南方內(nèi)陸城市高層住宅小區(qū)冬季室外風環(huán)境測試與模擬研究

采用現(xiàn)場調(diào)查問卷、實地測量和計算流體力學（CFD）模擬方法分析HRCs室外風環(huán)境。研究分析HRCs內(nèi)居民的活動類型和居民對HRCs室外風環(huán)境的認知。測試HRCs內(nèi)部多點位風速大小，分析風環(huán)境狀況。模擬結果與實測結果相一致，其中圍合式建筑HRC-B內(nèi)部無風區(qū)的面積最大，當單個高層建筑寬度增加和迎風面積增加時，局部風速有不同程度增大，能夠保證室外環(huán)境舒適度的同時，促進小區(qū)內(nèi)部污染物擴散。

室外風環(huán)境； 高層住宅小區(qū)； 建筑形態(tài)布局； CFD模擬

TU111.19+2A

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［定稿日期］2024-06-04

［作者簡介］汪東（1977—），男，本科，工程師，從事建筑施工管理工作。

0" 引言

改革開放以來中國經(jīng)歷了快速的城市化發(fā)展進程，預計2025年城鎮(zhèn)化率將達到62%，2035年到70%左右［1］。為適應城市人口的快速增長，高層住宅小區(qū)（HRCs）逐漸成為中國城市發(fā)展的重要選擇［2］。通常將11～33層的小區(qū)稱為高層住宅小區(qū)。HRC具有容積率高、建筑密集特點，容積率往往大于2.0，對室外風環(huán)境影響大［3-4］。因此，研究HRCs建筑形態(tài)布局與風環(huán)境之間關系對提高室外環(huán)境舒適度和空氣質(zhì)量非常重要。

現(xiàn)有研究大多從熱舒適和污染物擴散角度出發(fā)，考慮小區(qū)布局對室外風環(huán)境的影響。有研究建立了四種不同點式高層住宅小區(qū)的風環(huán)境模型，研究表明，建筑長度和高度的比值在1.67到2之間時，可以獲得最佳的室外風環(huán)境［5］。有國外學者關注建筑與風環(huán)境之間的相互作用［6］，進而通過對建筑布局的分析，總結出有利于室外氣流的建筑組合形式。建筑布局和建筑朝向也對風環(huán)境和污染物擴散產(chǎn)生影響［7］。尤其是在低風速的地區(qū)，合理的建筑物朝向可以利用自然風向，促進空氣流通，便于污染物的擴散。

目前，對于建筑密集、容積率高的HRCs室外風環(huán)境研究較少，特別是風速較低的城市，對小區(qū)內(nèi)居民活動和污染物擴散影響較大。因此，研究首先調(diào)查了住宅小區(qū)冬季室外風環(huán)境現(xiàn)狀，并評估居民感受、建筑布局與室外風環(huán)境之間的關系，提出了不同的優(yōu)化方案來提高冬季室外居民的身體舒適度和居住環(huán)境的空氣質(zhì)量。

1" 評價標準

目前，世界各國尚未建立統(tǒng)一的住宅小區(qū)室外風環(huán)境評價標準。評價標準是基于大量的風洞實驗、模擬和現(xiàn)場調(diào)查所確定的，其中風速和無風區(qū)比例是兩種常用的評價指標。

1.1" 風速

行人平均高度處（高于地面1.5 m）的平均風速，直接影響人體的舒適度。GB 50189-2015《公共建筑節(jié)能設計標準》明確規(guī)定，在冬季典型風速和風向下，住宅小區(qū)內(nèi)步行區(qū)1.5 m以上風速應小于5 m/s，室外休息區(qū)和兒童游樂區(qū)風速應小于2 m/s［8］。

1.2" 無風面積比

無風區(qū)是指建筑物周圍形成的風速低或無風速的區(qū)域。大面積無風區(qū)意味著空氣更新緩慢，有害污染物不易擴散。由于空氣不可能完全靜止，所以在評價過程中，風速低于0.2 m/s的區(qū)域可根據(jù)蒲福風力級表定義為無風區(qū)?？刂茻o風區(qū)面積比是改善風環(huán)境的有效措施，相關評價標準規(guī)定無風面積比應小于5%［8］。

2" 方法

2.1" 研究方法

研究采用了定性分析和定量分析相結合的方法，圖1為研究技術路線。以問卷的形式進行了實地調(diào)查，每份問卷10個問題，調(diào)查對象均從高層小區(qū)中隨機抽取。

定量分析方法包括現(xiàn)場監(jiān)測和計算流體動力學（CFD）模擬。室外監(jiān)測的主要目的是測量當前的風環(huán)境，獲取真實風速數(shù)據(jù)。通過CFD模擬分析了建筑之間相互作用和對風環(huán)境的影響。

