綠色校園的環(huán)境適應(yīng)性研究

■ 錢 鋒 Qian Feng 楊 麗 Yang Li

綠色校園的環(huán)境適應(yīng)性研究

■ 錢 鋒 Qian Feng 楊 麗 Yang Li

學(xué)校作為一個城市單元，校園的風(fēng)環(huán)境和自然通風(fēng)情況都會影響著師生的學(xué)習(xí)生活環(huán)境品質(zhì)。運用計算流體力學(xué)對某中學(xué)建筑周圍的風(fēng)環(huán)境流場及建筑物表面的平均風(fēng)壓進行數(shù)值模擬，借助FLUENT軟件計算分析，結(jié)合相應(yīng)指標(biāo)對校園建筑不同高度的自然通風(fēng)情況、宜居性進行了評價，對我國的中學(xué)校園規(guī)劃設(shè)計、建筑舒適性的改善及建筑節(jié)能有一定的指導(dǎo)意義。

綠色校園；建筑群布局；舒適性；風(fēng)環(huán)境

0 引言

學(xué)校作為學(xué)生日常學(xué)習(xí)生活的場所，其中的建筑造型、尺度和規(guī)劃布局情況會對校園生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生重要的影響[1,2]。合理的建筑布局設(shè)計可以改善建筑周圍的風(fēng)熱環(huán)境，提高校園舒適度，降低供暖制冷能耗。因此，在設(shè)計階段，對校園規(guī)劃方案進行風(fēng)環(huán)境評估，對于優(yōu)化建筑設(shè)計，建設(shè)節(jié)能環(huán)保型校園有顯著的指導(dǎo)作用。

本文以我國南方地區(qū)的一所中學(xué)（圖1、2）為例，通過探究其校區(qū)改造后的風(fēng)環(huán)境情況，對改造方案做出評價。由于數(shù)值模擬比實地測量和風(fēng)洞試驗得出的計算結(jié)果更直觀和詳細，被國際上廣泛采用，故本文使用專業(yè)CFD軟件FLUENT對該校園的建筑風(fēng)環(huán)境進行計算和分析。

研究結(jié)果表明，建筑改造方案確實有利于校園風(fēng)環(huán)境的改善和舒適度的提高。

圖1 中學(xué)教學(xué)區(qū)鳥瞰圖

1 數(shù)值模擬

計算流體力學(xué)（CFD）是用電子計算機和離散化的數(shù)值方法對流體力學(xué)問題進行數(shù)值模擬和分析的一個新分支。隨著計算機硬件工業(yè)的發(fā)展，CFD成本低廉，能夠模擬較為復(fù)雜的計算過程，且與風(fēng)洞實驗的結(jié)果差別不大[3]，故在近20年中得到了廣泛的應(yīng)用[4,5]。

圖2 中學(xué)區(qū)位圖及改造前建筑布局

本次模擬使用的CFD軟件是由美國FLUENT Inc.推出的FLUENT軟件，它將不同領(lǐng)域的計算軟件組合起來，成為CFD計算機軟件群，軟件之間可以方便地進行數(shù)值交換，并采用統(tǒng)一的前、后處理工具，用來模擬從不可壓縮到高度可壓縮范圍內(nèi)的復(fù)雜流動。由于采用了多種求解方法和多重網(wǎng)格加速收斂技術(shù)，因而FLUENT能達到最佳的收斂速度和求解精度。

數(shù)值模擬的過程分為幾何建模、選擇湍流物理模型、定義邊界條件、生成網(wǎng)格、求解和后處理。

Launder and Spalding提出的標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型是工程流場計算中的主要工具[6]，該模型假設(shè)流動為完全湍流，忽略分子黏性的影響，由于其在數(shù)值計算中波動小、精度高，計算量合適，應(yīng)用較為廣泛[7][8]。本文采用RNG k-ε湍流模型來進行模擬[9,10]，其湍流控制方程如式（1）～（4）所示：（1）為連續(xù)性方程，（2）為動量方程，（3）為k方程，（4）為ε方程。

其中，Ui(i=1,2,3)，分別為沿坐標(biāo)軸x、y、z方向的平均速度分量；

k、ε——湍流動能和湍流耗散率；

p——平均壓力；

ρ——空氣密度

Sij——平均應(yīng)變張量分量；

γ——氣流運動黏度；

Cu=0.085， C1=1.42，C2=1.68，σk=0.72，σε=0.72，η0=4.38，β=0.015。

2 數(shù)值模擬在校園建筑風(fēng)環(huán)境中的應(yīng)用

2.1 外部環(huán)境

案例地處我國東南部，本文選取其所在的城市氣象數(shù)據(jù)作為外部條件。該地位于江淮之間，全年氣溫變化的特點是冬寒夏熱，春秋溫和，為亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，風(fēng)向有明顯的季節(jié)性變化。冬夏季節(jié)時間較長，分別為4個月；春秋季節(jié)持續(xù)時間較短，分別為兩個月。全年平均氣溫在15～16℃之間，年日照時數(shù)在2 000h左右，年平均絕對濕度自北向南為13～17hPa，年平均風(fēng)速在1.6～3.3m/s之間，夏季以東南風(fēng)為主，冬季以東北風(fēng)為主（表1），而春秋兩季是風(fēng)向轉(zhuǎn)換季節(jié)，多為東風(fēng)。

