建筑風環境模擬在方案設計優化中的應用

邱 雁 玲

(中國建筑西南設計研究院有限公司，四川 成都 610093)

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建筑風環境模擬在方案設計優化中的應用

邱 雁 玲

(中國建筑西南設計研究院有限公司，四川 成都 610093)

以某建筑群為例，采用計算流體力學法，模擬了夏季與冬季兩種工況下的室外風環境，通過對速度場、壓力場的分析，評價了現有設計方案下相關建筑周圍的室外風環境質量，并提出了優化建議。

建筑群，室外風環境，數值模擬，速度場，壓力場

0 引言

建筑風環境研究集環境保護、城市氣候、城市規劃、建筑學等領域研究于一體，同光環境、聲環境、熱環境并列，在建筑環境設計中是非常重要的組成部分。建筑物周邊的地貌、地形，建筑物自身的結構、尺寸、外形，以及相對其他建筑物的位置關系都是影響建筑風環境的重要因素。如果在建筑設計和城市規劃中忽略建筑風環境問題，就可能在一些特定天氣條件下對建筑自身、城市環境等帶來一系列不利的影響，或對建筑自身某些功能造成影響，或影響建筑物周圍環境帶給人們的舒適感，嚴重的情況下可能會在建筑物周圍造成風害，對生命和財產造成巨大損失。此外，室內風環境還同室外風環境有著深刻聯系，特別是室外風環境對建筑自然通風、建筑防風等有著決定性影響。因此，在建筑設計階段，需分析建筑物之間位置關系等因素對室外風環境的影響，評價建筑物室外風環境。

1 數值計算

本文采取CFD(計算流體動力學，Computational Fluid Dynamics)的方法模擬評價建筑物室外風環境狀況，原理是在構建建筑物數學物理模型的基礎上，通過求解流體流動控制方程、利用數字風洞模擬實際流動和通風情況。軟件采用的是在多個領域得到準確性驗證的英國帝國理工大學開發的CFD軟件fluent[1]。

在初步分析建筑室外風環境流場湍流特性后，基于Boussinesq假設，可建立描述其氣流運動特性的Reynolds時均的包括狀態方程、能量方程、連續性方程、動量方程的控制方程組。為使方程封閉，湍流模型采用標準的K—ε雙方程模型。其控制方程組如下[2,3]：

(1)

其中，U為速度矢量；Γ為廣義擴散系數；ρ為密度；Sφ為廣義源項；φ為通用因變量，代表特征尺寸l，湍流動能耗散率ε，湍流動能K，溫度t，湍流粘度w，速度u，運動粘性系數v。

將建筑模型導入計算軟件后并進行三維流動數值模擬后，可

得到建筑周邊的流場和建筑表面的壓力分布。為了簡化建模，本文對模型做了部分簡化，忽略了對風壓分布影響較小的部分部件。CFD建筑模型示意圖見圖1。

通過項目所在地近50年來(1960年—2009年)的氣象站風觀測資料，計算累年各月平均風速可知，冬季室外最多風向的平均風速1.8 m/s，夏季為2.6 m/s。主導風向季節變化明顯，夏季主導風向為東南偏東風，冬季主導風向為西風(見表1)。

表1 數值模擬工況 m/s

為了研究場地內風環境狀況，需要對冬夏兩季的場地內人行區風速，建筑物迎風面和背風面風壓差進行模擬。

經過國內外研究人員大量現場測試、風洞實驗以及調查統計，考慮室外平均風速和脈動風速，提出了室外風速的等級分類及效果以及行人的舒適感與風速之間較為具體的關系，如表2所示[4]。

表2 室外風速等級劃分及效果 m/s

另外，建筑單體想要獲得良好的通風情況，其迎風面和背風面存在合理的壓力差是重要因素之一。在冬季典型風向和風速的條件下，建筑物迎風面和背風面表面壓力差不應大于5 Pa。在夏季、過渡季典型風向和風速的條件下，可開啟外窗室內及室外表面的壓力差應大于0.5 Pa[5]。

2 結果與討論

2.1 夏季工況

從圖2風速分布矢量圖中可以看出，建筑區域內行人高度處(1.5 m)風速較小，最大達到2.6 m/s。在這樣的室外風場環境下，人體感覺到舒適。另一方面這樣的風速也有利于空氣流通，從而提升建筑周圍的空氣質量。場地內無不利于污染物擴散的漩渦或者無風區。

