宜昌某高校學(xué)生宿舍區(qū)風(fēng)環(huán)境模擬研究

韓成剛 李運江＊ 劉衍婷

1.三峽大學(xué)土木與建筑學(xué)院 湖北 宜昌 443002

2.合肥工業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院 安徽 合肥 230009

近年來隨著我國城市的快速發(fā)展，城市靜風(fēng)區(qū)面積增多，空氣滯留時間變長，愈發(fā)不利于空氣質(zhì)量的改善。國家發(fā)改委和住建部聯(lián)合印發(fā)的《城市適應(yīng)氣候變化行動方案》明確提出“打通城市通風(fēng)廊道，增加城市空氣的流動性”[1]。校園是城市不可或缺的組成部分，宿舍區(qū)更是學(xué)生活動的必要場所,改善宿舍區(qū)風(fēng)環(huán)境直接關(guān)系到學(xué)生的身體健康和舒適。污染物的擴散與空氣自凈、行人舒適度、室內(nèi)自然通風(fēng)等多方面的問題均直接受到居住區(qū)風(fēng)環(huán)境的影響[2]。因此，為了公眾健康舒適安全改善居住區(qū)風(fēng)環(huán)境至關(guān)重要。

為了探討改善居住區(qū)室外風(fēng)環(huán)境的方法，選取宜昌某大學(xué)宿舍區(qū)作為研究對象，使用瓢蟲工具(Ladybug Tools是Grasshopper的免費開放源代碼環(huán)境插件)提取中國標(biāo)準(zhǔn)氣象數(shù)據(jù)庫(CSWD)的氣象數(shù)據(jù)epw格式的文件制作冬季、夏季和各個月份的風(fēng)向頻率玫瑰圖（見圖1）并利用PHOENICS軟件對研究區(qū)域進行風(fēng)環(huán)境模擬。

圖1 宜昌市全年風(fēng)玫瑰圖

1 研究區(qū)概況及現(xiàn)場調(diào)研

1.1 研究區(qū)概況

宜昌屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候位于夏熱冬冷地區(qū)，夏季溫度高，濕度大，風(fēng)環(huán)境較差，建筑必須滿足夏季防熱要求，適當(dāng)兼顧冬季保溫[3]。

1.2 現(xiàn)場調(diào)研

研究區(qū)域為宜昌某大學(xué)宿舍區(qū)（見圖2）編號A-H為宿舍樓，皆為南北朝向，分兩列錯開布置，建筑面積約54000㎡，占地面積7760㎡；I是學(xué)生餐廳，建筑面積7100㎡，占地面積2950㎡。建模區(qū)域J為山體簡化模型，K-L是教學(xué)樓，M-N是校外建筑。

圖2 研究區(qū)域建模編號

2 風(fēng)環(huán)境模擬及分析

2.1 研究方法和軟件選取

本文根據(jù)已建立的風(fēng)環(huán)境評估標(biāo)準(zhǔn)采用CFD數(shù)值模擬對場地風(fēng)環(huán)境進行分析及優(yōu)化，且對優(yōu)化后結(jié)果與優(yōu)化前結(jié)果進行對比以驗證優(yōu)化設(shè)計的可行性。

2.2 模擬條件

將3D設(shè)計軟件(草圖大師SketchUp)創(chuàng)建的3D模型以3ds格式輸出到PHOENICS中的建筑模塊(FLAIR)進行數(shù)值模擬，根據(jù)制作的風(fēng)向頻率玫瑰圖選取宜昌夏季主導(dǎo)風(fēng)向為南風(fēng)(S)，冬季主導(dǎo)風(fēng)向為東南風(fēng)（S-E）,溫度和風(fēng)速根據(jù)《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》[4]定為夏季溫度31.8℃、風(fēng)速1.5m/s，冬季溫度4.9℃、風(fēng)速1.3m/s的工況進行模擬條件的設(shè)置（見表1）。

表1 設(shè)計用室外氣象參數(shù)

