某居住建筑小區(qū)風(fēng)環(huán)境模擬評價(jià)

劉書言

恒大地產(chǎn)集團(tuán)華東公司

0 引言

風(fēng)環(huán)境是指室外自然風(fēng)在城市地形地貌或自然地形地貌影響下形成的受到影響之后的風(fēng)場。風(fēng)環(huán)境的設(shè)計(jì)在建筑設(shè)計(jì)初期有著極其重要的作用，如果住宅小區(qū)的風(fēng)環(huán)境設(shè)計(jì)不合理，就會(huì)產(chǎn)生各種問題：先是在春秋過渡季節(jié)自然通風(fēng)效果差，這就造成了住宅產(chǎn)生的熱量不能及時(shí)通過自然通風(fēng)排至室外，只能通過機(jī)械制冷方式來冷卻，建筑能耗增加。如果小區(qū)冬季風(fēng)速過大，會(huì)造成住宅冷風(fēng)滲透現(xiàn)象嚴(yán)重，直接導(dǎo)致建筑的熱負(fù)荷上升。同時(shí)如果在住宅小區(qū)某些位置形成漩渦或死角，污濁的空氣和熱量不能及時(shí)排除，小區(qū)的空氣質(zhì)量較差，對居民的生活造成不良影響，對行人行走也會(huì)造成安全隱患。綜上所述，風(fēng)環(huán)境對于住宅小區(qū)的建筑能耗、小區(qū)生活品質(zhì)、安全等具有重要意義[1]。

目前分析和研究小區(qū)風(fēng)環(huán)境的方法有三種[2]：現(xiàn)場觀測法，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)法以及計(jì)算機(jī)模擬法。計(jì)算機(jī)模擬法是采用數(shù)值求解流體動(dòng)力學(xué)方程組的方法來對空氣流動(dòng)進(jìn)行模擬，從而為住宅小區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。由于計(jì)算機(jī)模擬法相對于前兩種方法具有周期短，成本低，實(shí)驗(yàn)結(jié)果完備以及直觀等優(yōu)點(diǎn)，所以在對建筑室外風(fēng)環(huán)境研究和優(yōu)化方面應(yīng)用越來越廣泛。

2 綠色建筑對風(fēng)環(huán)境的要求

2.1 GB/T 50378-2014《綠色建筑評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》中相關(guān)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

《綠色建筑評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》在第四節(jié)室外環(huán)境部分4.2.6條要求：場地內(nèi)風(fēng)環(huán)境有利于室外行走，活動(dòng)舒適和建筑的自然通風(fēng)。本條要求利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）手段通過不同季節(jié)典型風(fēng)向、風(fēng)速對建筑外風(fēng)環(huán)境進(jìn)行模擬。

城市中高樓大廈的數(shù)量與日俱增，建筑與建筑之間相互影響風(fēng)場、壓力場等現(xiàn)象越來越多，尤其是這些年城市的空氣污濁和熱島效應(yīng)日趨嚴(yán)重，并且在高大建筑周圍產(chǎn)生較大的風(fēng)速，嚴(yán)重影響行走的舒適及安全，所以風(fēng)環(huán)境的合理優(yōu)化就顯得更加重要。在《綠色建筑評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》中也體現(xiàn)了風(fēng)環(huán)境的重要性，在室外環(huán)境這一塊共18分，風(fēng)環(huán)境涉及6分，占了其中三分之一。

2.2 《綠色建筑評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》評價(jià)內(nèi)容

在《綠色建筑評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》也對評價(jià)的內(nèi)容作出具體的解釋：①冬季建筑物周圍人行區(qū)距地1.5m高度風(fēng)速V<1.5m/s，建筑的迎風(fēng)面與背風(fēng)面風(fēng)壓不超過5Pa。②夏季、過渡季節(jié)不會(huì)形成漩渦區(qū)而影響室外散熱和污染物消散。

