南方內(nèi)陸城市高層住宅小區(qū)冬季室外風(fēng)環(huán)境測(cè)試與模擬研究

采用現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查問(wèn)卷、實(shí)地測(cè)量和計(jì)算流體力學(xué)（CFD）模擬方法分析HRCs室外風(fēng)環(huán)境。研究分析HRCs內(nèi)居民的活動(dòng)類(lèi)型和居民對(duì)HRCs室外風(fēng)環(huán)境的認(rèn)知。測(cè)試HRCs內(nèi)部多點(diǎn)位風(fēng)速大小，分析風(fēng)環(huán)境狀況。模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果相一致，其中圍合式建筑HRC-B內(nèi)部無(wú)風(fēng)區(qū)的面積最大，當(dāng)單個(gè)高層建筑寬度增加和迎風(fēng)面積增加時(shí)，局部風(fēng)速有不同程度增大，能夠保證室外環(huán)境舒適度的同時(shí)，促進(jìn)小區(qū)內(nèi)部污染物擴(kuò)散。

室外風(fēng)環(huán)境； 高層住宅小區(qū)； 建筑形態(tài)布局； CFD模擬

TU111.19+2A

建筑論壇與建筑設(shè)計(jì)建筑論壇與建筑設(shè)計(jì)

［定稿日期］2024-06-04

［作者簡(jiǎn)介］汪東（1977—），男，本科，工程師，從事建筑施工管理工作。

0" 引言

改革開(kāi)放以來(lái)中國(guó)經(jīng)歷了快速的城市化發(fā)展進(jìn)程，預(yù)計(jì)2025年城鎮(zhèn)化率將達(dá)到62%，2035年到70%左右［1］。為適應(yīng)城市人口的快速增長(zhǎng)，高層住宅小區(qū)（HRCs）逐漸成為中國(guó)城市發(fā)展的重要選擇［2］。通常將11～33層的小區(qū)稱(chēng)為高層住宅小區(qū)。HRC具有容積率高、建筑密集特點(diǎn)，容積率往往大于2.0，對(duì)室外風(fēng)環(huán)境影響大［3-4］。因此，研究HRCs建筑形態(tài)布局與風(fēng)環(huán)境之間關(guān)系對(duì)提高室外環(huán)境舒適度和空氣質(zhì)量非常重要。

現(xiàn)有研究大多從熱舒適和污染物擴(kuò)散角度出發(fā)，考慮小區(qū)布局對(duì)室外風(fēng)環(huán)境的影響。有研究建立了四種不同點(diǎn)式高層住宅小區(qū)的風(fēng)環(huán)境模型，研究表明，建筑長(zhǎng)度和高度的比值在1.67到2之間時(shí)，可以獲得最佳的室外風(fēng)環(huán)境［5］。有國(guó)外學(xué)者關(guān)注建筑與風(fēng)環(huán)境之間的相互作用［6］，進(jìn)而通過(guò)對(duì)建筑布局的分析，總結(jié)出有利于室外氣流的建筑組合形式。建筑布局和建筑朝向也對(duì)風(fēng)環(huán)境和污染物擴(kuò)散產(chǎn)生影響［7］。尤其是在低風(fēng)速的地區(qū)，合理的建筑物朝向可以利用自然風(fēng)向，促進(jìn)空氣流通，便于污染物的擴(kuò)散。

目前，對(duì)于建筑密集、容積率高的HRCs室外風(fēng)環(huán)境研究較少，特別是風(fēng)速較低的城市，對(duì)小區(qū)內(nèi)居民活動(dòng)和污染物擴(kuò)散影響較大。因此，研究首先調(diào)查了住宅小區(qū)冬季室外風(fēng)環(huán)境現(xiàn)狀，并評(píng)估居民感受、建筑布局與室外風(fēng)環(huán)境之間的關(guān)系，提出了不同的優(yōu)化方案來(lái)提高冬季室外居民的身體舒適度和居住環(huán)境的空氣質(zhì)量。

