湘北地區(qū)高層住宅室內(nèi)風(fēng)環(huán)境實測與改善研究＊

蔣依雯，段源珂，尹東衡

（南華大學(xué)松霖建筑與設(shè)計藝術(shù)學(xué)院，湖南 衡陽 421200）

0 引言

隨著我國人口居住需求增大和用地緊缺，越來越多的高層住宅拔地而起，在經(jīng)濟發(fā)達(dá)的湘北地區(qū)更明顯。湘北地區(qū)是夏熱冬冷地區(qū)的典型代表，在高速建設(shè)時期，許多已建成的高層住宅并未對住宅的舒適度進(jìn)行詳細(xì)的研究與設(shè)計，根據(jù)走訪與調(diào)查高層住宅居民發(fā)現(xiàn)，許多住戶存在通風(fēng)不暢、夏季環(huán)境悶熱等不良狀況。這無疑會導(dǎo)致舒適度下降，空氣凈化設(shè)備費用增加，不符合綠色節(jié)能發(fā)展理念，且如今新冠疫情的襲擾也使人們需要良好的室內(nèi)通風(fēng)環(huán)境，保持室內(nèi)空氣換氣次數(shù)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，改善室內(nèi)風(fēng)環(huán)境，提高室內(nèi)風(fēng)速迫在眉睫。

目前學(xué)術(shù)界也有很多對風(fēng)環(huán)境的研究，如司睿等[1]運用Phoenics軟件量化模擬冬夏兩季典型日的典型時刻在不同圍合度下室外環(huán)境空氣速度；李向玲等[2]運用CFD模擬技術(shù)對體育館方艙醫(yī)院進(jìn)行改造；張能等[3]以風(fēng)環(huán)境評價標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，基于CFD數(shù)值模擬分析對青島某校園風(fēng)環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化；趙予等[4]針對成都地區(qū)，通過CFD模擬技術(shù)對不同布局形式的教學(xué)樓室外風(fēng)環(huán)境進(jìn)行模擬分析

高層住宅室內(nèi)風(fēng)環(huán)境影響因素的外界條件分為：室外風(fēng)速大小，室外風(fēng)速夾角、距地高度；內(nèi)在影響因素分為：層高、窗墻比、進(jìn)深面寬比。本文將分析湘北地區(qū)高層住宅室內(nèi)風(fēng)環(huán)境的影響因素并進(jìn)行整理，以為改善高層住宅室內(nèi)風(fēng)環(huán)境提供參考。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

湘北地區(qū)年平均風(fēng)速2.1m/s，風(fēng)速最大出現(xiàn)在8月份，為3.0m/s，年最多風(fēng)向為西北風(fēng)和西風(fēng)，出現(xiàn)頻率為11.7%，其次為東北風(fēng)和北風(fēng)向，出現(xiàn)頻率分別為11.4%和11.1%，最少風(fēng)向為東南風(fēng)和東風(fēng)，占總風(fēng)向的2.8%，靜風(fēng)出現(xiàn)頻率為1.6%。本次研究隨機抽取湘北地區(qū)某高層住宅，并在其中抽取3個套型作為試驗研究對象。

1.2 研究方法

本次試驗充分利用CFD流體力學(xué)分析軟件對室內(nèi)風(fēng)速進(jìn)行測試。首先通過實地測繪獲得樓棟具體平面尺寸和高度信息，并對抽樣套型的平面尺寸進(jìn)行測量與繪制。并利用3Dmax繪制樓棟模型，如圖1所示，然后將模型導(dǎo)入Phoenics軟件并進(jìn)行風(fēng)環(huán)境設(shè)置，根據(jù)模擬結(jié)果記錄各試驗套型窗戶所對應(yīng)的風(fēng)壓值大小。繪制各抽樣套型模型，準(zhǔn)確設(shè)置進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口的位置和大小，如圖2所示。利用上一步記錄的風(fēng)壓值賦予進(jìn)出風(fēng)口，用Phoenics對室內(nèi)風(fēng)環(huán)境進(jìn)行計算，對室內(nèi)抽取5個測試點，并記錄平均值作為室內(nèi)平均風(fēng)速測試值。

圖1 研究小區(qū)的基本模型

圖2 樣本套型平面

通過單一變量的方式分別改變室外風(fēng)速大小、風(fēng)速夾角、距地高度，以及套型層高、窗墻比、進(jìn)深面寬比，保持某個變量不變，然后在不同條件下測試室內(nèi)平均風(fēng)速值，記錄試驗數(shù)據(jù)后利用SPSS對試驗結(jié)果進(jìn)行分析并得出影響湘北地區(qū)室內(nèi)風(fēng)速的主次要因子和其正負(fù)相關(guān)性。

2 試驗有效性檢驗

利用多功能手持微壓差計，在現(xiàn)場抽樣套型的進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口進(jìn)行風(fēng)壓值測試，9-A套型南進(jìn)風(fēng)口測量值為-2.375 682Pa，北出風(fēng)口模擬值-4.158 353Pa，9-A的南進(jìn)風(fēng)口模擬值為-2.496 627Pa，北出風(fēng)口模擬值-4.234 521Pa，偏差值分別為5.09%和7.61%。再利用風(fēng)速計對抽樣套型室內(nèi)平均進(jìn)行測試，取得平均值為0.295 285m/s，Phoenics測試結(jié)果如圖3所示，模擬平均值為0.339 021m/s，數(shù)據(jù)偏差12.8%，滿足試驗有效性要求，可進(jìn)行下一步影響因子的模擬研究試驗。

