武漢城市住宅小區(qū)風環(huán)境的數(shù)值模擬及分析

摘 要：隨著中國城市化的快速發(fā)展，住宅小區(qū)的風環(huán)境越發(fā)得到人們的重視。對于夏熱冬冷的武漢市，城市住宅小區(qū)的冬季防風以及夏季自然通風顯得尤其重要。通過Airpak3.0軟件建立武漢未建小區(qū)模型，采用 湍流物理模型求解住宅小區(qū)內(nèi)風速及風壓的方法來研究建筑布局與風場的關(guān)系。研究表明，計算機數(shù)值模擬能準確模擬小區(qū)風流場，建筑布局和風向角對小區(qū)風環(huán)境影響較大。采用數(shù)值模擬方法，結(jié)合城市風玫瑰圖進行合理建筑規(guī)劃布局可為武漢住宅小區(qū)建筑布局的規(guī)劃建設(shè)提供指導和優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：住宅小區(qū)；風環(huán)境；計算機模擬；建筑布局

中圖分類號：TU17 文獻標識碼： A

1 引言

城市住宅小區(qū)作為城市不斷擴大、人口日趨密集的現(xiàn)代人居環(huán)境形式，其相關(guān)環(huán)境狀況的優(yōu)劣被越來越多的人所認識與關(guān)注。住宅小區(qū)已不僅滿足其居住功能，同時還應(yīng)強調(diào)居住者的健康舒適性以及環(huán)境質(zhì)量的優(yōu)越性。在住宅區(qū)的各種環(huán)境中，和人們生活最為緊密的就是住宅小區(qū)的風環(huán)境和熱環(huán)境，良好的室外風環(huán)境對節(jié)約能源和創(chuàng)造健康舒適室內(nèi)外生活具有重要意義：利用自然通風解決夏季或過渡季的熱舒適性問題，取代或部分取代空調(diào)；適宜的冬季防風設(shè)計，防止冬季冷風帶走住宅周圍結(jié)構(gòu)的熱量以降低建筑能耗，實現(xiàn)住宅節(jié)能；良好的風環(huán)境設(shè)計不僅改善居住的舒適度，還可以提高居住環(huán)境的空氣品質(zhì)；通過創(chuàng)造適宜的小區(qū)風環(huán)境便于為人們提供舒適的室外活動和行走空間。因此，為了營造健康舒適的居住區(qū)微氣候環(huán)境，住宅小區(qū)的風環(huán)境研究顯得尤其重要。

日本學者Azli Abd Razak研究了建筑布局迎風面面積比例對行人風環(huán)境舒適度影響，研究推導出行人風速和建筑正面面積之比的函數(shù)。住宅小區(qū)風環(huán)境的研究工作在國內(nèi)也有不少。重慶大學Yafeng Gao通過計算機模擬研究了建筑布局對城市風環(huán)境影響，研究指出不同風速風向和不同的建筑布局形式是影響行人的舒適度的兩個重要因素。天津大學杜曉輝等對天津高層住宅小區(qū)風環(huán)境進行了模擬和分析，結(jié)合建筑規(guī)劃設(shè)計提出了改進高層住宅群不利風環(huán)境的相應(yīng)措施。武漢作為中國中部城市，是典型的夏熱冬冷城市，因而對武漢地區(qū)住宅小區(qū)的研究很有必要。利用夏季的自然通風以減少室內(nèi)空調(diào)的使用和室外熱環(huán)境對行人的不舒適感；同時武漢市冬季寒冷，通過合理的建筑群布局有利于冬季的防風以減少小區(qū)熱量的散失達到綠色節(jié)能。

2 武漢風環(huán)境

武漢市地處中低緯度，屬亞熱帶季風氣候，四季分明，光照充足，熱富水豐，雨熱同季，冬冷夏熱，無霜期長。武漢市年平均氣溫為16.2～16·7℃，冬季多東北風，夏季盛行東南風，在廣闊湖面沿岸有“海陸”風，在黃陂北部山區(qū)有山谷風。據(jù)武漢氣象資料顯示，年平均風速為2.5～2.9米/秒，一年中有30%的日數(shù)，平均風速可達3米/秒以上，多年平均最大風速為14～19米/秒。武漢多年分月主要風向及頻率情況見下表1所示。

