仿古商業(yè)街自然通風(fēng)設(shè)計優(yōu)化策略研究

摘 要：本文對仿古商業(yè)建筑群室外自然通風(fēng)特性進行模擬研究，探討優(yōu)化街道布局和建筑設(shè)計以提高自然通風(fēng)效果的方法。研究采用基于CFD（計算流體動力學(xué)）理論的建筑通風(fēng)VENT軟件建立項目的三維計算模型，確定合理的計算區(qū)域、網(wǎng)格劃分及邊界條件，利用軟件針對兩種方案下，不同的建筑布局在冬季及過渡季典型模擬工況下的室外風(fēng)環(huán)境進行模擬計算，分析不同的建筑布局對通風(fēng)效果的影響。采用數(shù)值模擬方法對仿古建筑商業(yè)街通風(fēng)性能進行評估，為改善商業(yè)街的通風(fēng)環(huán)境提供理論依據(jù)。結(jié)果表明，合理的建筑布局和氣流組織可以有效改善商業(yè)街的通風(fēng)狀況。

關(guān)鍵詞：自然通風(fēng)；仿古商業(yè)街；數(shù)值模擬

中圖分類號：TU 83" " 文獻標(biāo)志碼：A

仿古建筑商業(yè)街作為一種傳統(tǒng)文化與商業(yè)活動相結(jié)合的場所，受其密集的建筑布局影響，通風(fēng)效果常常受到限制。因此，通過優(yōu)化仿古商業(yè)街的建筑布局來改善室外風(fēng)環(huán)境具有重要的研究價值。

目前現(xiàn)有的通風(fēng)模擬方法有實地測量、物理試驗及計算流體力學(xué)（CFD）技術(shù)[1]。CFD結(jié)合了數(shù)學(xué)、流體力學(xué)和計算機科學(xué)的知識，通過計算機和數(shù)值方法，可以對復(fù)雜的流體流動問題進行模擬。與試驗研究相比，CFD研究成本低且不受模型尺度影響。CFD可以提供流場的可視化結(jié)果，通過顏色圖、矢量圖等方式展示流體的流動狀態(tài)，使分析結(jié)果更直觀。

1974年，丹麥的Nielsen首次將CFD技術(shù)應(yīng)用于暖通空調(diào)工程領(lǐng)域。隨著CFD技術(shù)的不斷進步，它在暖通工程領(lǐng)域的研究和應(yīng)用將會繼續(xù)發(fā)展。法國弗朗西斯·阿拉德采用CFD技術(shù)對建筑自然通風(fēng)相關(guān)領(lǐng)域做出許多基礎(chǔ)研究[2]，勝興等人利用CFD軟件模型算法對校園風(fēng)環(huán)境分別進行模擬計算，探討校園內(nèi)存在的風(fēng)環(huán)境問題及形成的原因[3]。

本文采用計算流體力學(xué)（CFD）軟件及其模擬原理，通過建立仿真模型和設(shè)定邊界條件，對仿古建筑商業(yè)街不同設(shè)計方案進行通風(fēng)模擬分析。

1 研究內(nèi)容

1.1 研究對象

本文研究對象位于淮北市老城中心區(qū)，總規(guī)劃用地面積為59732.84m2，總建筑面積為42824.31m2，地塊內(nèi)部建筑以1層至2層建筑穿插結(jié)合布置的形式。淮北市過渡季主導(dǎo)風(fēng)向為NE，北側(cè)第一排建筑布局形式是影響場地室外風(fēng)環(huán)境的重要因素，本案例原先設(shè)計方案是北側(cè)建筑平面布局采用組團式布局（如圖1所示），此方案的問題是由于北側(cè)建筑遮擋，室外風(fēng)場到達此處時被建筑物截斷，因此造成建筑中庭處于無風(fēng)區(qū)或渦流區(qū)，導(dǎo)致部分區(qū)域空氣流通較差，不利于過渡季室外通風(fēng)散熱。

1.2 優(yōu)化思路

優(yōu)化思路借鑒嶺南傳統(tǒng)建筑中特定的“冷巷”布局方式，將截面面積較小的窄巷道分散布置于組團式布局中（如圖2中箭頭所示），通過窄巷道引導(dǎo)風(fēng)場進入場地內(nèi)部及建筑內(nèi)庭，較大的風(fēng)壓會通過通風(fēng)口進入室內(nèi)，加快室內(nèi)外氣體交換的速度，從而達到改善群體建筑內(nèi)部風(fēng)環(huán)境的目的。