圖3 室內(nèi)風(fēng)速有效性檢驗

3 試驗過程

3.1 樣本概況

通過實地測量與信息的整理，對比各住宅套型的建筑特征信息。選取其中9-A套型樣本進(jìn)行闡述。

3.2 試驗步驟

運用實地測量的住宅信息建立模型，將模型導(dǎo)入Phoenics進(jìn)行室內(nèi)風(fēng)環(huán)境模擬，通過不斷改變模型數(shù)據(jù)，求得室內(nèi)風(fēng)環(huán)境最優(yōu)良時的參數(shù)概況。

3.3 CFD模擬試驗

本文分別取層高、窗墻比、風(fēng)向夾角、進(jìn)深面寬比、距地高度5個因子，以單一變量原則進(jìn)行試驗。

先采用原始數(shù)據(jù)，使用層高為3.0m，窗墻比為0.264，風(fēng)向夾角為0，進(jìn)深面寬比為0.505，距地高度為30m的模型進(jìn)行室內(nèi)風(fēng)環(huán)境模擬，得到室內(nèi)平均風(fēng)速為0.339 021m/s，室內(nèi)風(fēng)速云圖如圖4所示。

圖4 初始套型風(fēng)速云圖

3.3.1 層高

現(xiàn)保持其窗墻比、風(fēng)向夾角、進(jìn)深面寬比、距地高度不變，增加其層高至3.1m，室內(nèi)平均風(fēng)速為0.342 500m/s；增加層高至3.2m，室內(nèi)平均風(fēng)速為0.341 417m/s。

初步判斷室內(nèi)平均風(fēng)速隨著建筑層高的增加而增加。為驗證此關(guān)系，再將層高調(diào)節(jié)至2.8m，得到室內(nèi)平均風(fēng)速為0.329 831m/s。測試結(jié)果如圖5所示，可看出室內(nèi)平均風(fēng)速與層高成正相關(guān)關(guān)系。

圖5 不同層高工況下室內(nèi)風(fēng)速云圖

3.3.2 窗墻比

在不改變層高、風(fēng)向夾角、進(jìn)深面寬比、距地高度的情況下，調(diào)整套型窗墻比，分別將窗墻比調(diào)至0.277與0.33，得到平均室內(nèi)風(fēng)速分別為0.354 924，0.331 638m/s。測試結(jié)果如圖6所示。因此得出結(jié)論，室內(nèi)平均風(fēng)速與窗墻比沒有相關(guān)性。

圖6 不同窗墻比下的風(fēng)速云圖

3.3.3 風(fēng)向夾角

同樣通過單一變量的試驗方法，在不改變其他變量的情況下，分別調(diào)整風(fēng)向夾角為30°和45°的套型模型進(jìn)行室內(nèi)風(fēng)速模擬，得到室內(nèi)平均風(fēng)速分別為0.465 254，0.502 419m/s。測試結(jié)果如圖7所示。由此推斷，室內(nèi)平均風(fēng)速隨著風(fēng)向夾角的增大，整體呈緩慢上升趨勢。

圖7 不同風(fēng)向夾角下的風(fēng)速云圖

3.3.4 進(jìn)深面寬比

在不改變其他因子的情況下，改變進(jìn)深面寬比，分別設(shè)置0.453和0.544兩個變量，可得到在比值為0.453時，室內(nèi)平均風(fēng)速為0.351 876m/s，比值為0.544時室內(nèi)平均風(fēng)速為0.339 021m/s。測試結(jié)果如圖8所示，由此可看出，室內(nèi)平均風(fēng)速隨進(jìn)深面寬比的增大逐漸減小，呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

圖8 不同深面寬比下的風(fēng)速云圖

3.3.5 距地高度

通過控制單一變量的試驗方法，在距地高度上分2組試驗，通過室外風(fēng)壓測量，保持每個通風(fēng)口風(fēng)壓一致，分別對距地高度24m和36m的標(biāo)準(zhǔn)套型進(jìn)行室內(nèi)風(fēng)速測試，得到室內(nèi)平均風(fēng)速分別為0.293 864m/s與0.339 021m/s?？煽闯觯瑢⒕嗟馗叨日{(diào)至24m時，室內(nèi)平均風(fēng)速明顯減小，調(diào)至36m時，平均風(fēng)速與30m時相差無幾。測試結(jié)果如圖9所示，由此可看出，室內(nèi)平均風(fēng)速與距地高度呈正相關(guān)，在30m之后趨于平緩。

圖9 不同距地高度下的風(fēng)速云圖

4 試驗結(jié)果

通過對試驗結(jié)果對比與分析，可得出室內(nèi)平均風(fēng)速與層高呈正相關(guān)，與窗墻比無明顯相關(guān)性，與風(fēng)向夾角呈正相關(guān)，與進(jìn)深面寬比呈負(fù)相關(guān)，據(jù)此提出對湘北地區(qū)高層住宅室內(nèi)風(fēng)環(huán)境改善的建議。針對湘北地區(qū)高層住宅室內(nèi)風(fēng)環(huán)境，層高與進(jìn)深面寬比對室內(nèi)平均風(fēng)速影響較大，風(fēng)向夾角與距地高度影響較小，窗墻比與室內(nèi)風(fēng)速無相關(guān)性。因此在設(shè)計高層住宅時優(yōu)先考慮增加層高與減小進(jìn)深面寬比，其次考慮風(fēng)向夾角與距地高度，從而在節(jié)能減排方面達(dá)到最優(yōu)解。