2.2" 研究地點

研究所選高層小區(qū)位于成都，成都市人口密集，城市化水平較高。為了對HRCs內(nèi)部風環(huán)境進行詳細、全面的分析，選取三個典型HRCs建筑，代表圍合式分布、行列式分布、點式分布等不同建筑分布類型。室外監(jiān)測是在冬季進行。冬季風環(huán)境復雜，對行人舒適度的影響顯著，冬季污染物濃度也是全年中最大，風速是污染物擴散的直接影響因素。因此在冬季模擬分析能體現(xiàn)實際應用價值。

2.3" 風環(huán)境測量和CFD設置

采用L99-FSFX風速風向儀，測量精度為0.01 m/s，測量誤差±5%以內(nèi)，測量現(xiàn)場固定測點的風速。每個HRC活動區(qū)距離地面1.5 m處共設置6個測點，編號為1～6，如圖2所示測點具體位置。每個測點至少采集10個數(shù)據(jù)點。

CFD選擇PHOENICS，首先在AutoCAD中建立初始建筑模型，然后在PHOENICS中生成模型網(wǎng)格。計算使用Flair模塊，湍流模型使用標準k-ε，模擬每個HRC的室外風環(huán)境。

風場方向為N-N-E（成都冬季盛行風向），風速為1.1 m/s（成都冬季日平均風速）。計算域的大小基于HRC模型來設置，在水平方向兩側和流體入口方向距離建筑物的距離設置為5 H，出流方向設置為10 H，垂直方向距離建筑物的距離設置為5 H，H為建筑物高度。圖3為HRC-C計算域。

使用PHOENICS開發(fā)的SPARSOL網(wǎng)格生成方法，在網(wǎng)格劃分前進行了網(wǎng)格獨立性驗證，隨著網(wǎng)格密度增加，觀測點風速誤差控制在5%以內(nèi)，在目標建筑模型附近的區(qū)域進行網(wǎng)格加密。

3" 結果與分析

3.1" 問卷調(diào)查和實地檢測結果

在這項研究中，HRCs的人數(shù)約為10 000人。共回收問卷250份，其中有效問卷239份。誤差范圍約為7%，置信水平為95%。問卷問題的選擇參考了已有研究，均與室外風環(huán)境舒適度相關。具體問題見表1。

調(diào)查結果顯示，室外活動居民以36～50歲為主，18～35歲次之。54%的居民更喜歡在17：00至20：00期間進行室外活動。45%和33%的居民室外活動時間一般在1 h以下和1～2 h之間，其他居民活動時間大于2 h。

圖4為室外活動類型的調(diào)查結果，超過83%的居民選擇輕松的散步作為他們的室外活動。對于室外活動場所，約60%的居民更傾向于選擇綠地公園和中心廣場作為活動場所。

建筑論壇與建筑設計汪東： 南方內(nèi)陸城市高層住宅小區(qū)冬季室外風環(huán)境測試與模擬研究

圖5為室外活動影響因素的調(diào)查結果，因素排序依次是溫度gt;風gt;濕度gt;太陽強度。調(diào)查發(fā)現(xiàn)超過66%的居民認為冬季風速舒適，其他居民認為風速過高或過低不適合室外活動。

室外風環(huán)境關鍵因素調(diào)查結果顯示，超過85%的居民認為風速是影響室外舒適度的主要因素。只有7%的居民關心風向，而8%的居民認為風速和風向都不重要。如圖6所示，居民普遍認為建筑布局以及建筑高度、寬度和朝向對室外風環(huán)境有顯著影響。僅少部分人認為沒有影響或影響較弱。

圖7為3個HRC內(nèi)部每個監(jiān)測點所測得平均風速。在HRC-A中，測點風速大多分布在0.3～0.6 m/s之間，考慮該高層小區(qū)迎風側兩棟建筑朝向與來風方向同向，阻礙來風吹入小區(qū)內(nèi)部。其中，點位6風速小于0.2 m/s，處于無風區(qū)。

HRC-B中，測點1風速為1.45 m/s，該測點前排建筑排列相比于小區(qū)內(nèi)部間距更大，所以風速較大。由于小區(qū)內(nèi)部建筑呈圍合式排列，對來風阻礙作用強，導致風速普遍較低，大小在0.2～0.5 m/s，且小區(qū)內(nèi)部無風區(qū)面積比較大。

HRC-C中，測點1、2和3風速分布在0.6～0.8 m/s之間，但測點4、5和6均小于0.2 m/s，該小區(qū)建筑呈行列式排列，前三排建筑相較于后三排建筑更高，且間距更大，有利于形成風道，增加風速。同時，前面高層建筑對后面建筑的阻礙也有直接影響，風速均處于無風區(qū)。

