混合住區風熱環境模擬研究
——以Fluent Airpak和Envi-met軟件模擬對比為例

■ 王 薇 WANG Wei 朱珍英 ZHU Zhenying 胡 春 HU Chun

0 引言

對于建筑群體風環境模擬研究，現階段有現場實觀測、風洞實驗法和計算機模擬法三種方式。與現場實測和風洞實驗相比，計算機模擬方法可節省大量復雜的現場測試設備儀器和實驗準備，排除了現場實測的不確定因素，節約實驗設備的投資，具有高效性和經濟性的優點，與理論分析方法相比，數值模擬能夠求解更為復雜的流動和擴散問題，并且能對模擬流場和濃度場實現可視化顯示，使模擬結果更加直觀。CFD軟件在工程上主要用于熱、流相關產品與設施的研制設計過程，具有處理用戶特定計算對象的能力，在我國有著廣闊的應用前景[1]。周新華等通過對建筑群的模擬，分析比較了不同湍流模型對不同風環境模擬的影響[2]。段艷文通過對各類CFD軟件工具進行一個綜合分類測評，結合描述綠色植物的城市微氣候問題，介紹Envi-met、Fluent Airpak和Phoenics等幾個軟件的計算原理及案例應用，總結內在特點和不足[3]。勞釗明等用Envi-met軟件，從街區尺度定量分析城市建筑物和綠化設置對城市街區室外溫度、風速和熱舒適性的影響，探討城市綠化可以顯著降低城市溫度，提高人體舒適度[4]。陳宇等用Envi-met軟件，從建筑屋頂綠化角度，探討不同植物配置類型對建筑屋頂室外熱環境的優化[5]。曹利娟等則是通過城市居住區這個研究對象，運用相應的流體模擬手段，分析綠地對居住區熱環境的改善效果[6]。

本研究以高密度混合住區空間形態為切人點，分析典型季節夏季工況下的風速和溫度分布情況，結合圖表對比分析兩個軟件之間的異同，得出適用于高密度混合住區風熱模擬分析的軟件，并歸納總結兩個軟件的適用范圍，最后通過小區建成后優化方案，量化分析了高密度混合住區空間規劃布局規律，并提出優化建議。

1 研究概況

1.1 研究對象

該項目位于安徽合肥市，北緯31.81°，東經117.24°，屬于典型的夏熱冬冷氣候區。合肥市氣象局近十年的氣候資料統計記錄顯示，市年平均氣溫33℃，歷史極端最高氣溫38℃。熱量充足，降水豐沛，植物配置茂盛。項目建成于2012年，規劃用地約5.2hm2，總建筑面積200 000m2，容積率3.2。現有14棟高層住宅樓，采用并列式布局，中心設置公共綠地；7棟4層高密度多層住宅位于居住區南面（圖1）。

1.2 研究方法

1.2.1 Fluent Airpak軟件

Fluent Airpak軟件是CFD軟件的一種，其中，CFD軟件配有網格生成（前處理）和流動顯示（后處理）模塊，網格生成質量對計算精度和穩定性影響極大[1]。用來模擬從不可壓縮到高度可壓縮范圍內的復雜流動。由于采用了多種求解方法和多重網絡加速收斂技術，因此，Fluent能達到最佳的收斂速度和求解精度。作為本文主要的環境系統分析軟件，它具有網格劃分速度快、精度高、操作簡單的優勢。能夠精確地實現研究對象中空氣流動、傳熱性能和污染等物理現象；圖像式地表達模擬物通風系統的空氣流動、空氣品質、傳熱、污染和舒適度等問題，一般多適用于室內環境，室外小范圍研究也有實現，并依照ISO 7730標準提供舒適度，PMV、PPD等衡量室內空氣質量（IAQ）的技術指標[7]。

1.2.2 Envi-met軟件

德國美因茨大學Michael Bruse教授于 1988年開發了微氣候模擬軟件Envi-met（www.envi-met.com官網地址，目前已經更新到Envimet V4.2 Summer17，其 中last update是May 2017），主要用于模擬城市小尺度空間內地面、植被、建筑和大氣之間的相互作用模擬分析，其中包含大氣、輻射、土壤、植物和建筑5個子模塊，最新Summer版的水平范圍為0.1～1.0 km，豎直范圍小于200.0 m，水平解析度為0.5～10.0 m，模擬時長小于4 d，時間步長最大為 10s，主要用于模擬城市小尺度空間內構筑物表面—植被—空氣之間的相互作用[8]。Envi-met V4版本總共分四個板塊，分別是建模板塊、編程板塊、計算板塊和視圖板塊，內置地面、水體、植物等子模型，利用 CFD 軟件和熱力學聯合求解（風/熱/濕耦合模擬）、動態模擬（隨時間變化，區別于一般的穩態模擬）、高分辨率（1～5 m），可精細描述建筑、道路、植物與實測對比驗證，應用現狀及前景上表現頗佳。