1" 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

目前，世界各國(guó)尚未建立統(tǒng)一的住宅小區(qū)室外風(fēng)環(huán)境評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是基于大量的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)、模擬和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查所確定的，其中風(fēng)速和無(wú)風(fēng)區(qū)比例是兩種常用的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

1.1" 風(fēng)速

行人平均高度處（高于地面1.5 m）的平均風(fēng)速，直接影響人體的舒適度。GB 50189-2015《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》明確規(guī)定，在冬季典型風(fēng)速和風(fēng)向下，住宅小區(qū)內(nèi)步行區(qū)1.5 m以上風(fēng)速應(yīng)小于5 m/s，室外休息區(qū)和兒童游樂(lè)區(qū)風(fēng)速應(yīng)小于2 m/s［8］。

1.2" 無(wú)風(fēng)面積比

無(wú)風(fēng)區(qū)是指建筑物周?chē)纬傻娘L(fēng)速低或無(wú)風(fēng)速的區(qū)域。大面積無(wú)風(fēng)區(qū)意味著空氣更新緩慢，有害污染物不易擴(kuò)散。由于空氣不可能完全靜止，所以在評(píng)價(jià)過(guò)程中，風(fēng)速低于0.2 m/s的區(qū)域可根據(jù)蒲福風(fēng)力級(jí)表定義為無(wú)風(fēng)區(qū)?？刂茻o(wú)風(fēng)區(qū)面積比是改善風(fēng)環(huán)境的有效措施，相關(guān)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定無(wú)風(fēng)面積比應(yīng)小于5%［8］。

2" 方法

2.1" 研究方法

研究采用了定性分析和定量分析相結(jié)合的方法，圖1為研究技術(shù)路線。以問(wèn)卷的形式進(jìn)行了實(shí)地調(diào)查，每份問(wèn)卷10個(gè)問(wèn)題，調(diào)查對(duì)象均從高層小區(qū)中隨機(jī)抽取。

定量分析方法包括現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）模擬。室外監(jiān)測(cè)的主要目的是測(cè)量當(dāng)前的風(fēng)環(huán)境，獲取真實(shí)風(fēng)速數(shù)據(jù)。通過(guò)CFD模擬分析了建筑之間相互作用和對(duì)風(fēng)環(huán)境的影響。

2.2" 研究地點(diǎn)

研究所選高層小區(qū)位于成都，成都市人口密集，城市化水平較高。為了對(duì)HRCs內(nèi)部風(fēng)環(huán)境進(jìn)行詳細(xì)、全面的分析，選取三個(gè)典型HRCs建筑，代表圍合式分布、行列式分布、點(diǎn)式分布等不同建筑分布類(lèi)型。室外監(jiān)測(cè)是在冬季進(jìn)行。冬季風(fēng)環(huán)境復(fù)雜，對(duì)行人舒適度的影響顯著，冬季污染物濃度也是全年中最大，風(fēng)速是污染物擴(kuò)散的直接影響因素。因此在冬季模擬分析能體現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

2.3" 風(fēng)環(huán)境測(cè)量和CFD設(shè)置

采用L99-FSFX風(fēng)速風(fēng)向儀，測(cè)量精度為0.01 m/s，測(cè)量誤差±5%以?xún)?nèi)，測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)固定測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速。每個(gè)HRC活動(dòng)區(qū)距離地面1.5 m處共設(shè)置6個(gè)測(cè)點(diǎn)，編號(hào)為1～6，如圖2所示測(cè)點(diǎn)具體位置。每個(gè)測(cè)點(diǎn)至少采集10個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。

CFD選擇PHOENICS，首先在AutoCAD中建立初始建筑模型，然后在PHOENICS中生成模型網(wǎng)格。計(jì)算使用Flair模塊，湍流模型使用標(biāo)準(zhǔn)k-ε，模擬每個(gè)HRC的室外風(fēng)環(huán)境。