2.2.1 計算域與網(wǎng)格的設(shè)定

PHOENICS在進行數(shù)值模擬時是按照所建立模型1：1進行計算，所以在創(chuàng)建3D模型時是按照物體的實際尺寸進行創(chuàng)建的，J-L模型的建立是為了使研究區(qū)域模擬的風(fēng)環(huán)境更加與實際風(fēng)環(huán)境相符合。以研究區(qū)域宿舍樓建筑高度H作為計算域的特征尺寸，計算域的橫向X尺寸為6H，縱向尺寸Y為10H。垂直計算域Z設(shè)置為4H[5]。計算網(wǎng)格的設(shè)置根據(jù)計算結(jié)果收斂速度和計算結(jié)果準(zhǔn)確性的綜合考量，最終確定為210萬個網(wǎng)格，并且采用研究區(qū)域局部加密來進行網(wǎng)格的設(shè)置。

2.2.2 數(shù)學(xué)模型及邊界條件的設(shè)定

所選數(shù)學(xué)模型主要基于是針對室外風(fēng)環(huán)境的模擬，外部風(fēng)場氣流屬于梯度風(fēng)的低速湍流區(qū)域，所以選用PHOENICS軟件提供的RNG K-ε湍流模型，有研究表明該模型成本低并適用于低速湍流的數(shù)值模擬計算，且在數(shù)值計算中波動小、精度高等優(yōu)點[6]。

對計算域邊界條件的設(shè)定主要為風(fēng)環(huán)境的邊界條件，入口邊界條件是根據(jù)研究區(qū)域具體季節(jié)特征進行設(shè)置，由于地表粗糙度對風(fēng)的影響，進風(fēng)口按不同高度梯度上平均風(fēng)速的高度梯度修正公式的控制方程設(shè)置為

公式中v是入口邊界高度z處水平方向的風(fēng)速(單位m/s)，為入口邊界基準(zhǔn)高度(通常取離地面水平高度10m)處水平方向的風(fēng)速(單位m/s)。a地面粗糙度是根據(jù)研究區(qū)域所處城市地形環(huán)境設(shè)置為0.22[7]。

2.3 模擬驗證

為了驗證模擬結(jié)果的可靠性，在校園宿舍學(xué)生活動密集區(qū)選取24個測點（見圖3）進行測試，測點均距離地面1.5m，測試時間為2023年3月2日，在L樓樓頂測得進口平均風(fēng)速為1.80m/s，風(fēng)向東南偏南風(fēng)（S-S-E），溫度12℃，測試工具采用希瑪AS8336分體式風(fēng)速儀（測量范圍0.3m/s-45m/s），測量值是每個點同時測試1個小時取平均值。對比24個測點的風(fēng)速測試值與模擬值（見表2）總體來看，存在個別測點風(fēng)速測試值和風(fēng)速模擬值相對誤差較大（測點7、測點8、測點11、測點19、測點21），可能是因為周圍的環(huán)境比如樹木或其它建筑物和模型的簡化所引起的，其余測點相對誤差絕對值均小于25%。

表2 人行高度處風(fēng)速模擬值與實測值對比

圖3 測點編號

此外對風(fēng)速實測值和模擬值進行配對T檢驗，由于測試點為24個（小于30個），要先對二者差值進行正態(tài)性檢驗（見表3、圖4），柯爾莫戈洛夫-斯米諾夫、夏皮洛-威爾克中顯著性均大于0.05，正態(tài)圖散點大致與斜線吻合，可以進行風(fēng)速實測值與模擬值的配對T檢驗，根據(jù)檢驗結(jié)果（見表4）可以得出風(fēng)速實測值與模擬值的配對T檢驗顯著性（雙尾）=0.57（＞0.05）,由此得出二者之間不存在顯著差異，表明模擬結(jié)果是具有可靠性的。