本文通過模擬兩種不同的建筑布局來分析室外風(fēng)場的影響，考慮將巷道引入組團式建筑后，會導(dǎo)致局部區(qū)域風(fēng)速過大，對場地內(nèi)部風(fēng)環(huán)境產(chǎn)生擾動，不利于冬季人員室外行走，影響活動舒適度。因此，首先將條件設(shè)置為冬季典型風(fēng)向及風(fēng)速工況，通過分析建筑物周圍人行區(qū)距地高1.5m處的速度云圖及風(fēng)速矢量圖來比較場地內(nèi)氣流組織分布情況，根據(jù)風(fēng)環(huán)境數(shù)據(jù)探討優(yōu)化方案的可行性。其次模擬過渡季典型風(fēng)速和風(fēng)向條件，根據(jù)模擬結(jié)果來判斷場地內(nèi)人員活動區(qū)有無渦旋或無風(fēng)區(qū)，場地內(nèi)氣流組織是否符合行人的舒適度要求以及是否滿足建筑內(nèi)部自然通風(fēng)的需求。

2 數(shù)值模擬

2.1 模擬軟件

在建筑室外風(fēng)環(huán)境研究中，CFD軟件以其準(zhǔn)確性和有效性在該領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。在當(dāng)前實際工程中，設(shè)計師常用的CFD軟件包括Fluent、Phoenics以及建筑通風(fēng)VENT等。這些軟件提供了建模、設(shè)置、計算分析和模擬結(jié)果輸出等必要功能。

CFD軟件一般由多個模塊組成，包括前處理模塊、求解器模塊和后處理模塊。用前處理模塊創(chuàng)建或?qū)霂缀文Ｐ?、設(shè)置邊界條件、定義物理屬性等。求解器模塊是核心部分，利用數(shù)值算法對風(fēng)場、溫度場、壓力場等進行數(shù)值模擬計算。用后處理模塊分析和可視化計算結(jié)果，最后根據(jù)模擬結(jié)果輸出相關(guān)數(shù)據(jù)（例如風(fēng)速剖面、壓力分布、熱舒適度指標(biāo)等）來分析和評估建筑物室外風(fēng)環(huán)境狀況。

建筑通風(fēng)VENT系列軟件專注于建筑通風(fēng)方面的研究，針對各種復(fù)雜流動的物理現(xiàn)象，采用不同的離散格式和數(shù)值方法，提供專門針對通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計和性能評估的功能，從而高效率地解決各領(lǐng)域的復(fù)雜流動計算問題。首先，確定計算區(qū)域，其次，將優(yōu)化處理后的模型導(dǎo)入建筑通風(fēng)VENT軟件中，得到模型的計算區(qū)域順風(fēng)方向尺寸為860 m，寬度為817m，高度為148 m。最后，利用 VENT系列軟件自帶的網(wǎng)格劃分方法，對計算域進行網(wǎng)格劃分。內(nèi)密外疏的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)在捕捉近壁湍流變化趨勢時確實可以帶來一些優(yōu)勢。這種網(wǎng)格劃分方法在工程領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用，能夠提高計算效率并降低計算成本，同時獲取數(shù)據(jù)。

2.2 邊界條件及模擬參數(shù)

2.2.1 邊界條件

在模擬過程中，需要確定風(fēng)速、風(fēng)向、建筑物形狀和高度等室外風(fēng)環(huán)境的基礎(chǔ)參數(shù)。根據(jù)這些參數(shù)來設(shè)置模擬的入口邊界條件，即速度入口邊界條件。當(dāng)入口邊界條件認為室外風(fēng)流經(jīng)建筑物時，受到建筑物的阻礙作用，流速降低，方向發(fā)生改變。在模擬中，可以通過調(diào)整速度入口邊界條件的參數(shù)，來反映不用建筑物形狀和高度對室外風(fēng)環(huán)境的影響。

本次模擬將出口邊界條件定位為自由出流。室外風(fēng)流出建筑物后，不受任何阻礙，以恒定的速度繼續(xù)流動。這種出口邊界條件適用于室外風(fēng)環(huán)境模擬中的建筑物位于主導(dǎo)風(fēng)向時的情況。將其他邊界條件均定義為無滑移的壁面條件。當(dāng)室外風(fēng)流接觸到建筑物表面時，不會產(chǎn)生滑動或摩擦。這種邊界條件適用于室外風(fēng)環(huán)境模擬中，建筑物表面光滑且無突出物的情況。

2.2.2 收斂判斷

本項目采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型進行室外流場計算。

2.2.3 模擬參數(shù)

選取淮北地區(qū)典型氣象年的平均風(fēng)速、風(fēng)向等參數(shù)，各工況的風(fēng)向及風(fēng)速詳見表1。

通過上述邊界條件及模擬參數(shù)設(shè)置，可對室外風(fēng)環(huán)境進行模擬。在模擬過程中，通過觀察不同建筑物形狀對室外風(fēng)環(huán)境的影響以及建筑物對室外風(fēng)的阻力系數(shù)等參數(shù)，來評估室外風(fēng)環(huán)境的質(zhì)量。

