某居住建筑小區風環境模擬評價

劉書言

恒大地產集團華東公司

0 引言

風環境是指室外自然風在城市地形地貌或自然地形地貌影響下形成的受到影響之后的風場。風環境的設計在建筑設計初期有著極其重要的作用，如果住宅小區的風環境設計不合理，就會產生各種問題：先是在春秋過渡季節自然通風效果差，這就造成了住宅產生的熱量不能及時通過自然通風排至室外，只能通過機械制冷方式來冷卻，建筑能耗增加。如果小區冬季風速過大，會造成住宅冷風滲透現象嚴重，直接導致建筑的熱負荷上升。同時如果在住宅小區某些位置形成漩渦或死角，污濁的空氣和熱量不能及時排除，小區的空氣質量較差，對居民的生活造成不良影響，對行人行走也會造成安全隱患。綜上所述，風環境對于住宅小區的建筑能耗、小區生活品質、安全等具有重要意義[1]。

目前分析和研究小區風環境的方法有三種[2]：現場觀測法，風洞實驗法以及計算機模擬法。計算機模擬法是采用數值求解流體動力學方程組的方法來對空氣流動進行模擬，從而為住宅小區規劃設計提供指導。由于計算機模擬法相對于前兩種方法具有周期短，成本低，實驗結果完備以及直觀等優點，所以在對建筑室外風環境研究和優化方面應用越來越廣泛。

2 綠色建筑對風環境的要求

2.1 GB/T 50378-2014《綠色建筑評價標準》中相關評價標準

《綠色建筑評價標準》在第四節室外環境部分4.2.6條要求：場地內風環境有利于室外行走，活動舒適和建筑的自然通風。本條要求利用計算流體動力學（CFD）手段通過不同季節典型風向、風速對建筑外風環境進行模擬。

城市中高樓大廈的數量與日俱增，建筑與建筑之間相互影響風場、壓力場等現象越來越多，尤其是這些年城市的空氣污濁和熱島效應日趨嚴重，并且在高大建筑周圍產生較大的風速，嚴重影響行走的舒適及安全，所以風環境的合理優化就顯得更加重要。在《綠色建筑評價標準》中也體現了風環境的重要性，在室外環境這一塊共18分，風環境涉及6分，占了其中三分之一。

2.2 《綠色建筑評價標準》評價內容

在《綠色建筑評價標準》也對評價的內容作出具體的解釋：①冬季建筑物周圍人行區距地1.5m高度風速V<1.5m/s，建筑的迎風面與背風面風壓不超過5Pa。②夏季、過渡季節不會形成漩渦區而影響室外散熱和污染物消散。

風速和風壓是評價居住小區通風質量的重要指標。風速過大不利于人員在小區內的活動，而風壓太大則會造成建筑物門窗或者外表面的破壞，并會增加冬季的空調熱負荷。

3 計算機風環境模擬

3.1 模擬軟件介紹

流體流動的數據模擬即在計算機上離散求解空氣流動的流體動力學方程組，并可以把模擬計算的結果以圖形圖表的形式直觀的表達出來。本文采用FLOTHERM計算流體動力學（CFD）模擬分析軟件。該軟件可用來對各種類型，體量的建筑內部和周邊的三維氣流，氣壓和傳熱等物理現象進行模擬分析。

仿真中利用的FLOTHERM可獲得流體溫度、流體壓力、流體速度等物理參數，其流體類型主要是空氣，亦可為液體。該軟件采用的有限體積法求解器，首先將計算域通過結構化網格劃分成離散的控制體積，通過控制每個網格 (有限體積)的物理量守恒（Navier-Stokes方程）來進行求解，并用SIMPLE算法求解控制方程。

3.2 模型建立

利用FLOTHERM對建筑風環境進行評價分析時，建筑幾何模型的建立以及計算區域的網格劃分非常重要。建筑的幾何形狀會影響局部的網格質量。為了避免個別建筑物的不規則幾何形態而引起的局部網格質量的下降，對建筑物的幾何形狀進行簡化處理顯得非常必要。另外，對計算區域的選擇也十分關鍵。由于風場作用的范圍較大，因此計算區域應選擇較大，但過分地增大計算區域，會加大計算成本。合理的選擇計算區域將有助于減少計算量。