表1 合肥地區(qū)氣候條件

本次實驗使用FLUENT對夏季和冬季兩種工況進行模擬，從而對建筑外部風(fēng)環(huán)境進行研究。

2.2 建筑群模型的建立及計算區(qū)域的確定

選取某中學(xué)的建筑群為分析對象，其改造方案平面設(shè)計布置如圖3所示，教學(xué)樓、綜合教學(xué)樓、圖書館、宿舍、食堂、風(fēng)雨操場等建筑呈散點式分布。該建筑群建設(shè)用地南北長約300m，東西寬約230m，均為低層建筑（圖4）。本文按照1∶1的比例對校園建筑建立簡化模型，其中教學(xué)樓高度為16～24m不等，綜合教學(xué)樓高17m，圖書館高10.2m，宿舍樓高度分別為20m和24m，食堂高12m，風(fēng)雨操場高5m。

在進行風(fēng)環(huán)境數(shù)值模擬之前，首先需要確定有效的計算區(qū)域，合理的計算區(qū)域范圍有利于提高模擬的準(zhǔn)確性，減少計算量。經(jīng)過反復(fù)研究和計算，本文選取的計算區(qū)域大小為600m×500m×80m。

2.3 邊界設(shè)定及網(wǎng)格劃分

確定了計算區(qū)域之后，需要設(shè)定合理的邊界條件，以真實地模擬建筑環(huán)境。分析案例中的中學(xué)所處的地理位置及其氣候條件，判斷其不同季節(jié)的主導(dǎo)風(fēng)向和風(fēng)速，從而確立模擬區(qū)域的輸入輸出條件，以此代替完全開口的流場。①入口邊界條件：采用速度進口邊界條件（Velocityinlet），分別以當(dāng)?shù)叵募局鲗?dǎo)風(fēng)東南風(fēng)和冬季主導(dǎo)風(fēng)東北風(fēng)作為入口風(fēng)向進行計算；②出口邊界條件：定義流場的出口為自由出流邊界Outflow[11]；③固體壁面邊界條件：采用了無滑移壁面條件(Wall)，設(shè)定為自由滑移表面。

圖3 校園建筑布局改造方案

圖4 教學(xué)樓改造后效果圖

在模擬過程中，網(wǎng)格的質(zhì)量往往影響著計算的準(zhǔn)確性和精度。Yoshihide研究小組曾對7個案例的數(shù)值計算、風(fēng)洞試驗和實測結(jié)果進行比較，總結(jié)了CFD計算中網(wǎng)格劃分的一些原則[12]。本文借助FLUENT的前處理軟件Gambit對流場計算區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格沒有規(guī)則的拓撲結(jié)構(gòu)，網(wǎng)格形狀種類多，靈活度高，便于模擬復(fù)雜的下墊面。試驗先在建筑物壁面處布置較為密集的網(wǎng)格以適應(yīng)流場的變化，而建筑群外圍則布置較為稀疏的網(wǎng)格，再由面到體對整個流場進行區(qū)域劃分[13]。這樣確定布置30 011個網(wǎng)格節(jié)點，形成97 640個四面體單元。建筑表面和地面網(wǎng)格劃分見圖5。

圖5 建筑簡化模型和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格圖

圖6 夏季5m（左）和15m（右）高度建筑群周邊風(fēng)速矢量分布圖

圖7 冬季5m（左）和15m（右）高度建筑群周邊風(fēng)速矢量分布圖

表2 行人高度處蒲福（BEAUFORT）指數(shù)定義及人的行為表現(xiàn)

3 中學(xué)建筑群風(fēng)環(huán)境分析

下面是對改造后的校園建筑群周邊區(qū)域的風(fēng)環(huán)境模擬，分為冬夏兩季。將教學(xué)樓圖書館、宿舍、食堂等建筑模型按照等比大小導(dǎo)入FLUENT中，環(huán)境風(fēng)的方向分別為(夏季)東南方向和（冬季）東北方向，大小分別設(shè)為2.8m/s和2.6m/s。經(jīng)過計算，得出不同高度的風(fēng)速矢量分布圖。

圖6、7分別是夏冬兩季5m、15m高度學(xué)校建筑群周邊環(huán)境的風(fēng)速矢量分布圖，夏季大部分區(qū)域風(fēng)速在0.2～4.7m/s之間，最大風(fēng)速不超過6.5m/s，冬季風(fēng)速在0.04～3.7m/s之間，根據(jù)蒲氏風(fēng)級表（表2）的定義和HUNT標(biāo)準(zhǔn)[14]，風(fēng)力大小均在一個較為舒適的范圍之內(nèi)。從圖中可以看出，由于建筑物的遮擋，在建筑物的背風(fēng)區(qū)會產(chǎn)生明顯的風(fēng)影區(qū)，風(fēng)影區(qū)風(fēng)速大幅下降。后排建筑由于被前排建筑遮擋，其迎風(fēng)面也會處在風(fēng)影區(qū)內(nèi)。通過對比可以看出，隨著高度的增加，建筑物遮擋減少，通風(fēng)效果逐漸加強，風(fēng)速變大。