3 結(jié)果分析

3.1 工況1（冬季主導(dǎo)風(fēng)向平均風(fēng)速：風(fēng)向NNE、風(fēng)速2.40m/s）

圖3為建筑布局優(yōu)化前后，在NNE風(fēng)向，2.40m/s風(fēng)速下，場地人行區(qū)距地高1.5m處的氣流分布情況，周邊區(qū)域的風(fēng)速為0.18m/s～1.69m/s，戶外休息區(qū)風(fēng)速均小于2m/s，滿足冬季人們正常室外活動的基本要求。圖4為建筑立面風(fēng)壓圖，由模擬結(jié)果可知，建筑迎風(fēng)面與背風(fēng)面表面壓差小于5.0Pa，有利于冬季的防風(fēng)節(jié)能。

方案優(yōu)化前后場地內(nèi)人員活動區(qū)域，風(fēng)速變化無明顯差異，說明將截面面積較小的窄巷道分散布置在組團式布局中，對冬季防風(fēng)節(jié)能影響較小，能夠滿足冬季人們正常室外活動的基本要求。

3.2 工況2（過渡季主導(dǎo)風(fēng)向平均風(fēng)速：風(fēng)向NE、風(fēng)速2.40m/s）

圖5為過渡季主導(dǎo)風(fēng)向為NE，風(fēng)速為2.40m/s工況下，方案一建筑周邊1.5 m高度處的風(fēng)速云圖及建筑立面風(fēng)壓圖，這兩張圖直接反映了建筑周邊人行區(qū)域的氣流分布情況，建筑周邊區(qū)域的風(fēng)速為0.13m/s～1.74m/s，但在箭頭指向的3處建筑內(nèi)庭局部場所風(fēng)速相對較低，導(dǎo)致部分區(qū)域空氣流通較差，易形成無風(fēng)區(qū)或渦流區(qū)，不利于過渡季室外通風(fēng)散熱。

圖6為過渡季主導(dǎo)風(fēng)向NE，風(fēng)速2.40m/s工況下，方案二建筑周邊1.5m高度處風(fēng)速云圖及建筑立面風(fēng)壓圖，由風(fēng)速云圖可知，①平均風(fēng)速為0.65m/s，②平均風(fēng)速為0.34m/s，③平均風(fēng)速為0.53m/s，場地內(nèi)人員活動區(qū)及街道中心的風(fēng)速基本為0.70m/s～1.95m/s。由建筑立面風(fēng)壓圖可知，建筑立面前后壓差基本在1.68Pa～2.63Pa，風(fēng)壓分布均勻，能使建筑室內(nèi)獲得良好的自然通風(fēng)和換氣效果。

4 結(jié)語

本文對兩種不同建筑布局方案進行建模處理，利用軟件模擬在冬季及過渡季典型風(fēng)速和風(fēng)向條件下，室外風(fēng)環(huán)境的變化及影響，通過模擬結(jié)果可得出以下結(jié)論。1）通過對總體布局層面進行優(yōu)化設(shè)計之后的方案進行數(shù)值模擬，得到了優(yōu)化之后的建筑總體布局的相關(guān)數(shù)據(jù)分析圖，在冬季工況下，與優(yōu)化前相比，優(yōu)化后的風(fēng)環(huán)境數(shù)據(jù)變化不大，確定了優(yōu)化設(shè)計方案的可行性。通過窄巷道的處理，風(fēng)速不會過大，有利于冬季防風(fēng)節(jié)能。2）優(yōu)化后的局部區(qū)域比優(yōu)化前氣流組織變化大，空氣流通情況明顯改善，項目通過合理的建筑布置形式能夠有效引導(dǎo)風(fēng)向，有利于過渡季通風(fēng)，使建筑周邊人員活動區(qū)域氣流分布均勻，場地內(nèi)沒有明顯的無風(fēng)區(qū)、渦流區(qū)。3）室外風(fēng)速是決定室內(nèi)通風(fēng)效果的關(guān)鍵因素之一。當(dāng)室外風(fēng)速較大時，可以加快室內(nèi)外氣體交換的速度，引入新鮮空氣，保持室內(nèi)空氣清新，良好的室外風(fēng)環(huán)境可以改善室內(nèi)自然通風(fēng)，達到被動式節(jié)能的效果。4）通過參考借鑒“冷巷”的建筑設(shè)計思路，將組團式建筑布局方式分散切割成零散的窄巷道形式，通過窄巷道引導(dǎo)風(fēng)場進入場地內(nèi)部及建筑內(nèi)庭，較大的風(fēng)壓會通過通風(fēng)口進入室內(nèi)，加快室內(nèi)外氣體交換的速度，從而改善群體建筑內(nèi)部風(fēng)環(huán)境，縮短局部內(nèi)庭處空氣停留時間，有利于提高場地內(nèi)的空氣質(zhì)量。在城市規(guī)劃和建筑設(shè)計中，這有助于設(shè)計師更好地考慮室外風(fēng)環(huán)境因素，提高城市的宜居性和舒適度。

參考文獻

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