亞熱帶城區(qū)建筑風(fēng)驅(qū)雨模型研究

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作為建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)重要的外邊界條件，風(fēng)驅(qū)雨模型的建立是研究雨水在建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)的傳遞過(guò)程，預(yù)測(cè)風(fēng)雨對(duì)建筑外立面、建筑結(jié)構(gòu)以及建筑能耗影響的前提條件?，F(xiàn)有研究結(jié)果表明建筑立面上的風(fēng)驅(qū)雨強(qiáng)度分布對(duì)建筑所在地氣象條件、建筑幾何形狀以及建筑周?chē)h(huán)境等非常敏感。因此風(fēng)驅(qū)雨模型的建立需將這些影響因素考慮在內(nèi)全面考慮。現(xiàn)階段，在建筑模擬領(lǐng)域內(nèi)被采用的ISO-WDR模型和AHSW-WDR模型是建立在歐洲的氣候及城區(qū)建筑分布特征的研究基礎(chǔ)上的，不適用于我國(guó)亞熱帶城區(qū)建筑立面風(fēng)驅(qū)雨量計(jì)算。.本研究擬通過(guò)分析亞熱帶降雨特征、建筑現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、數(shù)值模擬以及統(tǒng)計(jì)分析等方法研究分析風(fēng)驅(qū)雨在城區(qū)建筑立面的分布規(guī)律，遴選主導(dǎo)影響因素，確定風(fēng)驅(qū)雨特征參數(shù)，建立參數(shù)化風(fēng)驅(qū)雨模型。

研究過(guò)程中結(jié)合原有計(jì)劃，基于我國(guó)《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》最新版本，立足綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)促進(jìn)綠色建筑發(fā)展的思路，從亞熱帶綠色公共建筑實(shí)際需求上，與綠色城區(qū)城市設(shè)計(jì)、建筑構(gòu)造、被動(dòng)房設(shè)計(jì)策略等相關(guān)研究結(jié)合進(jìn)行。 課題組首先分析了我國(guó)《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》的最新修訂，與美英兩國(guó)綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)比較確定了我國(guó)綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的整體優(yōu)化方向與路徑；進(jìn)而探討了綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)與城市設(shè)計(jì)的結(jié)合，構(gòu)建了綠色城區(qū)指標(biāo)體系，從選址、交通、城市空間與微氣候角度支撐公共建筑的綠色設(shè)計(jì)；同時(shí)，關(guān)注亞熱帶氣候與綠色建筑關(guān)鍵構(gòu)造的關(guān)系，從傳統(tǒng)建筑和現(xiàn)代公共建筑兩個(gè)方向入手進(jìn)行分析研究，并面向?qū)嶋H工程的設(shè)計(jì)建造需要研究綠色建筑構(gòu)造做法；最后，結(jié)合新型綠色建筑材料、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造等探索亞熱帶被動(dòng)房的設(shè)計(jì)策略與集成建造技術(shù)，配合BIM技術(shù)展開(kāi)相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)發(fā)建設(shè)。 研究不僅滿(mǎn)足了建筑產(chǎn)業(yè)綠色發(fā)展的迫切需求，也推動(dòng)了建筑學(xué)科新型思維范式的發(fā)展，有助于實(shí)現(xiàn)推動(dòng)亞熱帶公共建筑綠色設(shè)計(jì)有序進(jìn)行的目標(biāo)。 2100433B

