物,才能保证植物的最大最优生态发挥,这也是本

图1 绿地的空间布局优化过程图

文利用阴影分析和太阳辐射分布模拟结果的应用层面。

2.3采光分析lighting

采光分析

确定网格和设置地理位置：

Model settings---model context/grid size 改为3000

Grid extents改为-1000，56000.0

-1000，36000.0

0.0 ，15000.0

---date/time/location中将纬度、经度改为徐州的经纬度：纬度：34 经度：116 开启分析网格：在右侧点击---grid managemengt，确认number of cells中的x ,y ,z 值分别为20、16、16在分析网格面板中最下方“calculation”栏中的“lighting levels”处于选中状态，点击“perform calculation”,选中“skip wizard”,最后在“general settings”栏中选择“medium precision和“clean windows”,在“sky conditions”---"calculate from model latitude "—ok

Date&scale---daylighting levels

日照分析

---daily sun path选中，图示为太阳在12个小时内的运行情况

---annual sun path

---hourly(在下面)，可以看到规划方案光影的一个变化，

---annual,可以看到每年的一个光影的变化

分析旁边某个建筑对这个建筑的某个窗户的影响：

选中这个窗户，---“地球”---冬至日/夏至日

---“地球”---找到徐州气象数据

---“地球”---冬至日/夏至日

选中窗户------display analysis grid

---auto-fit grid to objects

---axis---xz axis形成竖的网格，通过调节滑条，将网格弄到窗户的面上。调节网格的大小/grid management,使之正好等于窗户的大小，工具栏中/calculate---solar access analysis

图2 日轨图

---选中shading,overshading……（遮蔽和一些日照时间）

---for current day（冬至日一天当中日照情况）

---cumulative values（一天从早到晚冬至日累计的日照时间）

---analysis grid

---use fast calculation method---讲进度调高(shading accuracy)---ok 讲看到窗户上会出现各种颜色的分析网格，进而分析，再算一下它的日轨图---calculate/sun path---calculate shading,讲滑调调高一点---ok得到简图（被遮挡情况的析）黑色是被遮挡的情况，白色是没有被遮挡的情况。

2.4地下车库气流组织模拟

SIMULEX诱导通风系统已经在地下车库通风中得到了广泛的应用, 系统的

设计已具备了一些初步理论。文献1I]定性分析了其与传统的管道通风系统相比在空间使用、室内空气品质、设计弹性、成本以及运行管理等多方面的优缺点。对于无风管诱导通风系统选择计算时,有关喷嘴的分布和角度以及喷嘴间距已有一些定性的理论论述, 但诱导通风系统在地下车库中应用的实际效果如何, 如何合理地进行气流组织, 这是广大设计工作者所关心的问题。对于同一个车库, 送、排风口的位置, 喷嘴的布置方式可以有多种, 也就是说喷嘴的主干线布置方式可以有多种。为探求哪一种方式最佳, 我们对蓝天电脑地下车库不同的布置方式, 采用软件AIRPAK进行模拟和分析, 从而得出一般性的结论。模拟模型的确定。.

2.4.1 物理模型的简化假设采用诱导通风的地下车库属三维非稳态紊流流动, 为了能够满足现有的计算条件, 并且最大限度地反映实际情况, 作以下假设：

( 1) 气流流动为稳态流动;

( 2) 室内气流不可压缩, 近似为理想气体;

( 3) 假设为无温差送风, 视为均匀温度场;

( 4) 室内无内热源, 围护结构绝热;

( 5) 进行污染场模拟时, 忽略污染粒子的质量;

( 6) 室内污染物发生率为恒定。

2.4..2 数学模型

采用应用范围最广的两方程模型,由于近壁面区附近,粘性作用较强,为了避免在近壁区产生较大的计算误差, 本文采用高R数k 一二三维紊流模型, 仅考虑低阶粘性的作用, 忽略高阶量。,一气体紊流粘性系数,

m 刁S;k 一气体紊流脉动动能,m zs/ Z ;二一气体紊流能量耗散率,m zs/ 。一空气含尘浓度,m g 八1 1 3 ;Fc 一污染物发生率, m 留( m ,s ;)e * 2 ,一均为模型常数。

2.4.3 模拟参数设置

(1) 模型尺寸: x·z·J = 3 s.sm x 5 2.o m x 2.sm :

(2) 根据文献2[] 的实测结果, 地下停车库的汽车平均排气量为1一1lm Vh, 汽车排放CO的平均浓度为5 3 5 0 0 一5 5 o o o m g/ o 3。本工程实例, 平均停车数为100辆, 因此汽车排放co的产生量为.6 0 5 k 郭h ;

