邯鄲市高層居住區室外風環境數值模擬研究

田 芳 呂臣洋

(河北工程大學建筑與藝術學院，河北 邯鄲 056038)

0 引言

就我國現階段而言，政府對城市高層居住區風環境欠缺關注，建筑規劃設計者對高層建筑風環境認識不足，從而在設計過程中忽略了室外風環境的影響。建筑室外風環境不僅對人們的身體健康、人身安全有重要影響，而且是居住環境舒適度、建筑節能的重點考慮因素。優良的室外風環境有利于加強污染物擴散，提高居住環境舒適度及室內自然通風質量，高層居住區風環境評價越來越被人們所關注。

1 邯鄲市某高層小區概況

整個地塊基本為平行四邊形布局(見圖1)，綜合容積率3.26，綠化率35.8%。小區內共布置了10棟住宅，其中最高的住宅層數為32層(高97 m)，最低住宅層數為26層(高80 m)。

2 邯鄲市氣候特征

邯鄲屬典型的暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，春季、夏季、秋季盛行南風，而冬季則盛行北風。在中國建筑氣候區劃中，邯鄲屬于寒冷地區，建筑風環境應滿足冬季防風，夏季通風的要求。由于風具有脈動特征，以瞬時風速作為參考具有一定局限性。因此，本文采用平均風速來進行研究，選取風頻最高的風向作為模擬風向。

根據中國氣象數據網對邯鄲地區1981年—2010年的風速、風向統計，春季(3月～5月)是一年中平均風速最大的季節，平均風速可達3.1 m/s；夏季(6月～8月)平均風速為2.4 m/s；秋季(9月～11月)平均風速為2.2 m/s；冬季(12月～2月)平均風速為2.1 m/s。因此，根據邯鄲地區1981年—2010年風向和風速的統計結果，確定了2個模擬工況(見表1)。

表1 模擬工況

3 高層居住區室外風環境模擬步驟

3.1 模擬軟件的選取

隨著計算流體力學(CFD)以及計算機的快速發展，常用的CFD模擬軟件有Fluent,Phoenics,Star-CD,Airpak等。與其他軟件相比，Phoenics具有功能強大、可信度高、模擬結果可視化、計算效率高等優勢。因此，本文采用Phoenics 2015軟件作為小區室外風環境的模擬工具。

3.2 計算模型的選擇

標準k-ε湍流模型在低速湍流數值模擬中應用廣泛，模擬精度較高，在室外風環境模擬方面具有較好的適用性。因此，本文選用標準k-ε湍流模型作為計算模型。

3.3 計算區域設定

選取計算域頂部與目標建筑頂部之間的距離為5H(H為建筑群中最高建筑的高度)；建筑群邊界與側邊界距離為5H；入流邊界與建筑邊界距離為5H；出流邊界與建筑邊界距離為10H。建筑覆蓋區域小于3%；最大阻塞率小于3%。

3.4 網格劃分

采用由密變疏的漸變式網格劃分方式，建筑表面劃分較密集的網格，最大尺寸不超過3.5 m。從建筑所在區域至計算域邊界，網格尺寸按照1.1的尺寸比逐漸增加，人行高度處網格在地面以上第3個網格以內，計算網格數量為1 224 250個。

3.5 邊界條件

1)來流面梯度風。

本文采用指數律風剖面來描述風速變化規律。其表達式為:

其中，z為距離地面的高度；z0為參考高度(一般取10 m)；u為高度z處的平均風速；u0為參考高度z0處的風速；α為地面粗糙度指數，根據GB 50009—2012建筑結構荷載規范規定，地面粗糙度指數取0.22。

2)出口邊界：由于出流面的風場流動已充分發展，所以將出口壓力設置為大氣壓。

3)兩側與上空邊界：采用自由滑移表面。

4)建筑壁面與下墊面：建筑壁面與下墊面采用無滑移邊界,由于壁面附近層流粘性作用影響加強，通過壁面函數法對標準k-ε模型進行修正。

3.6 迭代收斂標準

1)迭代殘差減小到10-4以下。

2)流場中有代表性監視點的值恒定或變化不明顯。

4 高層居住區室外風環境評價標準

評價風環境優劣主要是根據人的感受來確定的，根據GB/T 50378—2014綠色建筑評價標準中第4.2.6條，場地內的風環境要對室外行走、建筑自然通風以及活動舒適有利。其中風環境評價的總分值為6分，根據以下規則分別評分、累計：