3 模型的建立

本案例研究為絲寶房地房開發(fā)（武漢）有限公司開發(fā)的聽濤觀海三期未建小區(qū)。建筑面積為228455m2，建筑密度為18%，容積率1.3。其詳細規(guī)劃平面圖如下圖3所示。規(guī)劃小區(qū)位于武漢市黃陂區(qū)，距城區(qū)12公里左右。本建筑群為低層，多層，高層混合普通住宅小區(qū)。低層別墅區(qū)3層高共計22幢，位于小區(qū)北部；多層住宿區(qū)6層高共計19幢，位于小區(qū)中部；沿路為25-27層的高層區(qū)，共計14幢，所有建筑基本均朝南坐北布置。根據(jù)規(guī)劃小區(qū)內(nèi)每棟建筑的長、寬、高實際尺寸并簡化對風環(huán)境影響很小的拐角、凸起等建立起聽濤觀海小區(qū)的三維模型如下圖4所示。

4 數(shù)值模擬和分析

4.1 模擬計算指標

根據(jù)近年來武漢市的風資料可以得出全年日平均風速為2.8m/s左右，在模擬中取夏季風速為2.8m/s，來流方向為東南方向；冬季為3.0m/s；來流方向為東北方向。計算模型參考高度為10m，研究離地面1.5m行人高度小區(qū)建筑群周圍在不同方向下的平均速度場與風壓場分布。根據(jù)綠色奧運建筑評估體系對小區(qū)風環(huán)境提出的明確要求對小區(qū)風環(huán)境模擬進行分析和評價，即：

（1）在建筑物周圍行人區(qū)1.5m處風速小于5m/s；

（2）冬季保證建筑物前后壓差不大于5Pa；

（3）夏季保證75%以上的板式建筑前后保持1.5Pa左右壓差，避免局部出現(xiàn)漩渦和死角，從而保證室內(nèi)有效的自然通風。

4.2 計算邊界條件

由于建筑和小區(qū)周圍的空氣流動屬于大氣邊界層的低速不可壓湍流流場，所以風場的基本控制方程為流體的連續(xù)性方程、動量守恒方程和能量守恒方程。同時作為穩(wěn)態(tài)流場，還需引入湍流模型。選取RNG 模型作為計算模型，這種模型在低速湍流計算中較為常用，計算速度和精度較高，而且對近壁地區(qū)和邊界地區(qū)等湍流發(fā)展不完全區(qū)域的計算精度也能令人滿意。

入口邊界采用大氣邊界層，設(shè)置好大氣邊界層的大小，迎風方向，風速，以及當?shù)貐^(qū)域類型，也可根據(jù)實際情況選擇離地Z和地面粗糙指數(shù)α的數(shù)值。本研究案例中選用的地面粗糙類別為C類：即地面粗糙指數(shù)為0.22，邊界層厚度Z的值為400m。建筑物附近的風速可以按照大氣邊界層理論和地形條件來確定。不同地形下的風速梯度也不一樣，根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB 50009—2001，地面粗糙度可分為A、B、C、D 四類，其相應(yīng)值見下表2所示。模擬中將側(cè)面出口邊界設(shè)置為環(huán)境壓力出口邊界；將地面和頂面均設(shè)為固定不動無滑移的壁面條件。

4.3 冬夏兩季風環(huán)境模擬

武漢住宅小區(qū)夏季主導方向為SE， 數(shù)值模擬時，取室外平均風速2.8m/s。下圖5～6為距地面1.5m處的夏季風速和風壓分布圖。住宅小區(qū)冬季主導方向為NE， 數(shù)值模擬時，取室外平均風速3.0m/s。下圖7～8為距地面1.5m處的冬季風速和風壓分布圖。

4.4 小區(qū)風環(huán)境模擬分析

通過對武漢住宅小區(qū)夏季與冬季室外風環(huán)境的模擬結(jié)果分析，我們可以得到以下幾點結(jié)論：

（1）通過對小區(qū)內(nèi)低層，多層，及高層建筑在1.5m處的風速、壓強的比較與分析，可以得出場內(nèi)的最高風速比來流風速高40%左右，且最高風速主要出現(xiàn)在來流方向的狹窄通道上和建筑群的迎風端口處，如圖5～8中的紅色區(qū)域。

