武漢城市住宅小區風環境計算機模擬分析

錢 義, 尚 濤, 詹 平

（武漢大學城市設計學院，湖北 武漢 430072）

武漢城市住宅小區風環境計算機模擬分析

錢 義, 尚 濤, 詹 平

（武漢大學城市設計學院，湖北 武漢 430072）

隨著中國城市化快速增長，住宅小區風環境越發得到人們重視。對于夏熱冬冷的武漢市，城市住宅小區冬季防風以及夏季自然通風顯得尤其重要。通過Airpak3.0軟件建立武漢未建小區模型，采用κ- ε湍流物理模型求解住宅小區內風速及風壓方法來研究建筑布局與風場的關系。研究表明，計算機數值模擬能準確模擬小區風流場，建筑布局和風向角對小區風環境影響較大。采用數值模擬方法，結合城市風玫瑰圖進行合理建筑規劃布局，可為武漢住宅小區建筑布局規劃建設提供指導和優化。

住宅小區；風環境；計算機模擬；建筑布局

城市住宅小區作為城市不斷擴大、人口日趨密集的現代人居環境形式，其相關環境狀況優劣被越來越多的人所認識與關注。住宅小區已不僅滿足其居住功能，同時還應強調居住者健康舒適性以及環境質量的優越性。在住宅區的各種環境中，和人們生活最為緊密的就是住宅小區風環境和熱環境，良好的室外風環境對節約能源和創造健康舒適室內外生活具有重要意義：利用自然通風解決夏季或過渡季的熱舒適性問題，取代或部分取代空調；適宜的冬季防風設計，防止冬季冷風帶走住宅周圍結構的熱量以降低建筑能耗，實現住宅節能；良好的風環境設計不僅改善居住的舒適度，還可以提高居住環境的空氣品質；通過創造適宜的小區風環境便于人們舒適室外活動和行走空間。因此，為了營造健康舒適的居住區微氣候環境，住宅小區風環境研究顯得尤其重要[1]。

日本學者Azli Abd Razak[2]研究了建筑布局迎風面面積比例對行人風環境舒適度影響，研究推導出行人風速和建筑正面面積之比的函數。住宅小區風環境的研究工作在國內也有不少。重慶大學Yafeng Gao[3]通過計算機模擬研究了建筑布局對城市風環境影響，研究指出不同風速風向和不同建筑布局形式是影響行人舒適度的兩個重要因素。天津大學杜曉輝[4]等對天津高層住宅小區風環境進行了模擬和分析，結合建筑規劃設計提出了改進高層住宅群不利風環境的相應措施。武漢作為中國中部城市，是典型的夏熱冬冷城市，因而對武漢地區住宅小區研究很有必要。利用夏季自然通風以減少室內空調使用和室外熱環境對行人的不舒適感；同時武漢市冬季寒冷，通過合理的建筑群布局有利于冬季防風以減少小區熱量散失達到綠色節能。

1 武漢風環境

武漢市地處中低緯度，屬亞熱帶季風氣候，四季分明，光照充足，熱富水豐，雨熱同季，冬冷夏熱，無霜期長。武漢市年平均氣溫為16.2～16·7℃，冬季多東北風，夏季盛行東南風，在廣闊湖面沿岸有“海陸”風，在黃陂北部山區有山谷風。據武漢氣象資料顯示，年平均風速為2.5～2.9米/秒，一年中有30%的日數，平均風速可達3米／秒以上，多年平均最大風速為14～19米／秒。武漢多年分月主要風向及頻率情況，如表1所示。

表1 漢口多年分月主要風向及頻率

參考武漢市風玫瑰圖，如圖1所示，全年主導風向為東北風，且夏季受熱帶季風影響突出，這里選取東北風和東南風為來流方向，如圖2所示，分別來研究武漢市的住宅小區的冬季和夏季的風環境。

圖1 武漢市風玫瑰圖

圖2 來流方向布置圖

2 模型的建立

本案例研究為絲寶房地房開發（武漢）有限公司開發的聽濤觀海三期未建小區。建筑面積為228455m2，建筑密度為18%，容積率1.3。其詳細規劃平面圖，如圖3所示。規劃小區位于武漢市黃陂區，距城區12公里左右。本建筑群為低層，多層，高層混合普通住宅小區。低層別墅區3層高共計22幢，位于小區北部；多層住宿區6層高共計 19幢，位于小區中部；沿路為 25-27層的高層區，共計14幢，所有建筑基本均朝南坐北布置。根據規劃小區內每棟建筑的長、寬、高實際尺寸并簡化對風環境影響很小的拐角、凸起等建立起聽濤觀海小區的三維模型，如圖4所示。