在室外公共設施布局時，可參考風速分布矢量圖，將人群密度大的活動區域布置在風速相對較大(不宜大于5 m/s)區域，可使活動區域空氣流通良好，保證空氣質量。垃圾站、機動車停車場等易產生異味、廢氣的場所，宜布置在下風區。

由圖3可見建筑物迎風面和背風面風壓差最大處為9 Pa,部分建筑迎風面和背風面存在不明顯壓差。結合開口，現有的建筑布局可實現建筑室內夏季以及過渡季節的自然通風。

參照圖3壓力分布圖，結合有目的的開口，可使室內空氣產生流動，從而實現室內在夏季和過渡季節的自然通風。壓力分布提供動力，開口特點決定流動阻力。在選擇開窗位置和決定開窗面積大小時，應避免選擇壓力差過大的部位，如在這些部位直接對向開窗，會造成速度過大的穿堂風，從而降低室內居住環境的舒適性。合理的開窗位置在開窗位置存在壓差的同時，充分考慮室內空氣在風壓差作用下的流向，使室內各空間都得到有效的換氣。

2.2 冬季1.8 m/s(W)

從圖4風速分布矢量圖中可以看出，建筑區域內行人高度處(1.5 m)風速較小，均在3 m/s以下，在這樣的室外風場環境下，人體感覺到舒適。另一方面這樣的風速也利于空氣流通，進而改善建筑附近的空氣質量。建筑物周圍也沒有產生明顯不利于污染物擴散的漩渦。

由圖5可看出，各建筑前后壓差較小，約3 Pa。這樣的壓力條件，有利于降低建筑在冬季因冷風滲透所引起的供暖能耗損失。建議迎風面在圍護結構設計時加強氣密性，從而減少供暖損失。

3 結論與建議

通過對夏、冬兩個季節典型工況的模擬分析，根據分析結果，本文所模擬的建筑室外氣流組織可達到如下效果：

1)模擬結果顯示項目場地范圍內在冬夏季工況下，場外風速均小于3 m/s，滿足行人室外活動的舒適性要求。2)場地內不利于污染物擴散的漩渦和無風區。3)夏季工況下建筑物迎風面和背風面存在有利的風壓差，此建筑布局可實現夏季的自然通風，有利于降低空調冷負荷。4)冬季工況下建筑物迎風面和背風面的風壓差小于5 Pa，有利于降低冬季供暖負荷。

另外，根據此次模擬結果，對建筑進一步深化設計提出如下建議：1)在進行配套設施的布置時，充分考慮場地風環境，將人員密集活動區設置在風速相對較高的區域。在產生廢氣、異味的場所，如停車場、垃圾房設置在風速較高的下風區。2)在建筑進行外立面開口設計時，充分考慮室外風壓場對實現舒適室內通風的影響。3)根據冬季工況的場地風壓圖，建議加強風壓較大的迎風面圍護結構氣密性設計，從而降低冬季因冷空氣滲透帶來的熱損失。

[1] 楊德江，荊 平.小區規劃方案的大氣流場模擬及環境影響分析[J].環境科學與技術，2008，31(9)：147-150.

[2] 王福軍.計算流體力學分析[M].北京：清華大學出版社，2004：7-143.

[3] 陶文銓.數值傳熱學[M].第2版.西安：西安交通大學出版社，2003：332-380.

[4] 科技部.“十二五”綠色建筑科技發展專項規劃[Z].2012-09-10.

[5] 中國建筑科學研究院.綠色建筑評價技術細則[M].北京：中國建筑工業出版社，2015：22-23.

The application of building wind environment simulation in scheme design optimization

Qiu Yanling

(ChinaArchitecturalSouthwestDesignInstituteLimitedCompany,Chengdu610093,China)

Taking a building group for example, using the calculation flow physical method, this paper simulated the outdoor wind environment under summer and winter two kinds of condition, through the analysis one velocity field, pressure field, evaluated the outdoor wind environment quality around related building under the existing design, and put forward the optimization advice.

building group, outdoor wind environment, numerical simulation, velocity field, pressure field

1009-6825(2016)13-0029-02

2016-02-21

邱雁玲(1988- )，女，助理工程師

TU112

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