基于CFD模擬的塔式建筑街區自然通風優化設計的相關研究

李霄霄 李曉穎

摘要：利用CFD風環境模擬研究基本地形和周圍環境對基本風環境的影響，充分研究了自然通風與總體布局，建筑形狀和圍護界面的關系。[1]以及不同風速方向的風、窗戶開啟或關閉狀態、利用三維 CFD模擬和風洞實驗，通過定性分析后整合設計方案，在對設計方案進行定量分析后，對 CFD風環境評估結果進行修正，以及早期檢測出惡劣的風環境。通過多個項目的比較評估，提出相應的改進措施，達到首選施工方案的目的。最后，將預測結果與實驗結果進行比較和驗證。

關鍵詞：CFD;塔式建筑;自然通風

自然通風在節能減排中發揮著重要的作用。在平時的日常生活中，增多自然通風能夠有效的減少過渡季節空調設備的使用情況，是高溫和潮濕氣候下最有效的被動設計策略。因而，在當今的空調技術和機械通風的普遍應用中，對于自然通風技術的研究我們應該更加注重。傳統的自然通風設計方法是基于風玫瑰圖的分析和利用以及氣候區劃的解釋，基于建筑師的經驗，建筑師發現它并不能準確反映建筑物微環境，不能完全解決自然通風問題。流體動力學（CFD）的計算為自然通風問題提供了更加精細復雜的模擬分析方法，也提供了更準確直觀的科學依據。但如今的建筑設計領域中，依然存在設計和技術方法相互脫節等問題，這就要求建筑師善于利用CFD進行模擬分析，輔助自然通風的設計。

一、CFD及建筑模擬的研究現狀

日本學者Toshickt分析了日本上百年的氣候變化，并對比了同段時間內的土地，得出結論：東京和大阪變得越來越城市化，受到來自太平洋的海洋風的影響也逐漸減少，城市的自然通風也很大可能被影響，因此風環境與熱環境相比于從前都有所削弱。

隨著計算機技術的發展，數值模擬風洞試驗廣泛被風環境模擬領域所應用。荷蘭的布洛肯利用虛擬風洞試驗對某體育場的周邊風環境進行模擬與評價。在研究中，作者通過精細的劃分，把計算機數值模擬與實測數據相結合。英國的巴頓提出了三個住宅用地的建筑安排，即獨立，聯排別墅和庭院。這將有助于改善附近的風環境，增強自然通風，并減少能源消耗。埃曼紐爾先生從英國城市設計的角度出發，對改善城市街區風環境、減少熱帶地區建筑耗能提出解決方法。并闡明了城市的建筑布局對熱島效應的影響，提出了減小熱島效應的布局建議，因此該布局也對城市街區風環境有所改善。該研究對有關亞熱帶、溫帶等氣候地區的研究提供了幫助。

AP和Lam KM建造了具有相同規模的建筑物模型，并探索了建筑物布局對其風環境的影響。同時，研究了風向對模型風環境的影響，其方向垂直于建筑物的方向，與建筑物的方向平行。通過觀察建筑物間通道和拐角處的風速，對相鄰建筑物之間的相互作用進行分析。得出結論：當建筑物的朝向與風速方向處于垂直狀態時，迎風側的建筑物會對風的移動具有很大的阻礙，同時對后排建筑物的風環境也有所影響。風渦形成，影響風運動的分離和重新附著，當風速方向與建筑物的方向平行時，在建筑物之間便會形成風洞，產生“海峽風”，也就是局部高風速現象。Ishizaki、Sung和Wiren在做了類似模擬后，得出建筑間通道中心線的平均風速規律。日本Tetsuk等學者建立了模型，該模型含有22個街區的日本住宅街區陣列，通過風環境模擬，研究了街區建筑面積與街道平均風速之間存在的關系。得出結論，建筑物在區域中占比越高，區域中的平均風速就越低。在此基礎上，他們提出了以地塊建筑密度作為參考因素的設計方法。

二、CFD對建筑風模擬的應用方案

利用CFD風環境模擬研究基本地形和周圍環境對基本風環境的影響，充分研究了自然通風與總體布局，建筑形狀和圍護界面的關系。[1]以及不同風速方向的風、窗戶開啟或關閉狀態、利用三維 CFD模擬和風洞實驗，通過定性分析后整合設計方案，在對設計方案進行定量分析后，對 CFD風環境評估結果進行修正，以及早期檢測出惡劣的風環境。通過多個項目的比較評估，提出相應的改進措施，達到首選施工方案的目的。最后，將預測結果與實驗結果進行比較和驗證。

（一）單體建筑的模擬及優化

本研究先選一個塔式建筑街區作為研究對象，利用CFD模擬分析基地風環境，建立三維立體模型，在此平面上進行風環境模擬。因考慮到舒適性問題，故將研究平面定在距離地面12m處，并對冬夏季主導風向和分析了強度，周圍建筑物或結構引起的風場變化和特定地形引起的地形風等因素進行分析。

（二）整體布局的建筑自然通風優化設計

基于塔樓，考慮周圍城市街區的影響。以塔式建筑街區為中心，建立了8塊樓及其周圍的整體模型，并將其引入PHOENICS軟件中對其進行計算機數值模擬。風洞是利用由主導風向，基本地形和周圍建筑物等因素形成的風環境建立的。[2]這樣可以減少局部不利的風環境，增加建筑物間隙或降低建筑物高度，并改善室外風環境的影響。

（三）為室內外風和熱環境創造有利條件

通過CFD模擬讀取建筑物表面的風壓值，并計算房間的表面風壓差以估計風壓通風的可能性。在設定條件下，通過CFD模擬優化氣流路徑，改變氣流以改善通風效果。在風的形狀和開口位置附近，需要注意風速值是否過大，是否會影響使用者的舒適性和安全性。一些CFD軟件可以對模型的輻射和溫度進行耦合計算，通過讀取風速值和溫度值來預測熱壓通風效果，為加強建筑物的熱壓通風性能提供可行性條件。

參考文獻：

[1]張曉敏.CFD技術在綠色建筑自然通風設計中的應用[D].學術期刊，低碳世界，2016.7.

[2]郭衛宏，劉驍，袁旭.基于 CFD 模擬的綠色建筑自然通風優化設計研究[D].學術期刊，建筑節能，2015.9.

[3]村上周三.朱清宇，等，譯.CFD 與建筑環境設計[M].北京：中國建筑工業出版社，2007.

[4]趙彬，林波榮，李先庭，江億.建筑群風環境的數值模擬仿真優化設計[J].城市規劃匯刊，2002-02.

作者簡介：李霄霄（1996-），女，本科，研究方向：建筑環境與能源應用。