圖3 小區環境規劃平面圖

圖4 住宅小區建筑的三維模型

3 數值模擬和分析

3.1 模擬計算指標

根據近年來武漢市的風資料可以得出全年日平均風速為2.8m/s左右，在模擬中取夏季風速為2.8m/s，來流方向為東南方向；冬季為3.0m/s；來流方向為東北方向。計算模型參考高度為10m，研究離地面1.5m行人高度小區建筑群周圍在不同方向下平均速度場與風壓場分布。根據綠色奧運建筑評估體系[5]對小區風環境提出明確要求，對小區風環境模擬進行分析和評價，即：

1） 在建筑物周圍行人區1.5m處風速小于5m/s；

2） 冬季保證建筑物前后壓差不大于5Pa；

3） 夏季保證75%以上的板式建筑前后保持1.5Pa左右壓差，避免局部出現漩渦和死角，從而保證室內有效的自然通風。

3.2 計算邊界條件

由于建筑和小區周圍空氣流動屬于大氣邊界層低速不可壓湍流流場，所以風場基本控制方程為流體連續性方程、動量守恒方程和能量守恒方程[6]。同時作為穩態流場，還需引入湍流模型。選取RNGκ - ε模型作為計算模型，這種模型在低速湍流計算中較為常用，計算速度和精度較高，而且對近壁地區和邊界地區等湍流發展不完全區域的計算精度也能令人滿意。

入口邊界采用大氣邊界層，設置好大氣邊界層大小，迎風方向，風速，以及當地區域類型，也可根據實際情況選擇離地Z和地面粗糙指數α數值。本研究案例中選用地面粗糙類別為C類：即地面粗糙指數為 0.22，邊界層厚度 Z值為400m。建筑物附近風速可以按照大氣邊界層理論和地形條件來確定。不同地形下風速梯度也不一樣，根據《建筑結構荷載規范》GB 50009—2001，地面粗糙度可分為A、B、C、D 4類，其相應值如表2所示[7]。模擬中將側面出口邊界設置為環境壓力出口邊界；將地面和頂面均設為固定不動無滑移的壁面條件。

表2 不同地面的粗糙度指數

3.3 冬夏兩季風環境模擬

武漢住宅小區夏季主導方向為 SE，數值模擬時，取室外平均風速2.8m/s。如圖5、圖6所示，距地面1.5m處夏季風速和風壓分布圖。住宅小區冬季主導方向為 NE，數值模擬時，取室外平均風速3.0m/s。如圖7、圖8所示，距地面1.5m處冬季風速和風壓分布圖。

3.4 小區風環境模擬分析

圖5 夏季距地面1.5m處速度分布圖

圖6 夏季距地面1.5m處壓強分布圖

圖7 冬季距地面1.5m處速度分布圖

圖8 冬季距地面1.5m處壓強分布圖

通過對武漢住宅小區夏季與冬季室外風環境模擬結果分析，我們可以得到以下結論：

1） 通過對小區內低層，多層，及高層建筑在1.5m處風速、壓強的比較與分析，可以得出場內的最高風速比來流風速高40%左右，且最高風速主要出現在來流方向狹窄通道上和建筑群迎風端口處，如圖5～圖8中的紅色區域。

2） 從模擬結果可以看出，小區內絕大部分行人風速為 0.2m/s～0.8m/s，風速均小于 5m/s。但在小區建筑群迎風面拐角處，局部風速加大，在風速較大的天數里，有可能出現風速過大，建議在此位置處種植行道樹等景觀綠化植物形成擋風構筑物[8]，降低小區行人高度處的風速，避免風速過大造成行人安全問題和不適感。