風(fēng)場(chǎng)方向?yàn)镹-N-E（成都冬季盛行風(fēng)向），風(fēng)速為1.1 m/s（成都冬季日平均風(fēng)速）。計(jì)算域的大小基于HRC模型來(lái)設(shè)置，在水平方向兩側(cè)和流體入口方向距離建筑物的距離設(shè)置為5 H，出流方向設(shè)置為10 H，垂直方向距離建筑物的距離設(shè)置為5 H，H為建筑物高度。圖3為HRC-C計(jì)算域。

使用PHOENICS開(kāi)發(fā)的SPARSOL網(wǎng)格生成方法，在網(wǎng)格劃分前進(jìn)行了網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證，隨著網(wǎng)格密度增加，觀測(cè)點(diǎn)風(fēng)速誤差控制在5%以?xún)?nèi)，在目標(biāo)建筑模型附近的區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密。

3" 結(jié)果與分析

3.1" 問(wèn)卷調(diào)查和實(shí)地檢測(cè)結(jié)果

在這項(xiàng)研究中，HRCs的人數(shù)約為10 000人。共回收問(wèn)卷250份，其中有效問(wèn)卷239份。誤差范圍約為7%，置信水平為95%。問(wèn)卷問(wèn)題的選擇參考了已有研究，均與室外風(fēng)環(huán)境舒適度相關(guān)。具體問(wèn)題見(jiàn)表1。

調(diào)查結(jié)果顯示，室外活動(dòng)居民以36～50歲為主，18～35歲次之。54%的居民更喜歡在17：00至20：00期間進(jìn)行室外活動(dòng)。45%和33%的居民室外活動(dòng)時(shí)間一般在1 h以下和1～2 h之間，其他居民活動(dòng)時(shí)間大于2 h。

圖4為室外活動(dòng)類(lèi)型的調(diào)查結(jié)果，超過(guò)83%的居民選擇輕松的散步作為他們的室外活動(dòng)。對(duì)于室外活動(dòng)場(chǎng)所，約60%的居民更傾向于選擇綠地公園和中心廣場(chǎng)作為活動(dòng)場(chǎng)所。

建筑論壇與建筑設(shè)計(jì)汪東： 南方內(nèi)陸城市高層住宅小區(qū)冬季室外風(fēng)環(huán)境測(cè)試與模擬研究

圖5為室外活動(dòng)影響因素的調(diào)查結(jié)果，因素排序依次是溫度gt;風(fēng)gt;濕度gt;太陽(yáng)強(qiáng)度。調(diào)查發(fā)現(xiàn)超過(guò)66%的居民認(rèn)為冬季風(fēng)速舒適，其他居民認(rèn)為風(fēng)速過(guò)高或過(guò)低不適合室外活動(dòng)。

室外風(fēng)環(huán)境關(guān)鍵因素調(diào)查結(jié)果顯示，超過(guò)85%的居民認(rèn)為風(fēng)速是影響室外舒適度的主要因素。只有7%的居民關(guān)心風(fēng)向，而8%的居民認(rèn)為風(fēng)速和風(fēng)向都不重要。如圖6所示，居民普遍認(rèn)為建筑布局以及建筑高度、寬度和朝向?qū)κ彝怙L(fēng)環(huán)境有顯著影響。僅少部分人認(rèn)為沒(méi)有影響或影響較弱。

圖7為3個(gè)HRC內(nèi)部每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)所測(cè)得平均風(fēng)速。在HRC-A中，測(cè)點(diǎn)風(fēng)速大多分布在0.3～0.6 m/s之間，考慮該高層小區(qū)迎風(fēng)側(cè)兩棟建筑朝向與來(lái)風(fēng)方向同向，阻礙來(lái)風(fēng)吹入小區(qū)內(nèi)部。其中，點(diǎn)位6風(fēng)速小于0.2 m/s，處于無(wú)風(fēng)區(qū)。