冬季典型風速、風向條件下，按照下面的規則分別評分、累計：

1)建筑四周人行區域的風速低于5 m/s，同時室外的風速放大系數低于2，獲得2分；

2)除了迎風面第一排建筑以外，其他建筑迎風面和背風面的風壓差不超過5 Pa，獲得1分。

在夏季及過渡季的典型風速、風向條件下，按下面的規則分別評分、累計：

1)若場地內的活動區域沒有靜風區或者渦旋存在，獲得2分；

2)一半以上的可開啟外窗的室內外表面的風壓差超過0.5 Pa，獲得1分。

5 高層居住區室外風環境模擬評價

5.1 冬季工況

5.1.1風速分布云圖

冬季工況下(北風2.1 m/s)1.5 m高度處風速分布圖見圖2。小區室外人行高度處風速基本在3 m/s以內，北出入口風速明顯，最大可達3.28 m/s，滿足要求。

但小區北出入口風速放大系數為2.37，室外風速放大系數超過2。因此，行人可能會在北出入口因風速突變而產生不舒適感。

5.1.2建筑表面風壓分布圖

研究表明，隨著建筑前后風壓差越來越大，冷風滲透造成的采暖負荷也隨之增加，不利于節約采暖能耗。根據冬季工況下(北風2.1 m/s)建筑迎風面與背風面風壓分布圖(見圖3,圖4)，住宅迎風面與背風面風壓差基本在5 Pa以內，但處于迎風第一排的1號，2號樓風壓差較大。

5.2 夏季工況

5.2.1風速分布圖與風速矢量圖

邯鄲夏季炎熱，加強通風是提高室外環境舒適度的必然選擇。根據小區夏季工況下(南風2.4 m/s)1.5 m高度處風速分布圖(如圖5所示)，小區東北部綠地基本處于風陰影區，風速在1 m/s以下，人幾乎感覺不到風的存在。

從小區風速矢量圖(如圖6所示)來看，東北部綠地有渦旋出現，影響污染物消散，可能會對居民身體健康造成一定影響。

5.2.2風壓分布圖

自然通風對緩解室內熱環境有重要作用，良好的自然通風有利于營造舒適的物理環境，節約制冷能耗。通常，建筑前后風壓差越大越有利于室內自然通風。小區夏季工況下(南風2.4 m/s)迎風面與背風面風壓分布圖見圖7，圖8。住宅前后壓差基本大于0.5 Pa，其中，4號，5號，8號，10號樓風壓差較大，自然通風效果更好。

6 結語

本文結合邯鄲地區實際情況，對高層居住小區室外風環境進行研究，運用Phoenics 2015軟件模擬了小區冬季、夏季的風速與風壓，分析了小區風環境優劣情況，主要得到以下結論：

1)居住區室外風環境狀況直接影響著居民的生活，它不僅與當地氣候有關，而且與建筑形體和規劃布局等有緊密聯系。從模擬分析可以看出，居住區規劃布局不僅需要建筑師有豐富的規劃設計經驗，而且還需要結合CFD模擬。

2)冬季小區室外風環境基本滿足舒適性要求，但由于北出入口形成了峽谷效應，可能會因風速突變的緣故 令行人感到不舒適，應引起規劃設計者的重視。

夏季小區東北部綠地不僅通風不好，而且產生了渦旋，導致污染物擴散困難。室內自然通風基本滿足要求，其中，4號，5號，8號和10號樓自然通風效果更好。

3)這個居住小區的風環境有不足之處，需要在分析評價的基礎上，做進一步的優化設計，從而在一定程度上彌補該住宅小區惡劣的風環境，提高人居環境舒適度，實現保護環境的目標。

經過綜合考慮，建議在小區北出入口處種植高大的喬木；提高1號和2號樓門窗的氣密性，并加固玻璃、窗框和遮陽設施；劃分風速區域，然后放上警示牌來提醒行人盡可能在風速舒適區域活動。

[1] GB/T 50378—2014,綠色建筑評價標準[S].

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