1.2.3 參數設置

Fluent Airpak軟件主要采用非結構化網格技術，其劃分網格包括多種形狀，可以最大限度地把復雜下墊面表現出來，提高模式模擬的效果。此次數值模擬采用的是有限體積法進行離散，擴散項采用中心差分格式，對流項采用二階迎風格式，壓力與速度耦合采用SIMPLE算法。其中，環境溫度和濕度取值合肥市常年平均溫度和濕度，分別是33℃和37.38%。為方便計算，使得計算結果收斂，設置數值方式里模擬參數中湍流動能耗散率和湍流動能分別為0.3和0.7，模擬過程中一般采用殘差收斂，計劃迭代500次，經過計算，得到的收斂結果合格，其連續性方程、能量方程、動量守恒方程和各組分質量守恒方程均達到之前設定的收斂標準，收斂標準如圖2。

圖1 居住小區規劃方案圖和建成Google圖

圖2 建模網格一次收斂標準圖

如 表1所 示，Fluent Airpak軟件中，模型外場尺寸選擇主要以不影響建筑群邊界氣流流動為主，要求以模型外界為基準水平向外擴大計算區域，來風方向不小于4～6H，其他方向不小于4H，計算區域高度不小于4H，其中H為小區模型的整體高度。同時，根據code標準，在建模過程中，考慮周邊建筑對模擬小區建筑室外風環境的影響，將小區外圍100m范圍內有影響風環境的建筑納入設置模型中，用有限的空間來模擬無限的環境影響。兩個軟件都會在網格劃分局部加密，在建筑的每一邊人行區1.5m高度劃分至少10個網格，重點觀測區域設置在地面第三個網格以上。

Envi-met軟件主要采用的是多重嵌套型結構化四面體網格。根據模型特點，模型共設置60×60×70個網格，網格分辨率為dx=4，dy=4，dz=3(dx和 dy分別為水平方向X、Y的分辨率；dz為垂直方向Z的分辨率)。其中，Envi-met軟件對三維模型的垂直高度要求為H≥2h（實際高度），小區內部最高建筑有98m，所以設置符合軟件要求。

2 高密度混合住區室外風環境分析

為了研究計算方便簡化模型，模擬切面為人行高度1.5m處的風環境情況，忽略了部分對結果分布影響較小的建筑構件和建筑形態的細微轉角和突出形體。此次模擬設定綠色基礎設施對風熱環境沒有影響，因此忽略不計，均不設置[9]。

目前住區內自然通風舒適度的評價，國內外還沒有統一的標準，國內外研究人員在大量現場測量、調查統計與風洞試驗的基礎上，考慮平均風速與脈動風速之間的關系，提出了行人舒適感與風速之間的關系（表2）。根據Beaufort的風力等級，室外舒適風速的極限風力等級為4級，當住區內為輕風或微風時（風力等級2～3級），人們活動感覺較舒適。當住區內為和風以上時（風力等級4以上），造成的不安全因素會在一定程度上影響甚至威脅到人們的活動及出行，成為風害。

由表3可見，合肥春季多偏東南風，風向頻率約為46.6%；夏季多偏南風，風向頻率約為46.2%；秋季多偏東風、偏北風，其中偏東風的概率約占44.1%，偏北風的概率約占45.6%；冬季多偏東北風，風向頻率約占48.4%。該項目主要考慮夏季盛行風，氣溫變化較為明顯，風的來流方向為夏季盛行風正南風，風速大小為 2.9m/s，溫度為33℃，設定為初始條件。

表1 Fluent Airpak和Envi-met具體參數設置表

表2 行人舒適度和風速的關系

表3 合肥市近十年的氣象數據（圖表來源：安徽省建筑設計總院股份有限公司綠色建筑設計研究所）

3 規劃方案

3.1 風速模擬

3.1.1 風速模擬結果

Fluent Airpak軟件模擬結果顯示（圖3），小區內部建筑物周圍人行區距地面1.5m高處平均風速為2.96 m/s，風速放大系數為1.24。夏季盛行風正南風（S）時，由于高層住宅樓底層受到南面高密度多層住宅的阻擋，形成負壓區，局部形成三個方向相反的渦旋氣流區，最后氣流比較均勻流出，其中，風速最高點發生在建筑物迎風面拐角附近區域，在拐角處發生分離，所形成的的渦旋從墻面剝離，風速變化最大，最大風速為4.42 m/s，小區內部從未出現超過5m/s的情況，不會有強烈的吹風感覺，滿足行人舒適要求[10]。夏季沿主要道路的氣流順暢，通風效果好。模擬中未包括小區綠化樹木模型，實際情況下小區內部綠化環境優美，通過喬木與灌木結合能夠合理引導風的流動，減小風速放大系數，消除不利影響。

