使用 CFD 仿真優(yōu)化建筑設計

　　近日，受臺風”煙花“的影響，江浙滬等地區(qū)正經(jīng)歷暴風雨交加的惡劣天氣侵擾。盡管外面是強風暴雨，但由于建筑圍護結構的保護，我們才能免受外界環(huán)境的影響。為了設計功能完善的建筑圍護結構，工程技術人員需要考慮各種不同的因素。

　　建筑圍護結構的全包裹需求

　　建筑圍護結構也稱為建筑外殼，是將內(nèi)部環(huán)境與外部環(huán)境隔開的系統(tǒng)。對早期人類來說，像洞穴和茅屋這樣的建筑就是最初的建筑圍護結構，為我們的祖先提供了必要的防護。這些早期的建筑圍護結構為當時的人們提供了可容納最低生活必需品的棲身之地，但隨著時間的推移，建筑圍護結構不斷發(fā)生改變，包含的構件不斷增多，例如墻壁、屋頂、地板和窗戶。然而，建筑圍護結構的目的仍然是一樣的，那就是保護居民免受外界環(huán)境以及水、熱、冷等各種因素的影響。

　　建筑圍護結構保護人們免受外部環(huán)境的影響。

　　現(xiàn)代建筑圍護結構相當復雜。由于建筑風格不斷變化，新的產(chǎn)品、工藝、建筑規(guī)范和設計也不斷涌入。對于這些新元素，工程技術人員要考慮結構的穩(wěn)定性、透水性、節(jié)能和熱性能等等。

　　Built Environments 公司著力設計改進的建筑圍護結構

　　為了高效研究氣流、水分傳輸、傳熱以及其他影響建筑圍護結構性能的因素，Built Environments 公司使用了 COMSOL Multiphysics? 軟件。他們借助該軟件分析不同的物理場如何同時產(chǎn)生作用，并研究建筑設計、施工和評估過程不同階段的情況。Built Environments 公司總裁 Steven Doggett 指出，他們的工作主要分為三類：

　　對材料、產(chǎn)品和組件的性能進行建筑物理研究

　　設計和重新設計服務

　　建筑圍護結構咨詢，包括建筑和施工現(xiàn)場檢查以及建筑取證

　　對于所有這些類別，仿真都有利于增強 Built Environments 公司的分析能力。接下來，我們看看他們使用仿真的具體例子。

　　使用 CFD 仿真設計節(jié)能建筑

　　為了提高建筑物的能源效益，建筑行業(yè)已實施對能源效益守則的改進措施。然而，遵守這些守則卻給建筑設計師帶來了挑戰(zhàn)。應對這一挑戰(zhàn)并提高建筑物整體能效的一個方法是提高其熱性能。這可以通過更好地理解建筑設計中不同材料、產(chǎn)品和組件的 R 值(材料抵抗熱流的能力)和 U 因子(傳熱或損耗速率)來實現(xiàn)。具體來說，希望提高建筑熱效率的工程技術人員可以增加 R 值，而減小 U 因子。(請注意，R 值和 U 因子成反比，U = 1/R。)

　　顯示穿過隔熱建筑圍護結構的樓板熱損耗的熱圖像。圖片來自公共領域，通過 Wikimedia Commons 分享。

　　盡管熱性能值可以通過常規(guī)方法計算，但 Doggett 提到，ASHRAE 標準 90.1 建筑規(guī)范允許用仿真代替組裝測試。這種做法對計算非常有利，因為適當?shù)乃憷抡婵梢杂行в嬎愀鞣N可能的氣候環(huán)境和材料組合的熱性能值，從而加速設計過程。舉個例子，可以考慮使用 CFD 仿真軟件來確定墻壁裝配的熱性能。為此，工程技術人員首先必須根據(jù)真實的熱箱測試對仿真進行正確的基準測試。Built Environments 公司團隊執(zhí)行這些類型的分析時，他們的目標是將結果保持在當前熱箱實際值的 ±2.5% 范圍內(nèi)。通常，他們模擬的 R 值與熱箱測試的偏差小于 1%，仿真的精度得到了證實。

　　標準鋼立柱墻的基準仿真與相應熱箱測試的對比。模擬的 R 值 10.44 與測試結果的偏差僅為 -0.57%。盡管對于驗證來說，仿真結果與透射測試值的偏差閾值為 ±8% 通常都可以接受，但 Built Environments 的仿真結果與當前熱箱實際情況(ASTM C1363)的結果之間的偏差一般在 2.5% 以內(nèi)。請記住，熱箱測試的精度為 ±5%。圖像由 Steven Doggett 提供。