表3 風(fēng)速模擬與實測差值的正態(tài)性檢驗

表4 風(fēng)速實測值與模擬值T檢驗結(jié)果

圖4 風(fēng)速實測與模擬正態(tài)圖

2.4 評價標(biāo)準(zhǔn)與結(jié)果分析

2.4.1 風(fēng)環(huán)境評價標(biāo)準(zhǔn)

2019年8月1日起實施的《綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》[8]中針對夏季、過渡季和夏季典型風(fēng)向和風(fēng)速條件下室外的風(fēng)速、風(fēng)壓、風(fēng)速放大系數(shù)的評分標(biāo)準(zhǔn)（見表5）。

表5 場地風(fēng)環(huán)境評價標(biāo)準(zhǔn)

下面會對研究區(qū)域CFD數(shù)值模擬下的夏季、冬季典型風(fēng)速風(fēng)向下的室外人行高度處的風(fēng)速、風(fēng)速矢量和建筑物表面的風(fēng)壓差逐一展開分析。

2.4.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

求解器經(jīng)過1500次迭代數(shù)值計算最終得到后處理模塊研究區(qū)域夏季和冬季兩個季節(jié)的人行高度1.5m處風(fēng)速云圖、建筑物表面風(fēng)壓圖以及人行高度1.5m處風(fēng)速矢量圖（見表6）。

表6 場地優(yōu)化前后風(fēng)模擬結(jié)果

夏季工況

夏季主導(dǎo)風(fēng)向為南風(fēng)，風(fēng)速1.5m/s，由模擬結(jié)果可知，夏季由于校外建筑M、N和山體J的南端區(qū)域?qū)χ鲗?dǎo)風(fēng)向來流風(fēng)的阻擋，研究區(qū)域人行高度1.5m處風(fēng)速處于0.1-1.2m/s之間，整體風(fēng)速較低。受到建筑物形體朝向與夏季主導(dǎo)風(fēng)向關(guān)系的影響，夏季風(fēng)向完全垂直于宿舍樓建筑迎風(fēng)面，所以在宿舍樓A-H每兩棟宿舍樓之間都存在不同程度的靜風(fēng)區(qū)，尤其是C-D宿舍之間的靜風(fēng)區(qū)面積比最大。風(fēng)速矢量圖表示了風(fēng)流動的方向，可以進行渦旋區(qū)計算分析，圖中標(biāo)出風(fēng)的流向與主導(dǎo)風(fēng)向不一致區(qū)域，這些區(qū)域出現(xiàn)風(fēng)的回流容易形成渦旋區(qū)，易積聚熱量，不利于顆粒物、污染物的流通降低空氣品質(zhì)，對學(xué)生的健康和舒適有著不利影響。在建筑表面風(fēng)壓圖中可以看出宿舍樓D、H兩棟建筑的迎風(fēng)面風(fēng)壓值可達(dá)到0.5pa，對室內(nèi)通風(fēng)有利，其余宿舍表面風(fēng)壓值均小于0.5pa，不利于夏季室內(nèi)通風(fēng)。

冬季工況

冬季主導(dǎo)風(fēng)向為東南風(fēng)，風(fēng)速1.3m/s，研究區(qū)域冬季風(fēng)速主要位于0.1-1.1m/s之間，因為山體J的阻擋作用導(dǎo)致部分區(qū)域風(fēng)環(huán)境出現(xiàn)渦旋但總體風(fēng)速滿足要求，建筑物迎風(fēng)面與背風(fēng)面風(fēng)壓差在合理范圍內(nèi)，總體來說研究區(qū)域冬季風(fēng)環(huán)境較為適宜，符合《綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定。

3 方案優(yōu)化及分析

經(jīng)過上述分析可知主要是針對研究區(qū)夏季工況下風(fēng)環(huán)境的優(yōu)化調(diào)整，要考慮到經(jīng)過調(diào)整后夏季工況風(fēng)環(huán)境得到改善的同時冬季工況風(fēng)環(huán)境的變化在可接受范圍之內(nèi)。