本項(xiàng)目研究思路為：穩(wěn)態(tài)模型→正弦波風(fēng)速模型→脈動(dòng)風(fēng)模型→平均風(fēng)模型→非穩(wěn)態(tài)風(fēng)量模型→非穩(wěn)態(tài)風(fēng)下室內(nèi)溫度分析。 課題組先從穩(wěn)態(tài)模型入手，對(duì)自然通風(fēng)建筑計(jì)算模型進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。 其次，由于階躍變化與正弦變化是研究動(dòng)態(tài)特性時(shí)通常輸入的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，因此課題組假定非穩(wěn)態(tài)風(fēng)為正弦波動(dòng)風(fēng)形式，基于通風(fēng)與蓄熱的基本理論，結(jié)合數(shù)值分析及數(shù)值模擬方法，在正弦波動(dòng)風(fēng)速來(lái)流條件下對(duì)室內(nèi)溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬和分析，得到了室內(nèi)溫度衰減系數(shù)和延遲時(shí)間的變化規(guī)律，比較了恒定風(fēng)與正弦波來(lái)流對(duì)室內(nèi)溫度計(jì)算結(jié)果的差異。 而通過(guò)分析自然風(fēng)特性可知，自然風(fēng)由平均風(fēng)和波動(dòng)風(fēng)組成，波動(dòng)風(fēng)具有隨時(shí)間和空間強(qiáng)烈變化的非線(xiàn)性隨機(jī)波動(dòng)特性，它并不能由單一諧波函數(shù)來(lái)描述。因此，課題組根據(jù)諧波疊加法對(duì)脈動(dòng)風(fēng)速時(shí)程進(jìn)行了模擬，結(jié)合風(fēng)工程學(xué)中的風(fēng)致內(nèi)壓脈動(dòng)研究方法，建立了主要脈動(dòng)通風(fēng)量模型；就平均風(fēng)速的概率分布特性，提出了平均風(fēng)速呈威布爾分布條件下的平均通風(fēng)量模型。通過(guò)脈動(dòng)通風(fēng)量模型分析，可發(fā)現(xiàn)，脈動(dòng)通風(fēng)量與開(kāi)口面積、房間體積、平均風(fēng)速、湍流強(qiáng)度成一定函數(shù)關(guān)系。對(duì)隨機(jī)平均風(fēng)速下的平均通風(fēng)量模型分析可知，若平均風(fēng)速和最大風(fēng)速一定，服從威布爾分布的風(fēng)速時(shí)程序列是存在多種情況的，但是各平均風(fēng)速所占概率相同，總平均通風(fēng)量是一定的。對(duì)于單側(cè)開(kāi)口，總通風(fēng)量為脈動(dòng)通風(fēng)量與平均通風(fēng)量之和；小開(kāi)口通風(fēng)量主要由脈動(dòng)通風(fēng)量組成，大開(kāi)口通風(fēng)量由平均通風(fēng)量和脈動(dòng)通風(fēng)量組成。通風(fēng)量模型建立后，利用大渦數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果及其他計(jì)算模型結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，分析可知本模型更為準(zhǔn)確。 最后，對(duì)自然風(fēng)進(jìn)行了實(shí)測(cè)，基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析了自然風(fēng)的平均風(fēng)特性和脈動(dòng)風(fēng)特性；采用諧波疊加法得到隨機(jī)脈動(dòng)風(fēng)速序列，采用雙參數(shù)的威布爾分布模型得到隨機(jī)平均風(fēng)速序列；針對(duì)單側(cè)大開(kāi)口/雙側(cè)大開(kāi)口自然通風(fēng)建筑，以脈動(dòng)風(fēng)速序列和隨機(jī)平均風(fēng)速序列分別作為遠(yuǎn)處來(lái)流風(fēng)速，得到非穩(wěn)態(tài)自然通風(fēng)建筑室內(nèi)溫度求解模型，根據(jù)該模型，分析了風(fēng)速以及內(nèi)外蓄熱體特性、內(nèi)熱源及開(kāi)口面積等因素對(duì)室內(nèi)溫度衰減系數(shù)和延遲時(shí)間的影響。 研究首次提出了風(fēng)向垂直于風(fēng)口的非穩(wěn)態(tài)來(lái)流下單側(cè)開(kāi)口自然通風(fēng)建筑通風(fēng)量計(jì)算方法，探討了變風(fēng)速、開(kāi)口面積、房間體積及湍流脈動(dòng)等參數(shù)對(duì)通風(fēng)量的影響，并基于該方法，提出了非穩(wěn)態(tài)自然通風(fēng)室內(nèi)溫度求解模型，該模型可用于評(píng)估實(shí)踐工程中的自然通風(fēng)建筑內(nèi)部熱環(huán)境，指導(dǎo)自然通風(fēng)建筑蓄熱設(shè)計(jì)。 2100433B