　　能效設計中的問題

　　提高建筑能效并非易事。例如，一個常見的設想是隔熱性能越高越好，但這可能會導致潮濕問題。另一個例子是，現(xiàn)代設計的趨勢是在墻面板和磚石背墻的外側鋪設隔熱層，以減輕熱橋的影響。由于這種鋪設方式仍需要固定裝置來懸掛外墻，因此最終可能再度導致 熱橋效應。所以 Doggett 評論說，這就像是“進一步退半步”。建筑設計師該如何避免這種情況呢?Doggett 說，他的公司使用 COMSOL Multiphysics 作為一種“預防工具”，有助于“深入理解設計問題”。這種方法的可行之處在于，通過仿真，建筑設計師和工程技術人員能夠在建造之前改進他們的設計，預測系統(tǒng)將如何對不同的環(huán)境和條件做出反應。盡早發(fā)現(xiàn)設計問題至關重要，因為后期修復建筑圍護結構問題的成本非常高，有時甚至與最初建造建筑維護結構的成本相當。

　　穿孔與無穿孔箔面隔熱層的仿真結果對比圖。在隔熱層上增加孔眼可以改善冬季穩(wěn)定條件下建筑維護結構的防潮性能。圖片由 Steven Doggett 提供。

　　此外，在仿真中，通過以三維方式描繪復雜的問題，使建筑設計師能夠更容易地發(fā)現(xiàn)設計中的潛在問題。正如 Doggett 提到的，由于建筑行業(yè)是“視覺導向的”，這一點特別有用。

　　建筑取證

　　我們已經(jīng)討論了如何使用仿真來預防 建筑圍護結構的問題，但有既存 問題時會發(fā)生什么呢?針對這種情況，Built Environments 團隊利用仿真來執(zhí)行建筑取證。這個過程包括評估和調(diào)查有缺陷的建筑設計，以確定損壞的原因和持續(xù)時間以及未來損壞的可能性。Doggett 舉了一個建筑取證的例子，一個項目涉及修復雨幕系統(tǒng)，該系統(tǒng)在建筑包層后面創(chuàng)造空間來幫助防潮。這對于建筑整體性能非常重要，正如 Doggett 所指出的，“大約 90% 的建筑問題是由潮濕引起的”。在這個特定的例子中，雨幕系統(tǒng)的包層由半透明的聚碳酸酯制成，部分光和熱可以通過此包層傳遞。雖然很美觀，但太陽輻射得熱量會導致外部泡沫隔熱層熔化。

　　聚碳酸酯雨幕系統(tǒng)的 CFD 仿真，其中竣工條件導致意想不到的太陽輻射得熱量。產(chǎn)生的問題包括面板變形和 XPS 隔熱層的表面熔化。對雨幕改造的 CFD 分析成功地確定了允許的最大太陽輻射得熱量和最低的通風要求。圖片由 Steven Doggett 提供。

　　通過 CFD 分析，Built Environments 團隊能夠確定重新設計所需的最低通風要求和允許的最大太陽輻射得熱量?，F(xiàn)場的數(shù)據(jù)驗證了仿真結果的正確性。最后，Doggett 指出，團隊成員發(fā)現(xiàn)他們“準確計算了他們在現(xiàn)場看到的情況”。

　　應對建筑仿真挑戰(zhàn)

　　建筑是一個非常實用且“腳踏實地”的行業(yè)。因此，Doggett 強調(diào)了在建筑物理和整個建筑行業(yè)中使用仿真時，對實際物理測試進行基準測試的重要性。我們需要進行基準測試來增加對仿真結果的信心。Built Environments 團隊成員在 CFD 仿真中使用現(xiàn)場收集的真實數(shù)據(jù)。這樣，他們可以立即驗證條件，并確認不同的條件如何影響建筑設計。Doggett 表示，這讓他能夠“看到仿真的力量”，因為他可以“立即看到基準”。仿真在建筑領域的應用也帶來了另一個挑戰(zhàn)：建筑分析中需要的大規(guī)模變化。以建筑物的小規(guī)模特征為例，正如前面提到的雨幕，它會影響整個建筑物的熱效率。Doggett 評論道，你可以通過使用二維和三維建模以及 COMSOL Multiphysics 的網(wǎng)格劃分功能來應對這種規(guī)模的變化。盡管存在不少挑戰(zhàn)，但仿真仍能夠滿足各種建筑設計、施工和評估需求，有助于為未來的建筑設計奠定基礎。