案例中的學(xué)校建筑群布局可視為散點式，散點式布局常見于低層獨立住宅、多層點式及高層塔式住宅，由于其建筑群自成組團或圍繞中心建筑、公共綠地、水面進行布置，有利于通風(fēng)[15]。圖中的建筑走向基本一致，與冬夏兩季風(fēng)向入射角均呈約30°～50°夾角，既保證了建筑群良好的通風(fēng)，也避免了風(fēng)直接穿過建筑或形成大的風(fēng)道給學(xué)生帶來不適感。

由圖中可看出，夏季，由于校園南部的教學(xué)樓體積較小，幾乎不會對中心廣場北側(cè)的一排教學(xué)樓進行遮擋，保證了中心廣場和教學(xué)樓的通風(fēng)，為學(xué)生的學(xué)習(xí)和室外活動營造了良好的條件。而冬季，由于中心廣場北側(cè)的教學(xué)樓群呈“L”型，因此阻擋了寒冷的東北風(fēng)，使得中心廣場和南側(cè)教學(xué)樓處于風(fēng)影區(qū)，有利于建筑節(jié)能和學(xué)生戶外活動。

校區(qū)在改造之前（圖2右），食堂和辦公區(qū)之間的過道由于與冬季風(fēng)向一致，且上風(fēng)向無建筑物遮擋，容易形成風(fēng)道，給行人造成不適；在新的布局中（圖3），這條道路向北移動了一段距離，冬季恰處于住宿樓的風(fēng)影區(qū)，在一定程度上降低了該處的風(fēng)速。規(guī)劃中還設(shè)計了一座圍合式的綜合教學(xué)樓，這種布置形成了封閉的內(nèi)院空間，空氣流動緩慢，風(fēng)速較小，可以作為一些特殊室外活動的場地。

圖8、9分別是夏季和冬季5m和15m高度校園建筑群周邊的壓力云圖，從圖中可以看出，建筑群的迎風(fēng)面主要為正壓區(qū)，側(cè)面也會有正壓區(qū)出現(xiàn)，而建筑的背風(fēng)面基本上都是負壓區(qū)。隨著高度的上升，建筑物對風(fēng)壓的影響越小，建筑正背面的壓差逐漸降低，通風(fēng)性有所下降。但是總體上教學(xué)區(qū)通風(fēng)順暢，有利于教室空氣流通。

4 結(jié)語

環(huán)境中風(fēng)的狀況直接影響著人們的生活，而風(fēng)環(huán)境狀況不僅僅與當(dāng)?shù)貧夂蛴嘘P(guān)，還與建筑物的布局、朝向、密度、高度等因素有關(guān)[16]。學(xué)校作為一個學(xué)生聚集的場所，其風(fēng)環(huán)境的舒適與否直接影響著學(xué)生的日常學(xué)習(xí)和戶外運動。本文使用CFD軟件，對某中學(xué)的規(guī)劃方案進行建筑的風(fēng)環(huán)境模擬，并分析了在不同主導(dǎo)風(fēng)向下風(fēng)環(huán)境的動態(tài)變化情況，得出以下結(jié)論：①案例中主要通道的風(fēng)速均低于4.7m/s，滿足行人室外活動的舒適度要求；②建筑物周圍沒有產(chǎn)生明顯不利于污染物擴散的渦旋，保障了校園的空氣品質(zhì)；③建筑的迎風(fēng)面和背風(fēng)面存在一定的壓差，有利于建筑自然通風(fēng)和建筑節(jié)能。由此可見，新的規(guī)劃布局確實在一定程度上改善了校園的風(fēng)環(huán)境，提高了人的舒適度，具有一定的合理性。

圖8 夏季5m（左）和15m（右）高度建筑群周邊壓力云圖

圖9 冬季5m（左）和15米（右）高度建筑群周邊壓力云圖

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Study on Environmental Adaptability of Green Campus

School is an urban unit, both the wind environment and natural ventilation condition have inf uence on the quality of the study and living environment. By utilizing the computational f uid mechanics, the paper carried out digital simulation to the f ow f eld of the wind environment around the building of a high school and also to the average surface wind pressure of the building. Combining corresponding indices, the natural ventilation condition and the livability at dif ferent height of campus building are evaluated, which can guide the planning and design of Chinese high school campus, improvement of building amenity and building energy saving to some extent.

green campus, planning of building cluster, amenity, wind environment

2016-09-08）

國家自然科學(xué)基金資助（項目批準(zhǔn)號：51178313/E0801；51378365）。

錢鋒，同濟大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師、博士，高密度人居環(huán)境生態(tài)與節(jié)能教育部重點實驗室（同濟大學(xué)）主任；楊麗，同濟大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師、博士。