本研究中，參照建筑平面圖（如圖1所示）進行建模，建模圖如圖2所示。

圖1 建筑平面圖

圖2 三維模型圖

該項目地處武漢市，采用主導風速和風向作為模型的場地入口邊界，根據中國建筑熱環境分析專用氣象數據集武漢地區顯示其夏季主導風向為東南風，室外平均風速2m/s。冬季主導風向為東北偏東風，最多風向平均風速3.9m/s。室外平均風速2.6m/s（基準高度10m）。

本文中模擬假定出流面上的流動已充分發展，流動已恢復為無阻礙時的正常流動，故其出口邊界相對壓力為零，建筑物表面為有摩擦的平滑墻壁。

3.3 模擬分析結果

3.3.1 冬季室外風速及風壓分析

圖3為冬季最多風向平均風速3.9m/s的東北風風場下，1.5m高度截面的室外風速云圖。其中深紫色建筑為該小區內的建筑。如圖3中所示，室外區域的風速在5m/s的范圍之內，最大風速為4.9m/s，風速放大系數1.3。滿足綠色建筑評價標準中的人行區的風速要求。

圖4為冬季最多風向平均風速3.9m/s下，1.5m高度截面的室外風速矢量圖。其中深紫色建筑為該小區內的建筑。如圖4中所示，室外區域的風速在5m/s的范圍之內，最大風速為4.9m/s，風速放大系數1.3。小區通風順暢，無渦旋及死角區域。

圖3 冬季最多風向平均風速下室外風速云圖（1.5 m高度處）

圖4 冬季最多風向平均風速下室外風速矢量圖（1.5 m高度處）

圖5為冬季最多風向平均風速3.9m/s下，1.5m高度截面的室外壓力云圖。分析建筑物冬季各面的風壓就可以分析出冬季建筑的滲透冷風情況。由該圖可知建筑前后壓差在5Pa之內，有利于減小冬季冷風滲透量。

圖5 冬季最多風向平均風速下室外風壓云圖（1.5 m高度處）

3.3.2 夏季室外風速及風壓分析

圖6為夏季在平均風速2m/s的東南風場下，建筑在1.5m高度處的室外風速云圖。如圖中所示，室外區域的風速在5 m/s的范圍之內，最大風速為2.59m/s，風速放大系數1.3。滿足《綠色建筑評價標準》中的對人行區的風速要求。

圖7為夏季在平均風速2m/s的東南風場下，建筑在1.5m高度處的室外風速矢量圖。如圖中所示，室外區域的風速在5 m/s的范圍之內，最大風速為2.7m/s，風速放大系數0.96。小區通風順暢，無渦旋及死角區域。

圖6 夏季平均風速下室外風速云圖（1.5 m高度處）

圖7 夏季平均風速下室外風速矢量圖（1.5 m高度處）

圖8為夏季在平均風速2m/s的東南風場下，建筑在1.5m高度處的室外風壓云圖。分析建筑物夏季各面的風壓可知夏季建筑的滲透熱風量情況。由該圖可知建筑前后壓差大多在5 Pa之內，有利于減小夏季熱風滲透量，降低空調能耗。

圖8 夏季平均風速下室外風壓云圖（1.5 m高度處）

4 結論

通過以上模擬分析可以總結出如下結論：

1）本項目建筑冬季室外風速不超過5m/s，滿足《綠色建筑評價標準》及相應條文說明的要求。

2）本項目建筑夏季室外風環境良好，不存在過多的漩渦和死角，有利于提供良好的室外舒適度和室內自然通風，滿足《綠評》及相應條文說明的要求。

3）利用CFD等計算機模擬手段可以在建筑的規劃設計階段提前獲得建筑有關的風環境等數據，為設計師后期優化提供有效幫助。

[1] 楊麗.居住區風環境分析中的CFD技術應用研究[J].建筑學報,2010,(3):5-6

[2] 王青,詹慶明.建武漢地區住宅小區風環境的數值模擬分析[J].中外建筑,2010,(12):95-99