(3) C O 将以点源形式散发, 基于对实际情况的模拟, 将车库内C O 污染源假定为近地面处均匀散发, 即假设各处污染源发生强度一样;

(4) 取汽车尾气的排放温度为5 0 ℃, 汽车尾气的废热量为183 k w ;

(5) 新风C O 浓度为3 m 岁耐,C O 最高允许浓度设计采用z 2 5m g/l幻3 ;

(6) 诱导风机风量按实测平均值9 32 m V( hx 个) ;

(7) 风口模型尺寸近似取ZOOm m x 7 5m m , 风速172 l nl/ s ;

(8) 送风倾斜角口= 3 00。

2.4.4.一种方案

此方案是按照工程实际的布置方式来模拟的,给出了方案一有代表性的气流和浓度的分布。通过以上速度场的模拟可以看到:，方案一诱导风机布置方式

( 1 ) 喷嘴的扰动作用是非常强烈的, 可以搅拌室内静止的空气一起运动。

( 2 ) 在喷嘴处气流速度最大, 随着过流断面的增加, 速度逐渐衰减,符合射流理论。此方案可以形成很好的接力气流, 但是在进风口处引人的新鲜空气几乎没有经过污染区就直接在排风口排出,即出现了送、回风短路现象, 所以导致了整个空间内的污染物不能得到有效排除,通风换气效果很差。车库内呼吸区最大风速小于1.5 而S ,大部分区域都在.0 5而S 以下。为了验证此模拟方法的可信性, 将模拟的结果与车库内实测值进行了比较。测试结果参见文献3。工程测试了系统进排风量测试、诱导通风机特性检测、车库内速度、温湿度、C和OC浓度O、噪声、照度等, 对每台诱导风机分别测量了距风口中距离为l m、3 m、10 m 处的轴心风速,测量通风和未通风两种情况下车库内的C02、CO浓度。通过比较发现: 模拟的速度场与实测数据基本吻合,浓度场的模拟结果与实测相差较大。这是因为进行实测时车库内仅有几辆车, 实测得到的是浓度的瞬时值,且测点的布置有限, 并不能反映整个车库内浓度的情况。流场模拟的一致性说明采用此种模拟方法是可取的( 1)由于诱导风机的存在, 不但使得地下停车场内形成了明显的空气主气流, 且流速高于送风机和排风机形成的气流流速, 也大于诱导风机单独

运行形成的气流流速, 同时由于诱导风机形成的多股辅气流, 将停车场内非主流区的有害气体排至主气流内,使得污染空气可以尽快排出室外。

( 2) 依据《工业企业设计卫生标准》( TJ 3 6一7 9),车库内CO 浓度控制在Zomg 八113，车库的新风量控制在5次小,排风量控制在6次爪是合适的。

( 3 )诱导通风的采用是确保空气气流传输、扩散、稀释的一种手段, 其室内污染物的平均浓度关还是J 急通风量的大小。

(4) 诱导通风系统在设计时应遵循下面的原则:主气流通道一般设置在车库的通道上, 方向应尽量与车行方向一致。比较好的喷嘴布置方式是: 由几排喷嘴将车库边缘处的污染物吹赶至车库中央地带, 在中央地带喷嘴纵向接力形成气流流通通道, 诱导污染空气至排风口排出。

(5) C O 浓度并不像大多数参考文献上提出的, 从车库进风口至排风口是逐渐增加的。这除了由于模拟软件本身的误差与诱导风机的布置有关之外, 实际工程中影响气流组织的因素很多。理论上, 诱导通风系统效果上近似于置换通风,C O 的浓度在排风口是最高的。但实际上, 在进、排风口之间往往有一段很长的距离, 气流的接力作用减弱, 尤其是污染源靠近进风口和通风系统在低风速运行时, 气流不能按理想方向推进; 另外, 车库中车辆的移动也形成紊流, 使得C O 的浓度并不像理论上那样分布。因此, 有条件设置C O 气体浓度传感器控制通风系统运行的车库, 当采用诱导通风系统时, 除在排风口附近设置传感器外, 在预期的C O 浓度较高的区域也应设置。

(6) 诱导通风系统从整体来看表现为全面通风换气,C O 平均浓度明显是较低的。总之无风管诱导通风系统是一种较先进的通风系统。由于合理地利用了送风机、诱导风机和排风风机形成有组织的空气流动, 可及时将地下车库内的有害气体稀释到标准规定的范围内, 并排出室外。实际工程现场实测表明, 它是一种较理想的车库通风系统形式。

2.5建筑能耗的模拟apache

建筑模拟主要在如下两方面得到广泛的应用：建筑物能耗分析与优化和空调系统性能分析和优化。利用建筑能耗模拟与分析软件对建筑能耗模拟，可以随时模拟任意地点、任意气候区及任意季节的情况，而不受实际因素的影响。也可以