3.1 方案優(yōu)化

3.1.1 底層架空

經(jīng)過實地調(diào)研了解到除了E棟宿舍樓底層用于商業(yè)配套設(shè)施外其余宿舍樓（A-D、F-H）低層均用于非機動車的停放，建議打通部分非承重墻體改造成底層架空（見圖5），基于實際情況設(shè)置架空高度為2.5m，通風(fēng)架空率設(shè)為60%，以有效降低底層建筑對行人高度處背風(fēng)側(cè)空氣動力學(xué)風(fēng)速的影響。

圖5 架空示意軸測圖

3.1.2 打通夏季主導(dǎo)風(fēng)道

削弱山體J對夏季主導(dǎo)風(fēng)向風(fēng)速的影響作用，建議將山體薄弱處進行缺口化處理（見圖6）打通來流風(fēng)向缺口1和缺口2，使來流風(fēng)的氣流暢通，同時打開缺口3、4，保證氣流流出使研究區(qū)域完成與外界空氣的交換。

圖6 打通夏季主導(dǎo)風(fēng)道

3.2 基于CFD對優(yōu)化方案的分析

對研究區(qū)變動調(diào)整后進行CFD數(shù)值模擬得到優(yōu)化后的夏季和冬季行人高度處1.5m風(fēng)速云圖、風(fēng)速矢量圖、建筑表面風(fēng)壓圖（見表6），分析風(fēng)速云圖、風(fēng)速矢量圖可知整個研究區(qū)域的靜風(fēng)區(qū)和漩渦區(qū)明顯減少，對比優(yōu)化前后建筑表面風(fēng)壓圖可以得到建筑表面風(fēng)壓差也在合理范圍內(nèi)增大，有利于增加室內(nèi)自然通風(fēng)的效果，可以有效減少夏季空調(diào)能耗。針對校園宿舍學(xué)生活動密集區(qū)選取的24個測點進行優(yōu)化前后冬季工況模擬結(jié)果風(fēng)速數(shù)據(jù)的對比（見圖7）可已看出優(yōu)化后研究區(qū)域整體風(fēng)速值有所提高，但都處于2m/s之內(nèi)，雖對行人舒適無較大影響，但可以提升空氣質(zhì)量。優(yōu)化前后夏季工況模擬結(jié)果風(fēng)速數(shù)據(jù)的對比（見圖8），其中測點22風(fēng)速值提升幅度最大為0.82m/s，風(fēng)速擴大近3.6倍，也存在個別區(qū)域風(fēng)速值減小如測點7、測點18，但研究區(qū)域總體風(fēng)速值具有明顯提升，優(yōu)化后學(xué)生活動密集區(qū)選取的24個測點平均每個測點的風(fēng)速值相對優(yōu)化前提高了0.22m/s，提高率為69%。

圖7 冬季各測點優(yōu)化前后風(fēng)速值

圖8 夏季各測點優(yōu)化前后風(fēng)速值

4 結(jié)語

經(jīng)過PHOENICS對研究區(qū)域風(fēng)環(huán)境的CFD數(shù)值模擬分析，顯示研究區(qū)夏季和冬季風(fēng)環(huán)境的總體結(jié)果，結(jié)合綠色建筑評價總結(jié)得出夏季風(fēng)速總體偏低，通風(fēng)效果較差，對學(xué)生的健康和舒適具有不利影響；冬季風(fēng)環(huán)境存在小部分靜風(fēng)區(qū)和渦旋但總體較為適宜。在綜合考慮宜昌地區(qū)夏季通風(fēng)條件下采取部分宿舍建筑底層架空、打通夏季主導(dǎo)風(fēng)道的方式進行風(fēng)環(huán)境的優(yōu)化提升，經(jīng)過改造前后的模擬結(jié)果對比分析顯示在保證冬季風(fēng)環(huán)境適宜條件下有效的改善了夏季風(fēng)環(huán)境，是一套行之有效的解決方法，體現(xiàn)出綠色建筑的理念。