（2）從模擬結(jié)果可以看出，小區(qū)內(nèi)絕大部分行人的風速為0.2m/s～0.8m/s，風速均小于5m/s。但在小區(qū)建筑群迎風面拐角處，局部風速加大，在風速較大的天數(shù)里，有可能出現(xiàn)風速過大，建議在此位置處種植行道樹等景觀綠化植物形成擋風構(gòu)筑物，降低小區(qū)行人高度處的風速，避免風速過大造成行人安全問題和不適感。

（3）建筑周圍空間環(huán)境中最大風速比（當?shù)仫L速/來流風速）均小于2，因此，不會出現(xiàn)導致行人行走困難的突發(fā)性高風速情況。

（4）從模擬結(jié)果可以看出，大部分小區(qū)建筑前后壓差不超過5Pa，滿足《綠色建筑評價標準》中的規(guī)定。

（5）通過夏季小區(qū)建筑群風壓模擬圖（圖6）中可以清晰的看出：絕大部分板式建筑前后壓差保持在1.5Pa左右，有利于夏季建筑室內(nèi)的自然通風。小區(qū)建筑群的北部，低層建筑密度過高加上來流方向建筑群的遮擋會影響夏季的自然通風，可通過降低建筑密度或布置水體綠化來改善通風狀況。

5 結(jié)論

本文參考氣象資料對夏熱冬冷城市武漢某住宅小區(qū)風環(huán)境進行了研究，分別考慮夏季和冬季的年平均風的作用下，該住宅小區(qū)風環(huán)境情況。對武漢住宅小區(qū)風環(huán)境的研究，我們得到如下結(jié)論：

（1）城市住宅小區(qū)的風環(huán)境與城市氣象參數(shù)和建筑布局有關(guān)。從模擬結(jié)果可以看出，風速的大小和來流方向?qū)π^(qū)風環(huán)境影響較大；建筑間距是風流動的通道，可通過調(diào)整建筑間距來促進冬季的防風和夏季的通風設(shè)計。

（2）城市住宅小區(qū)建筑群的規(guī)劃設(shè)計在方案實施之前，應(yīng)根據(jù)當?shù)氐娘L玫瑰圖做適當?shù)恼{(diào)整。對于夏熱冬冷中部城市武漢而言，冬季主導風向是東北風，但是在通風要求較高的夏季，風向卻是東南風，在小區(qū)規(guī)劃階段，可以通過CFD 數(shù)值模擬該小區(qū)風環(huán)境，并做出相應(yīng)調(diào)整；

（3）在建筑設(shè)計工程中，以數(shù)值方法預測建筑群的風環(huán)境是一種簡便、快捷、有效的方法，可為規(guī)劃階段的方案優(yōu)化提供科學的依據(jù)，有效地避免在建筑建成之后可能出現(xiàn)的建筑物理環(huán)境問題，為創(chuàng)造綠色節(jié)能舒適的小區(qū)建筑風環(huán)境提供直觀的數(shù)據(jù)參考。

參考文獻：

1 陳卓倫，趙立華，孟慶林，王長山，翟永超，王飛.廣州典型住宅小區(qū)微氣候?qū)崪y與分析[J].建筑學報，2008（11）.

2 Azli Abd Razak，Aya Hagishima.Analysis of airflow over building arrays for assessment of urban wind environment[J].Building and Environment， 2013 （59）.

3 Yafeng Gao，Runming Yao，Baizhan L，Erdal Turkbeyler， Qing Luo， Alan Short. Field studies on the effect of built forms on urban wind environments[J]. Renewable Energy， 2012 （46）.

4 杜曉輝，高輝.天津高層住宅小區(qū)風環(huán)境探析[J].建筑學報， 2008（4）.

5 綠色奧運建筑研究課題組.綠色奧運建筑評估體系[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2003.

6 [日]村上周三著，朱清宇等譯.CFD與建筑環(huán)境設(shè)計[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007.

7 尚濤，錢義. 武漢地區(qū)住宅小區(qū)的風環(huán)境模擬及評價[J]. 華中建筑， 2013（1）.

8 劉春艷，彭興黔.沿海城市住宅小區(qū)風環(huán)境研究[J].福建建筑， 2010（7）.

（本文審稿 符永正）