对我们提供各种各样的可能方案进行可行性分析，开拓我们的思路，实现各种可能性。除了在设计阶段可以使用外，还可以预测并调整建筑建成后可能出现的问

题。因此，在设计阶段尽早进行能耗

模拟分析的话，将可以增加设计过程

的预测性和可控性。

表8 各常数的取值

在建筑的使用过程中，能量的消耗主要用于建筑的空调、照明、热水、炊事、电器等，其中尤其是空调系统的能耗占了建筑能耗的一半以上。因此，建筑能耗模拟与空调的负荷计算密切相关。建筑能耗模拟是利用计算机对建筑能耗和采暖空调负荷进行动态的计算，从而对建筑物及其空调系统的性能进行分析和评价。

空调负荷计算就是对空调系统的设计负荷进行预测。它是依据设计规范和建筑热工性能，计算出建筑物的冷负荷、热负荷、湿负荷以及新风负荷，并以此来确定空调系统设备的容量大小。负荷计算是建筑能耗模拟的基础。

建筑物能耗计算的目的是预测建筑物全年的能源消耗量，从而为方案的分析和评价提供依据。能耗计算与空调设计中的负荷计算是类似的，它们的区别主要在于能耗计算一般选择有代表性的气候条件为计算基础，即所谓的典型气象年。负荷计算以极端的气候条件为计算基础。负荷计算可以确定暖通空调设计负荷的峰值，从而选择合适的设备容量和数量。能耗计算可以得到用来满足负荷的一年的能源消耗量。目前能耗计算的方法有多种，基本可以分为静态和动态两类。静态计算方法应用相对简单，但它不能给出能耗随时间的变化情况，它不考虑建筑结构蓄热的影响。常用的静态计算方法有度日法、bin法、温频法、满负荷系数法等。动态计算方法对能耗进行全年的逐时计算，它能详细反映能耗随时间的变化。常用的动态计算方法有加权系数法和热平衡法。

建筑能耗模拟除了需要建筑设计的数据，当地的室外气象资料也是非常重要的信息。建筑能耗模拟是全年8760h逐时的动态模拟，因此需要逐时的气象数据。建筑能耗模拟所需要的气象参数包括太阳辐射、温度、湿度、风速、风向、云量、大气压力等约10到13种数据。模拟往往采用典型气象年的气象数据。典型气象年的数据可以根据过去多年的气象数据，通过一定的方法建立。

模拟软件是建筑能耗模拟的工具。现在有许多个大型工程中得到应用。不同类型的模拟软件，各个软件有各自的特点，并且面对众多的模拟软件，要进行比较和做出选择并还在不断的发展。有些模拟软件计算详细精确，但是不容易。选择软件时首先要考虑清楚所要解决的问使用起来很复杂，要求的专业知识较高，它们在过去通常用于研究目的，例如DOE-2，BLAST，ESP-r,TRN-SYS和Energy-Plus。这些详细的建筑能耗模拟软件通常是逐时、逐区模拟建筑能耗，考虑了影响建筑能耗的各个因素，如建筑围护结构、HV AC系统、照明系统和控制系统等。在建筑物寿命周期分析（LCC）中，建筑能耗模拟软件可对建筑物寿命周期的各环节进行分析，包括设计、施工、运行、维护、管理。另外还有一些相对简单的软件，例如Energy-10，ENER-WIN和EnergyScheming等。这些软件可以进行建筑全年能耗的评估，用于系统方案的比较选择。在国内，清华大学的建筑能耗模拟软件Dest影响较大，并已经在几个大型工程中得到应用。

面对众多的模拟软件，要进行比较和做出选择并不容易。选择软件时首先要考虑清楚所要解决的问题，软件并非功能越强大就越好，因为这种软件往往更昂贵，并且由于使用复杂而更易出错。另外要考虑软件使用的成本，包括培训、计算机资源等。

表１列建筑能耗举了几种模拟软件及其特点，供参考。

表9 建筑能耗模拟软件及特点

名称特点

Doe-2 适用于各类住宅和商业建筑。它可以进行逐时能耗分析，HV AC系统运行的寿命周期成本（LCC）分析，有20种输入校核报告，50种月度或年度综合报告，700种建筑能耗逐时分析参数，用户可根据具体需要选择输出其中一部分。有非常详细的建筑能耗逐时分析报告，可处理结构和功能较为复杂的建筑。但是操作较复杂，须经过专门培训，对专业知识要求较高。这是目前最强大的模拟软件。