風(fēng)速和風(fēng)壓是評價(jià)居住小區(qū)通風(fēng)質(zhì)量的重要指標(biāo)。風(fēng)速過大不利于人員在小區(qū)內(nèi)的活動(dòng)，而風(fēng)壓太大則會(huì)造成建筑物門窗或者外表面的破壞，并會(huì)增加冬季的空調(diào)熱負(fù)荷。

3 計(jì)算機(jī)風(fēng)環(huán)境模擬

3.1 模擬軟件介紹

流體流動(dòng)的數(shù)據(jù)模擬即在計(jì)算機(jī)上離散求解空氣流動(dòng)的流體動(dòng)力學(xué)方程組，并可以把模擬計(jì)算的結(jié)果以圖形圖表的形式直觀的表達(dá)出來。本文采用FLOTHERM計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）模擬分析軟件。該軟件可用來對各種類型，體量的建筑內(nèi)部和周邊的三維氣流，氣壓和傳熱等物理現(xiàn)象進(jìn)行模擬分析。

仿真中利用的FLOTHERM可獲得流體溫度、流體壓力、流體速度等物理參數(shù)，其流體類型主要是空氣，亦可為液體。該軟件采用的有限體積法求解器，首先將計(jì)算域通過結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分成離散的控制體積，通過控制每個(gè)網(wǎng)格 (有限體積)的物理量守恒（Navier-Stokes方程）來進(jìn)行求解，并用SIMPLE算法求解控制方程。

3.2 模型建立

利用FLOTHERM對建筑風(fēng)環(huán)境進(jìn)行評價(jià)分析時(shí)，建筑幾何模型的建立以及計(jì)算區(qū)域的網(wǎng)格劃分非常重要。建筑的幾何形狀會(huì)影響局部的網(wǎng)格質(zhì)量。為了避免個(gè)別建筑物的不規(guī)則幾何形態(tài)而引起的局部網(wǎng)格質(zhì)量的下降，對建筑物的幾何形狀進(jìn)行簡化處理顯得非常必要。另外，對計(jì)算區(qū)域的選擇也十分關(guān)鍵。由于風(fēng)場作用的范圍較大，因此計(jì)算區(qū)域應(yīng)選擇較大，但過分地增大計(jì)算區(qū)域，會(huì)加大計(jì)算成本。合理的選擇計(jì)算區(qū)域?qū)⒂兄跍p少計(jì)算量。

本研究中，參照建筑平面圖（如圖1所示）進(jìn)行建模，建模圖如圖2所示。

圖1 建筑平面圖

圖2 三維模型圖

該項(xiàng)目地處武漢市，采用主導(dǎo)風(fēng)速和風(fēng)向作為模型的場地入口邊界，根據(jù)中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集武漢地區(qū)顯示其夏季主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|南風(fēng)，室外平均風(fēng)速2m/s。冬季主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|北偏東風(fēng)，最多風(fēng)向平均風(fēng)速3.9m/s。室外平均風(fēng)速2.6m/s（基準(zhǔn)高度10m）。

本文中模擬假定出流面上的流動(dòng)已充分發(fā)展，流動(dòng)已恢復(fù)為無阻礙時(shí)的正常流動(dòng)，故其出口邊界相對壓力為零，建筑物表面為有摩擦的平滑墻壁。

3.3 模擬分析結(jié)果

3.3.1 冬季室外風(fēng)速及風(fēng)壓分析

圖3為冬季最多風(fēng)向平均風(fēng)速3.9m/s的東北風(fēng)風(fēng)場下，1.5m高度截面的室外風(fēng)速云圖。其中深紫色建筑為該小區(qū)內(nèi)的建筑。如圖3中所示，室外區(qū)域的風(fēng)速在5m/s的范圍之內(nèi)，最大風(fēng)速為4.9m/s，風(fēng)速放大系數(shù)1.3。滿足綠色建筑評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中的人行區(qū)的風(fēng)速要求。