3） 建筑周圍空間環境中最大風速比（當地風速/來流風速）均小于2，因此，不會出現導致行人行走困難的突發性高風速情況。

4） 從模擬結果可以看出，大部分小區建筑前后壓差不超過5Pa，滿足《綠色建筑評價標準》中的規定。

5） 如圖6所示，通過夏季小區建筑群風壓模擬圖可以清晰地看出：絕大部分板式建筑前后壓差保持在1.5Pa左右，有利于夏季建筑室內的自然通風。小區建筑群的北部，低層建筑密度過高加上來流方向建筑群的遮擋會影響夏季自然通風，可通過降低建筑密度或布置水體綠化來改善通風狀況。

4 結 論

論文參考氣象資料對夏熱冬冷城市武漢某住宅小區風環境進行了研究，分別考慮夏季和冬季的年平均風的作用下，該住宅小區風環境情況。對武漢住宅小區風環境的研究，我們得到如下結論：

1） 城市住宅小區的風環境與城市氣象參數和建筑布局有關。從模擬結果可以看出，風速的大小和來流方向對小區風環境影響較大；建筑間距是風流動的通道，可通過調整建筑間距來促進冬季的防風和夏季的通風設計；

2） 城市住宅小區建筑群的規劃設計在方案實施之前，應根據當地的風玫瑰圖做適當的調整。對于夏熱冬冷中部城市武漢而言，冬季主導風向是東北風，但是在通風要求較高的夏季，風向卻是東南風，在小區規劃階段，可以通過CFD數值模擬該小區風環境，并做出相應調整；

3） 在建筑設計工程中，以數值方法預測建筑群的風環境是一種簡便、快捷、有效的方法，可為規劃階段的方案優化提供科學依據，有效地避免在建筑建成之后可能出現建筑物理環境問題，為創造綠色節能舒適小區建筑風環境提供直觀的數據參考。

[1] 陳卓倫, 趙立華, 孟慶林, 等. 廣州典型住宅小區微氣候實測與分析[J]. 建筑學報, 2008, (11): 24-27.

[2] Abd Razak A, Hagishima A. Analysis of airflow over building arrays for assessment of urban wind environment [J]. Building and Environment, 2013, (59): 56-65.

[3] Gao Yafeng, Yao Runming, Li Baizhan, et al. Field studies on the effect of built forms on urban wind environments [J]. RenewableEnergy, 2012, 46: 148-154.

[4] 杜曉輝, 高 輝. 天津高層住宅小區風環境探析[J].建筑學報, 2008, (4): 43-45.

[5] 綠色奧運建筑研究課題組. 綠色奧運建筑評估體系[M]. 北京: 中國建筑工業出版社, 2003.

[6] 村上周三著. CFD與建筑環境設計[M]. 朱清宇等譯. 北京: 中國建筑工業出版社, 2002.

[7] 尚 濤, 錢 義. 武漢地區住宅小區的風環境模擬及評價[J]. 華中建筑, 2013, (1): 48-51.

[8] 劉春艷, 彭興黔. 沿海城市住宅小區風環境研究[J].福建建筑, 2010, (7): 145.

Computer Simulation and Analysis of Wind Environment in Wuhan Urban Residential District

Qian Yi, Shang Tao, Zhan Ping
( School of Urban Design at Wuhan University, Wuhan Hubei 430072, China )

With the rapid growth of China’s urbanization, the wind environment of residential districts is getting people’s attention more and more. The winter windproof and summer natural ventilation are particularly important for Wuhan city which is hot in summer and cold in winter. This paper establishes the model of planning residential district by using software of Airpak3.0 and researches the relationship between the layout of building and wind by using κ- εTurbulence model to solve the speed and pressure of residential district. The results demonstrate that computer numerical method can simulate the wind field accurately and wind environment is influenced obviously by the layout of residential district and inflow direction. Using numerical simulation method and reasonable building planning with the city wind rose can provide guidance and optimization of building planning construction for residential district in Wuhan area.

residential district; wind environment; computer simulation; building layout

TU 17

A

2095-302X (2013)05-0025-05

2013-05-21；定稿日期：2013-08-23

武漢大學博士研究生科研自主基金資助（201120902020001）并獲2013年武漢大學開放實驗項目資助。

錢 義（1986-），男，江西九江人，博士研究生，主要研究方向為數字建筑，建筑設計等。E-mail：qianyiwhu@gmail.com

尚 濤（1954-），男，河南信陽人，教授，博士研究生導師，主要研究方向為計算機圖形學、建筑歷史遺產、數字建筑等。

E-mail：tshang56@126.com