Envi-met軟件模擬結果顯示（圖4），小區內部建筑物周圍人行區距地面1.5m高處平均風速為1.96 m/s，風力等級2～3級，屬于人行舒適區，其中最大風速4.97 m/s，且出現在南面高層住區迎風面建筑轉角兩側，小區內從未出現超過5m/s的情況，南北街道通風情況良好，有利于溫度擴散和主要人行街面污染物的擴散。

3.1.2 模擬結果分析

由圖3和圖4兩個軟件的風速云圖和矢量圖可以看出，兩個軟件的風速空間變化情況基本吻合，其中，Fluent Airpak軟件模擬的結果層次感更強，可以清晰地看出小區內部渦旋區域；Envi-met軟件的模擬結果則不能清晰地看出風速變化，更適用于小區下墊面微氣候層較明顯區域。

從軟件結果綜合對比來看，小區人行高度受夏季風影響，高層兩側風速變化很快，擴散到小區外的周圍道路，使小區內部綠地中心建筑周圍有較好的風環境，靜風區域較小。由于密集的建筑群增加了小區內部的下墊面粗糙度，阻礙了空氣流通，也造成了整個或局部場地內部空氣流通不暢的現象，稱為“室外通風問題”。“滯風”造成內部通風自凈能力下降，不利于建筑物、機動車等向小區外排除的廢熱、污染物的稀釋和擴散，還間接影響了建筑自然通風的利用、室內空氣品質和建筑節能效果等。各棟建筑都是板式布局，中間兩排通過建筑平面錯排，有力地降低了風速放大系數，也減小了高層背風面的渦旋和無風區范圍[9]。

3.2 溫度模擬

3.2.1 溫度模擬結果

Fluent Airpak軟件模擬結果顯示（圖5），風速云圖變化不明顯，矢量圖中可以清楚看出溫度擴散方向，和季風流動風向一致，且小區內平均溫度約為33℃，和軟件設定初始溫度基本一致。溫度在人行主要道路和宅間空地范圍內的變化不明顯，看不出明顯變化。軟件自身設定邊界條件范圍限制，小區外圍溫度明顯低于內部溫度，約為31℃。

圖3 規劃方案中小區內部距地面 1.5m高度處風速分布云圖和矢量圖（Fluent Airpak）

圖4 規劃方案中小區內部距地面 1.5m高度處風速分布云圖和矢量圖（Envi-met）

圖5 規劃方案中小區內部距地面 1.5m高度處溫度分布云圖和矢量圖（Fluent Airpak）

圖6 規劃方案中小區內部距地面 1.5m高度處溫度分布云圖和矢量圖（Envi-met）

Envi-met軟件模擬結果顯示（圖6），整體小區內部溫度大小分布均勻，區域變化明顯，溫度最高出現在北面高層住區背風面，約為29.52℃，最低溫度則出現在排布較為密集的高層區和南面多層住宅區宅間區域，約為27.09℃，從溫度云圖可以看出，夏季盛行風對小區內部溫度的擴散影響較大，風向流經區域溫度明顯低于背風面溫度。

3.2.2 結果分析

從圖5和圖6中的模擬結果可以看出，兩個軟件溫度模擬結果差異較大，Fluent Airpak軟件結果顯示小區內部溫度較為平均，均值都在33℃以下波動，小區內建筑周圍溫度區分不明顯，不適宜用于溫度分析。而Envi-met軟件結果中溫度波動較明顯，溫度在整個場地范圍中受風速影響較大，其中溫度最高為29℃，溫度最低為27℃，受夏季盛行風的影響，溫度降低2～3℃，建筑迎風面和背風面溫度波動最大，建筑中部靠近南面相對開闊的地方最易出現高溫，溫度較高處出現在高層建筑背風面，氣流不受風向影響擴散較弱的位置。小區內北側建筑較密集的建筑物區域和宅間小路處溫度較低，不同寬度的宅間道路對溫度影響也不一樣。其中，街道和主要人行區溫度都在28℃左右，較為穩定。因為Fluent Airpak軟件是瞬時計算溫度場，而Envi-met軟件中設定的初始溫度一致，但是太陽高度角不一樣，圖5設定上午9:00，太陽高度角較低，呈現的小區內部溫度擴散較為均勻[11]。