HRC-B中，測(cè)點(diǎn)1風(fēng)速為1.45 m/s，該測(cè)點(diǎn)前排建筑排列相比于小區(qū)內(nèi)部間距更大，所以風(fēng)速較大。由于小區(qū)內(nèi)部建筑呈圍合式排列，對(duì)來(lái)風(fēng)阻礙作用強(qiáng)，導(dǎo)致風(fēng)速普遍較低，大小在0.2～0.5 m/s，且小區(qū)內(nèi)部無(wú)風(fēng)區(qū)面積比較大。

HRC-C中，測(cè)點(diǎn)1、2和3風(fēng)速分布在0.6～0.8 m/s之間，但測(cè)點(diǎn)4、5和6均小于0.2 m/s，該小區(qū)建筑呈行列式排列，前三排建筑相較于后三排建筑更高，且間距更大，有利于形成風(fēng)道，增加風(fēng)速。同時(shí)，前面高層建筑對(duì)后面建筑的阻礙也有直接影響，風(fēng)速均處于無(wú)風(fēng)區(qū)。

各測(cè)點(diǎn)的測(cè)量結(jié)果表明，小區(qū)內(nèi)部風(fēng)速變化存在較大波動(dòng)，室外風(fēng)速整體偏低，不會(huì)有強(qiáng)烈的有吹風(fēng)感，這也與問(wèn)卷調(diào)查中第七個(gè)問(wèn)題的結(jié)果是一致的。但較低的風(fēng)速不利于污染物的擴(kuò)散，導(dǎo)致空氣質(zhì)量下降。

3.2" 數(shù)值模擬結(jié)果分析

圖8為HRC室外風(fēng)環(huán)境模擬結(jié)果，在HRC-A中，測(cè)點(diǎn)1處建筑朝向與來(lái)風(fēng)方向相同，建筑正面風(fēng)速較高，而在建筑的背面，會(huì)形成負(fù)壓區(qū)域，風(fēng)速相對(duì)較小。HRC-A呈點(diǎn)式建筑分布，小區(qū)內(nèi)部風(fēng)環(huán)境較為平靜。

在HRC-B中，測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)3都在小區(qū)出入口附近，但測(cè)點(diǎn)1位于上風(fēng)向兩高層建筑中間，高層建筑拐角處形成渦旋，風(fēng)速和風(fēng)向發(fā)生了劇烈變化。然而測(cè)點(diǎn)3的風(fēng)速由于建筑的阻礙作用，屬于無(wú)風(fēng)區(qū)。HRC-B呈圍合式建筑分布，外部風(fēng)由于建筑遮擋，無(wú)法進(jìn)入小區(qū)內(nèi)部，所以小區(qū)內(nèi)大部分處于無(wú)風(fēng)區(qū)。

在HRC-C中，測(cè)點(diǎn)1、測(cè)點(diǎn)2和測(cè)點(diǎn)3位于上風(fēng)向的建筑內(nèi)部，建筑之間形成風(fēng)道，風(fēng)速較高，但隨著建筑連續(xù)排列數(shù)量的增加，來(lái)風(fēng)穿過(guò)密集建筑群也更加困難，風(fēng)速逐漸降低。

與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果與CFD模擬結(jié)果相一致，有相似的分布特點(diǎn)。三種小區(qū)建筑之間整體風(fēng)速較低，但不同的建筑分布形成不同的室外風(fēng)環(huán)境。封閉空間和無(wú)風(fēng)區(qū)會(huì)增加污染物的積聚風(fēng)險(xiǎn)，因此，風(fēng)速較低的城市，可在未來(lái)小區(qū)建設(shè)時(shí)充分考慮建筑分布特點(diǎn)和建筑布局，保障居民舒適度情況下適當(dāng)增加風(fēng)速，促進(jìn)街區(qū)內(nèi)部污染物的擴(kuò)散。

