湘北地區高層住宅室內風環境實測與改善研究＊

蔣依雯，段源珂，尹東衡

（南華大學松霖建筑與設計藝術學院，湖南 衡陽 421200）

0 引言

隨著我國人口居住需求增大和用地緊缺，越來越多的高層住宅拔地而起，在經濟發達的湘北地區更明顯。湘北地區是夏熱冬冷地區的典型代表，在高速建設時期，許多已建成的高層住宅并未對住宅的舒適度進行詳細的研究與設計，根據走訪與調查高層住宅居民發現，許多住戶存在通風不暢、夏季環境悶熱等不良狀況。這無疑會導致舒適度下降，空氣凈化設備費用增加，不符合綠色節能發展理念，且如今新冠疫情的襲擾也使人們需要良好的室內通風環境，保持室內空氣換氣次數達到標準，改善室內風環境，提高室內風速迫在眉睫。

目前學術界也有很多對風環境的研究，如司睿等[1]運用Phoenics軟件量化模擬冬夏兩季典型日的典型時刻在不同圍合度下室外環境空氣速度；李向玲等[2]運用CFD模擬技術對體育館方艙醫院進行改造；張能等[3]以風環境評價標準為依據，基于CFD數值模擬分析對青島某校園風環境進行優化；趙予等[4]針對成都地區，通過CFD模擬技術對不同布局形式的教學樓室外風環境進行模擬分析

高層住宅室內風環境影響因素的外界條件分為：室外風速大小，室外風速夾角、距地高度；內在影響因素分為：層高、窗墻比、進深面寬比。本文將分析湘北地區高層住宅室內風環境的影響因素并進行整理，以為改善高層住宅室內風環境提供參考。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

湘北地區年平均風速2.1m/s，風速最大出現在8月份，為3.0m/s，年最多風向為西北風和西風，出現頻率為11.7%，其次為東北風和北風向，出現頻率分別為11.4%和11.1%，最少風向為東南風和東風，占總風向的2.8%，靜風出現頻率為1.6%。本次研究隨機抽取湘北地區某高層住宅，并在其中抽取3個套型作為試驗研究對象。

1.2 研究方法

本次試驗充分利用CFD流體力學分析軟件對室內風速進行測試。首先通過實地測繪獲得樓棟具體平面尺寸和高度信息，并對抽樣套型的平面尺寸進行測量與繪制。并利用3Dmax繪制樓棟模型，如圖1所示，然后將模型導入Phoenics軟件并進行風環境設置，根據模擬結果記錄各試驗套型窗戶所對應的風壓值大小。繪制各抽樣套型模型，準確設置進風口和出風口的位置和大小，如圖2所示。利用上一步記錄的風壓值賦予進出風口，用Phoenics對室內風環境進行計算，對室內抽取5個測試點，并記錄平均值作為室內平均風速測試值。

圖1 研究小區的基本模型

圖2 樣本套型平面

通過單一變量的方式分別改變室外風速大小、風速夾角、距地高度，以及套型層高、窗墻比、進深面寬比，保持某個變量不變，然后在不同條件下測試室內平均風速值，記錄試驗數據后利用SPSS對試驗結果進行分析并得出影響湘北地區室內風速的主次要因子和其正負相關性。

2 試驗有效性檢驗

利用多功能手持微壓差計，在現場抽樣套型的進風口和出風口進行風壓值測試，9-A套型南進風口測量值為-2.375 682Pa，北出風口模擬值-4.158 353Pa，9-A的南進風口模擬值為-2.496 627Pa，北出風口模擬值-4.234 521Pa，偏差值分別為5.09%和7.61%。再利用風速計對抽樣套型室內平均進行測試，取得平均值為0.295 285m/s，Phoenics測試結果如圖3所示，模擬平均值為0.339 021m/s，數據偏差12.8%，滿足試驗有效性要求，可進行下一步影響因子的模擬研究試驗。

圖3 室內風速有效性檢驗

3 試驗過程

3.1 樣本概況

通過實地測量與信息的整理，對比各住宅套型的建筑特征信息。選取其中9-A套型樣本進行闡述。

3.2 試驗步驟

運用實地測量的住宅信息建立模型，將模型導入Phoenics進行室內風環境模擬，通過不斷改變模型數據，求得室內風環境最優良時的參數概況。

3.3 CFD模擬試驗

本文分別取層高、窗墻比、風向夾角、進深面寬比、距地高度5個因子，以單一變量原則進行試驗。

先采用原始數據，使用層高為3.0m，窗墻比為0.264，風向夾角為0，進深面寬比為0.505，距地高度為30m的模型進行室內風環境模擬，得到室內平均風速為0.339 021m/s，室內風速云圖如圖4所示。

圖4 初始套型風速云圖

3.3.1 層高

現保持其窗墻比、風向夾角、進深面寬比、距地高度不變，增加其層高至3.1m，室內平均風速為0.342 500m/s；增加層高至3.2m，室內平均風速為0.341 417m/s。

初步判斷室內平均風速隨著建筑層高的增加而增加。為驗證此關系，再將層高調節至2.8m，得到室內平均風速為0.329 831m/s。測試結果如圖5所示，可看出室內平均風速與層高成正相關關系。

圖5 不同層高工況下室內風速云圖

3.3.2 窗墻比

在不改變層高、風向夾角、進深面寬比、距地高度的情況下，調整套型窗墻比，分別將窗墻比調至0.277與0.33，得到平均室內風速分別為0.354 924，0.331 638m/s。測試結果如圖6所示。因此得出結論，室內平均風速與窗墻比沒有相關性。

圖6 不同窗墻比下的風速云圖

3.3.3 風向夾角

同樣通過單一變量的試驗方法，在不改變其他變量的情況下，分別調整風向夾角為30°和45°的套型模型進行室內風速模擬，得到室內平均風速分別為0.465 254，0.502 419m/s。測試結果如圖7所示。由此推斷，室內平均風速隨著風向夾角的增大，整體呈緩慢上升趨勢。

圖7 不同風向夾角下的風速云圖

3.3.4 進深面寬比

在不改變其他因子的情況下，改變進深面寬比，分別設置0.453和0.544兩個變量，可得到在比值為0.453時，室內平均風速為0.351 876m/s，比值為0.544時室內平均風速為0.339 021m/s。測試結果如圖8所示，由此可看出，室內平均風速隨進深面寬比的增大逐漸減小，呈負相關關系。

圖8 不同深面寬比下的風速云圖

3.3.5 距地高度

通過控制單一變量的試驗方法，在距地高度上分2組試驗，通過室外風壓測量，保持每個通風口風壓一致，分別對距地高度24m和36m的標準套型進行室內風速測試，得到室內平均風速分別為0.293 864m/s與0.339 021m/s。可看出，將距地高度調至24m時，室內平均風速明顯減小，調至36m時，平均風速與30m時相差無幾。測試結果如圖9所示，由此可看出，室內平均風速與距地高度呈正相關，在30m之后趨于平緩。

圖9 不同距地高度下的風速云圖

4 試驗結果

通過對試驗結果對比與分析，可得出室內平均風速與層高呈正相關，與窗墻比無明顯相關性，與風向夾角呈正相關，與進深面寬比呈負相關，據此提出對湘北地區高層住宅室內風環境改善的建議。針對湘北地區高層住宅室內風環境，層高與進深面寬比對室內平均風速影響較大，風向夾角與距地高度影響較小，窗墻比與室內風速無相關性。因此在設計高層住宅時優先考慮增加層高與減小進深面寬比，其次考慮風向夾角與距地高度，從而在節能減排方面達到最優解。