各測點的測量結果表明，小區(qū)內(nèi)部風速變化存在較大波動，室外風速整體偏低，不會有強烈的有吹風感，這也與問卷調(diào)查中第七個問題的結果是一致的。但較低的風速不利于污染物的擴散，導致空氣質(zhì)量下降。

3.2" 數(shù)值模擬結果分析

圖8為HRC室外風環(huán)境模擬結果，在HRC-A中，測點1處建筑朝向與來風方向相同，建筑正面風速較高，而在建筑的背面，會形成負壓區(qū)域，風速相對較小。HRC-A呈點式建筑分布，小區(qū)內(nèi)部風環(huán)境較為平靜。

在HRC-B中，測點1和測點3都在小區(qū)出入口附近，但測點1位于上風向兩高層建筑中間，高層建筑拐角處形成渦旋，風速和風向發(fā)生了劇烈變化。然而測點3的風速由于建筑的阻礙作用，屬于無風區(qū)。HRC-B呈圍合式建筑分布，外部風由于建筑遮擋，無法進入小區(qū)內(nèi)部，所以小區(qū)內(nèi)大部分處于無風區(qū)。

在HRC-C中，測點1、測點2和測點3位于上風向的建筑內(nèi)部，建筑之間形成風道，風速較高，但隨著建筑連續(xù)排列數(shù)量的增加，來風穿過密集建筑群也更加困難，風速逐漸降低。

與實測數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場測試結果與CFD模擬結果相一致，有相似的分布特點。三種小區(qū)建筑之間整體風速較低，但不同的建筑分布形成不同的室外風環(huán)境。封閉空間和無風區(qū)會增加污染物的積聚風險，因此，風速較低的城市，可在未來小區(qū)建設時充分考慮建筑分布特點和建筑布局，保障居民舒適度情況下適當增加風速，促進街區(qū)內(nèi)部污染物的擴散。

3.3" 建筑形態(tài)和風向模擬結果分析

建筑形態(tài)和布局對室外風環(huán)境有顯著影響，因此，對單個高層住宅建筑進行模擬。①建筑高度和長度不變的情況下，建筑高度設置為高層住宅建筑平均值60 m，分別設置建筑寬度為20 m、30 m、40 m、50 m和60 m，分析單個建筑形態(tài)變化對風環(huán)境的影響;②建筑形態(tài)尺寸不變的情況下，建筑長寬高為：20 m×40 m×60 m，分別選擇北（N）、東北偏北（N-N-E）、東北（N-E）、東北偏東（N-E-E）和東（E）5個風向，分析建筑不同朝向對室外風環(huán)境的影響。

圖9為不同建筑寬度在相同風向下的風環(huán)境模擬結果，當建筑寬度增加，來風被阻擋，建筑后形成風速較低的阻擋區(qū)域，無風區(qū)的面積增大。建筑寬度的增加也導致建筑拐角處渦旋增加，增加迎風側風速，影響范圍也逐漸擴大。

圖10為單個建筑不同風向的風環(huán)境的模擬結果，當風向為N時，無風區(qū)的區(qū)域面積是最大的，風向為E時最小。建筑拐角處風速增大，隨著迎風面面積的增加，拐角渦旋影響范圍也更廣，可一定程度上減小無風區(qū)的面積，有助于污染物的擴散。

4" 結果與討論

探討了高層住宅小區(qū)類型與室外風環(huán)境的關系，分析了影響風環(huán)境的因素，研究對區(qū)域風環(huán)境改善有重要參考價值，主要研究結果：

（1）調(diào)研發(fā)現(xiàn)，HRCs內(nèi)居民室外活動的主要類型是短時間和低強度的活動，如散步和靜坐。大多數(shù)居民認為風速是影響其室外環(huán)境舒適度的主要原因。過高的風速會產(chǎn)生不適，但較小的風速會阻礙小區(qū)內(nèi)部污染物的擴散，降低空氣質(zhì)量，因此，平衡居民室外環(huán)境舒適度和污染物擴散是需要深入研究的問題。

（2）模擬結果與實測結果相一致，小區(qū)內(nèi)部風速整體較低，其中圍合式建筑無風區(qū)面積比最大，增加了污染物積聚的風險。成都冬季風速較小，應綜合考慮建筑形態(tài)布局特點，充分利用自然風，改善居舒適度和提高小區(qū)內(nèi)空氣質(zhì)量。

（3）研究發(fā)現(xiàn)當建筑寬度增加時，會增加迎風側風速，影響范圍也隨之增大，同時建筑背風側無風區(qū)面積也增加。當建筑迎風面積增加時，高層建筑拐角處渦旋影響范圍變大，有助于減小無風區(qū)面積。建筑形態(tài)布局和方向對風環(huán)境影響顯著，通過優(yōu)化建筑形態(tài)等設計，改善小區(qū)內(nèi)部風環(huán)境。

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