4 優化方案

4.1 風速模擬結果分析

夏季工況下，優化方案中室外1.5m 高度人行活動區風速控制在0～2.5m/s，有利于自然通風，改善小區內部環境和提升建筑周邊空氣質量[12]。圖7是建成后模擬人行高度距地面1.5m 處速度分布，建成方案在實測驗證的情況下，實測值和數值模擬結果有一定幅度的波動，這與現場測定時受外界環境以及數值模擬模型與實際物理模型之間的差異等不確定因素影響有關。因為小區規劃建成是2012年，內部綠化現階段已經較完整密集，風環境必然受到一定程度的調整和改善。從小區建成后的分布來看，當夏季吹南風時，夏季風進入小區，南面的高密度多層住宅對來流風的阻礙較小，住區空間口逐步衰減，所形成的風影區基本可以避開主要行走區域。在正南風向下，來流在南面高層建筑兩側出現流動分離，下游無遮擋區域的風速明顯增大。導致東面街道形成“風走廊”，流動加速明顯，東南角建筑周圍局部風速比達到1.5左右[13]。此外，該項目的地面風速基本在4.3m/s以下，不容易吹起地面上的塵土，有利于提升建筑物周圍的空氣質量。再加上周邊道路上具有較大風速，風速值達到4.8m/s，有利于城市道路上行駛汽車尾氣的排放。因此，建筑物周圍沒有明顯不利于污染物擴散的渦流。由于兩側道路開放和中間大面積的綠地范圍，從側面進入的風和風影區氣流產生交叉，住區內部空氣流通適當增強。綜上所述，改變小區內建筑空間布局之后，對住宅區內的風環境有了顯著的改善作用，在降低局部突變風速的同時又提高了整個區域的通風性。

圖7 優化方案中小區內部距地面 1.5m高度處風速分布風速云圖和矢量圖（Fluent Airpak）

圖8 優化方案中小區內部距地面1.5m高度處溫度分布云圖和矢量圖（Envi-met）

4.2 溫度模擬結果分析

由圖8可以看出，建成優化方案中黃色區域是溫度場較低的區域，溫度約為28℃，大部分集中于較高建筑的背陽位置，小區內部行人主要道路和東西主干道溫度普遍低于其他區域，主要是因為風速對溫度的減弱作用。而北面紫色區域是溫度較高的區域，其處于居住區背風面，受風速影響較小。建筑布局及朝向對溫度的影響偏大，其中，中心綠地較開敞處溫度也明顯低于其他區域。同時，通過改變小區中間綠地中心的空間組合方式，形成更加緊密的圍合空間，加強了小區內部空地的溫度擴散，主要行人區溫度分布均勻，不會對人的舒適度產生過大的影響。

5 結論與建議

兩個模擬軟件主要適用于建筑工程后期表現階段，為使用者提供參考建議，也有助于提供設計方案的前期方案建議。軟件模擬過程中，兩種軟件都需要進行建筑模擬的簡化，有些項目造型相對特殊，需要重點觀察建筑周邊風速和溫度場，不能精細表達。兩個軟件模擬結果吻合度較好。這表明一定程度上兩個軟件都可以有效地評估行人高度風熱環境[2,13]。

溫度場的模擬中，Envi-met軟件計算精度高于Fluent Airpak軟件，系統更多的是自帶建筑圍護結構、下墊面和綠化植物等模塊，有相應材料的物理參數，可以省去模擬設置的誤差[14]。Fluent Airpak模擬結果可以清晰表達風速矢量圖和云圖，尤其是視覺表達。風速矢量圖和云圖對小區內建筑形態的凹凸變化、外開口距離，通風走廊、通風夾道處風環境的變化顯示更加明顯。Envi-met 可清晰描述研究區微氣候環境的空間分布與日變化特征，且對下墊面層粗糙度的微氣候模擬較為敏感，計算結果更為準確。模擬過程中無法考慮環境影響的偶然性，如局地風場、人為熱釋放的變化等，使得模擬氣溫的變化振幅相對較小，而且模擬結果無法準確刻畫實測數據能夠表達的拐點變化特征。空氣溫度受空氣風速和風向的影響較大[11]，建筑物陰影區空氣溫度明顯降低2～3℃[4]。宜適當利用建筑陰影設置人群主要活動區，有利于提高居住區人群舒適性。針對以上研究，筆者提出以下建議：①高密度建筑群的風環境較為復雜，來流風會在各建筑的拐角區域發生強烈的繞流分離區，形成高風速區域，從而使得該區域的行人高度風環境惡化。因此，利用適當的平面布置可以改善高風速變化范圍，減少靜風區域。②高層建筑物之間間距較小時，來流在兩個建筑之間容易形成“穿堂風”或“夾道風”，導致氣流在該區域的加速，從而產生不良的風環境，這點應該在項目整理規劃設計階段引起重視。因此，規劃布局中宜采用行列式和圍合型建筑布局結合的模式，通過行列式為小區內部引入來風，而后通過圍合型建筑減小風速[15]。③在地塊臨近城市道路地帶，為有效阻隔道路近地層高溫空氣進入地塊，宜適當將喬木、灌木、草地等不同植被進行組合配置，并根據季風路徑適當增大綠化面積，達到降溫的效果。