BLAST 适用于工业供冷，供热负荷计算，建筑空词系统以及电力设备逐时能耗模拟。输入文件可由专门的模块HBLC在Windows操作环境下输入，也可在记事本中直接编辑。基于Window的友好的操作界面，结构化的输入文件，可分析热舒适度，高强度或低强度的辐射换热，变传热系数下能耗分析。对专业知识和工程实际有较深刻的理解才能设计出符合要求的模型。

Energy-Plus 适用于多区域气流分析，太阳能利用方案设计及建筑热性能研究。

ASCII输入、输出文件，可供电子数据表作进一步的分析。对建筑的

描述简单，输出文件不够直观。

ENER- WIN 适用于瞬时热流计算，能耗分析，寿命周期成本分析。提供一个简单的画板输入建筑的基本布局，建筑围护结构的热工性能。室内逐时温度设定。有表格和图像形式的月度、年度能耗报告，图形操作界面，有较为合理的缺省值。建筑可超过98个分区，提供20多种墙窗类型。算法较为简单，只有9种HV AC系统可供选择。

Energy-10 适用于住宅建筑和小型商业建筑。可进行方案设计阶段建筑能耗评价，逐时空调能耗分析和照明计算。12种HV AC系统可选。具有基于当前方案与标准方案之间比较的汇总图表，也可生成详细的报表。易于操作，快速，准确。建筑描述过于简单，只能用于小型建筑和小型HV AC 系统。

ESP- 适用于对影响建筑能源特性和环境特性的因素做深入的评估。内置CAD绘图插件，或者直接导人CAD文件。可模拟和分析当前比较前

沿或创新的技术。需要较强的专业知识。

建筑能耗模拟的主要应用之一是建筑物能耗预测与设计优化。对于一个建筑物来说，建筑造型及其围护结构形式对它的能耗有决定性的影响。它们直接影响到建筑物与室外环境的热量传递、自然通风、自然采光，而与这些相关的负荷占建筑采暖通风空调负荷的70％以上。因此，不同的建筑设计形式将导致很大的能耗差别。但是建筑设计形式对能耗的影响是复杂的，很难简单地进行判断。例如加大外窗的面积可以增加自然采光，冬天可以增加太阳辐射热量，减少采暖能耗，但夜晚又会增加向室外的传热，增大采暖能耗；夏季还会增加室内的得热量，增大空调的能耗。这样要判断建筑设计的优劣必须依靠计算机的动态能耗模拟。

目前，国内已经有越来越多的人开始利用建筑节能技术耗模拟技术来分析建筑设计与能耗的关系。魏玲等人利用建筑能耗模拟分析了窗户对建筑能耗的影响，得到了减少南京地区全年空调建筑物由热传递及太阳辐射引起的窗户能耗的3条措施。陈红兵等人利用耵ⅢSYS软件研究了天津地区窗户对建筑能耗的影响。周孝清等人利用DOE-2软件对广州一办公楼的不同外围护结构进行了能耗模拟，提出了围护结构设计的优化方案。刘洋等人利用Energy-Plus软件对天津某住宅小区的建筑能耗进行了模拟，并与实测结果比较，肯定了对Energy-Plus建筑设计的指导作用。曹毅然等人利用DEST软件模拟分析了上海混凝土砌块别墅建筑外围护结构的热工性能及其对建筑物能耗的影响，并给出了节能的方案。吴靖杰等人在一个节能住宅单体设计过程前期运用DOE-2进行建筑能耗模拟，并以计算结果为指导，结合实际做出了优化设计方案。

空调系统的性能预测与设计优化也是建筑能耗模拟的主要应用之一。目前空调系统的设计中，一般通过计算出最大的冷负荷来确定设备容量和数量。但实际上空调系统要运行在各种气候条件和室内使用方式下，它大部分运行时间不是在最大负荷而是在部分负荷下运行。这些部分负荷工况的特点不同，使得空调系统在实际运行中常常出现问题。如果能在空调设计时进行动态能耗模拟，了解可能出现的各种工况，在设计中就可以选择合理的系统形式，确定合适的设备容量和数量，采取有效的控制方案，从而使设计优化。

另外，建筑能耗模拟对于建筑节能标准的制定和实施也发挥重要作用。美国的DOE-2是目前最精确的动态模拟软件，它参与了许多国家的建筑节能标准制定。我国2001年颁布的《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》在制定过程中，也采用了DOE-2进行动态模拟计算。另外，在评估一个设计方案是否满足节能标准时，同样少不了模拟软件的帮助。

建筑能耗模拟是建筑节能中的一项重要技术，但是目前它在我国的应用范围还不是很广，大部分还是用于研究目的。在工程设计中的应用还处于起步阶段。

随着我国对建筑节能管理的强化，各地逐时气象数据库的建立，模拟软件的不断完善，建筑能耗模拟技术必将得到日益广泛的应用。