圖4為冬季最多風(fēng)向平均風(fēng)速3.9m/s下，1.5m高度截面的室外風(fēng)速矢量圖。其中深紫色建筑為該小區(qū)內(nèi)的建筑。如圖4中所示，室外區(qū)域的風(fēng)速在5m/s的范圍之內(nèi)，最大風(fēng)速為4.9m/s，風(fēng)速放大系數(shù)1.3。小區(qū)通風(fēng)順暢，無渦旋及死角區(qū)域。

圖3 冬季最多風(fēng)向平均風(fēng)速下室外風(fēng)速云圖（1.5 m高度處）

圖4 冬季最多風(fēng)向平均風(fēng)速下室外風(fēng)速矢量圖（1.5 m高度處）

圖5為冬季最多風(fēng)向平均風(fēng)速3.9m/s下，1.5m高度截面的室外壓力云圖。分析建筑物冬季各面的風(fēng)壓就可以分析出冬季建筑的滲透冷風(fēng)情況。由該圖可知建筑前后壓差在5Pa之內(nèi)，有利于減小冬季冷風(fēng)滲透量。

圖5 冬季最多風(fēng)向平均風(fēng)速下室外風(fēng)壓云圖（1.5 m高度處）

3.3.2 夏季室外風(fēng)速及風(fēng)壓分析

圖6為夏季在平均風(fēng)速2m/s的東南風(fēng)場下，建筑在1.5m高度處的室外風(fēng)速云圖。如圖中所示，室外區(qū)域的風(fēng)速在5 m/s的范圍之內(nèi)，最大風(fēng)速為2.59m/s，風(fēng)速放大系數(shù)1.3。滿足《綠色建筑評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》中的對人行區(qū)的風(fēng)速要求。

圖7為夏季在平均風(fēng)速2m/s的東南風(fēng)場下，建筑在1.5m高度處的室外風(fēng)速矢量圖。如圖中所示，室外區(qū)域的風(fēng)速在5 m/s的范圍之內(nèi)，最大風(fēng)速為2.7m/s，風(fēng)速放大系數(shù)0.96。小區(qū)通風(fēng)順暢，無渦旋及死角區(qū)域。

圖6 夏季平均風(fēng)速下室外風(fēng)速云圖（1.5 m高度處）

圖7 夏季平均風(fēng)速下室外風(fēng)速矢量圖（1.5 m高度處）

圖8為夏季在平均風(fēng)速2m/s的東南風(fēng)場下，建筑在1.5m高度處的室外風(fēng)壓云圖。分析建筑物夏季各面的風(fēng)壓可知夏季建筑的滲透熱風(fēng)量情況。由該圖可知建筑前后壓差大多在5 Pa之內(nèi)，有利于減小夏季熱風(fēng)滲透量，降低空調(diào)能耗。

圖8 夏季平均風(fēng)速下室外風(fēng)壓云圖（1.5 m高度處）

4 結(jié)論

通過以上模擬分析可以總結(jié)出如下結(jié)論：

1）本項(xiàng)目建筑冬季室外風(fēng)速不超過5m/s，滿足《綠色建筑評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》及相應(yīng)條文說明的要求。

2）本項(xiàng)目建筑夏季室外風(fēng)環(huán)境良好，不存在過多的漩渦和死角，有利于提供良好的室外舒適度和室內(nèi)自然通風(fēng)，滿足《綠評》及相應(yīng)條文說明的要求。

3）利用CFD等計(jì)算機(jī)模擬手段可以在建筑的規(guī)劃設(shè)計(jì)階段提前獲得建筑有關(guān)的風(fēng)環(huán)境等數(shù)據(jù)，為設(shè)計(jì)師后期優(yōu)化提供有效幫助。

[1] 楊麗.居住區(qū)風(fēng)環(huán)境分析中的CFD技術(shù)應(yīng)用研究[J].建筑學(xué)報(bào),2010,(3):5-6

[2] 王青,詹慶明.建武漢地區(qū)住宅小區(qū)風(fēng)環(huán)境的數(shù)值模擬分析[J].中外建筑,2010,(12):95-99