3.3" 建筑形態(tài)和風(fēng)向模擬結(jié)果分析

建筑形態(tài)和布局對(duì)室外風(fēng)環(huán)境有顯著影響，因此，對(duì)單個(gè)高層住宅建筑進(jìn)行模擬。①建筑高度和長(zhǎng)度不變的情況下，建筑高度設(shè)置為高層住宅建筑平均值60 m，分別設(shè)置建筑寬度為20 m、30 m、40 m、50 m和60 m，分析單個(gè)建筑形態(tài)變化對(duì)風(fēng)環(huán)境的影響;②建筑形態(tài)尺寸不變的情況下，建筑長(zhǎng)寬高為：20 m×40 m×60 m，分別選擇北（N）、東北偏北（N-N-E）、東北（N-E）、東北偏東（N-E-E）和東（E）5個(gè)風(fēng)向，分析建筑不同朝向?qū)κ彝怙L(fēng)環(huán)境的影響。

圖9為不同建筑寬度在相同風(fēng)向下的風(fēng)環(huán)境模擬結(jié)果，當(dāng)建筑寬度增加，來(lái)風(fēng)被阻擋，建筑后形成風(fēng)速較低的阻擋區(qū)域，無(wú)風(fēng)區(qū)的面積增大。建筑寬度的增加也導(dǎo)致建筑拐角處渦旋增加，增加迎風(fēng)側(cè)風(fēng)速，影響范圍也逐漸擴(kuò)大。

圖10為單個(gè)建筑不同風(fēng)向的風(fēng)環(huán)境的模擬結(jié)果，當(dāng)風(fēng)向?yàn)镹時(shí)，無(wú)風(fēng)區(qū)的區(qū)域面積是最大的，風(fēng)向?yàn)镋時(shí)最小。建筑拐角處風(fēng)速增大，隨著迎風(fēng)面面積的增加，拐角渦旋影響范圍也更廣，可一定程度上減小無(wú)風(fēng)區(qū)的面積，有助于污染物的擴(kuò)散。

4" 結(jié)果與討論

探討了高層住宅小區(qū)類(lèi)型與室外風(fēng)環(huán)境的關(guān)系，分析了影響風(fēng)環(huán)境的因素，研究對(duì)區(qū)域風(fēng)環(huán)境改善有重要參考價(jià)值，主要研究結(jié)果：

（1）調(diào)研發(fā)現(xiàn)，HRCs內(nèi)居民室外活動(dòng)的主要類(lèi)型是短時(shí)間和低強(qiáng)度的活動(dòng)，如散步和靜坐。大多數(shù)居民認(rèn)為風(fēng)速是影響其室外環(huán)境舒適度的主要原因。過(guò)高的風(fēng)速會(huì)產(chǎn)生不適，但較小的風(fēng)速會(huì)阻礙小區(qū)內(nèi)部污染物的擴(kuò)散，降低空氣質(zhì)量，因此，平衡居民室外環(huán)境舒適度和污染物擴(kuò)散是需要深入研究的問(wèn)題。

（2）模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果相一致，小區(qū)內(nèi)部風(fēng)速整體較低，其中圍合式建筑無(wú)風(fēng)區(qū)面積比最大，增加了污染物積聚的風(fēng)險(xiǎn)。成都冬季風(fēng)速較小，應(yīng)綜合考慮建筑形態(tài)布局特點(diǎn)，充分利用自然風(fēng)，改善居舒適度和提高小區(qū)內(nèi)空氣質(zhì)量。

（3）研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)建筑寬度增加時(shí)，會(huì)增加迎風(fēng)側(cè)風(fēng)速，影響范圍也隨之增大，同時(shí)建筑背風(fēng)側(cè)無(wú)風(fēng)區(qū)面積也增加。當(dāng)建筑迎風(fēng)面積增加時(shí)，高層建筑拐角處渦旋影響范圍變大，有助于減小無(wú)風(fēng)區(qū)面積。建筑形態(tài)布局和方向?qū)︼L(fēng)環(huán)境影響顯著，通過(guò)優(yōu)化建筑形態(tài)等設(shè)計(jì)，改善小區(qū)內(nèi)部風(fēng)環(huán)境。

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