綠色建筑與風環境設計融合的計算流體力學模擬技術應用研究

關鍵詞：計算流體力學；綠色建筑；風環境；數值模擬

前言

隨著全球氣候變化的加劇和人們對可持續發展理念的深入認識，綠色建筑已成為現代建筑設計的重要趨勢。綠色建筑不僅關注建筑的功能性和美觀性，更注重在全生命周期內對環境的影響和資源的高效利用。其中，風環境設計作為綠色建筑的關鍵組成部分，對于提高建筑的能效、改善室內空氣質量、減少能源消耗具有重要意義。然而，綠色建筑的設計和實施過程中，風環境的影響往往被忽視。實際上，風環境對建筑能耗、室內環境質量以及綠色植物的生長等方面有著重要的影響。因此，將風環境因素納入綠色建筑的設計中，是實現綠色建筑的關鍵環節。計算流體力學（ComputationalFluid Dynamics，CFD）作為一種數值模擬分析手段，能夠模擬空氣流場，預測建筑圍護結構的各項熱工與空氣動力性能，為綠色建筑與風環境設計提供科學依據。因此，在這一背景下，研究創新性地將計算流體力學模擬技術應用于綠色建筑與風環境的融合設計中，并對綠色建筑周圍的空氣流動進行精細模擬，以研究風環境對建筑熱環境、空氣質量以及植物生長的影響。同時，研究開展參數化分析，討論建筑幾何形態、開窗位置等因素對室內外風環境的影響規律，以期提高綠色建筑的生態效益。

1基于綠色建筑與風環境的融合設計

1.1綠色建筑布局對風環境的影響

風環境是指建筑物周圍或室內外的空氣流動狀況，它對建筑物的環境舒適、視線景觀、建筑空間利用等各方面都產生重要影響。風環境問題主要涉及風速過大、氣流組織不良、風向問題等，如果不注意風環境，可能會影響人們的舒適感和健康。因此，在建筑設計中，需要綜合考慮各種因素，設計合理的風環境，以提高人們的生活質量。風速與行人舒適度的相關性見表1。

從建筑選址的微觀角度考慮，為了實現冬季防風和夏季及過渡季節的通風舒適，應選擇地形和周邊環境優良的選址，通過道路、綠地、湖泊和河流等空間將風引向建筑區域內部，以避免地形等因素導致的空氣滯留或風速過大。另外，空氣流動受溫差的影響很大，因此，可以通過適當配置建筑周圍不同表面溫度的區域，比如水面、綠地等不同的地面覆蓋物。除了考慮建筑周邊的環境，建筑地形的選擇也對建筑選址和風環境營造有著緊密的關系。在條件優越的地形條件下，可以通過最大化地優化建筑布局來實現風環境的優化設計。

1.2融合綠色建筑與風環境的設計

1.2.1融合綠色建筑水面與風環境的設計

水體因其獨特的熱容特性在建筑環境中扮演著重要角色。由于水體與建筑區域內其他物體形成不同的溫度場，這就導致周圍空氣產生熱壓差，進而影響氣流。在陽光輻射強烈的白天，水體的熱容量大于石頭和土壤，導致建筑和地面快速升溫。這會在地面上方形成密度較小的熱空氣，使得水體上方的空氣向地面流動，形成水陸風。到了夜晚，水體的降溫速度小于建筑和地面，地面上密度較大的空氣便會向水體流動。這種由水體形成的水陸風，不僅影響了建筑的風環境，還調節了建筑周圍的溫度場。水面對建筑選址以及風環境的影響主要有兩方面：一是水面對空氣濕度的調節作用；二是水面對地面氣溫的調節作用。水面的蒸發能夠增加空氣濕度，從而改善干燥的氣候環境。同時，水面具有巨大的熱容量，可以在日間吸收大量熱量，夜間慢慢釋放，從而調節地面氣溫，減小地面與空氣之間的溫差，改善風環境。因此，綠色建筑設計時需要充分考慮水體的存在，利用對風環境的調節作用，改善建筑的微氣候環境。例如，可以在建筑附近設置水體，如湖泊、池塘、噴泉等，或者在建筑的屋頂或陽臺設置綠色屋頂和雨水收集系統，以利用雨水對建筑進行冷卻和濕度調節。

1.2.2融合綠色建筑地形與風環境的設計

地形，如山地和坡地等非平原地形，在風環境的影響中起著重要的角色。這種影響主要體現在兩個方面：主導風向與地形的關系以及山地熱壓差形成的山谷風效應。對于山地來說，常常可以區分為迎風坡和背風坡。迎風坡是面向主導風向的山坡，這里的風速通常大于背風坡，并在山脊處達到峰值。這是由于氣流被截面擠壓，進而增加壓力，導致風速加快。山脊因其截面面積小，從而導致氣流速度增大，這就是文丘里現象。反之，背風坡位于主導風向的下風向，這里通常會形成渦流區。與此同時，山地也會與水體一樣，受到陽光和地形的綜合影響，形成熱壓差。這就導致了所謂的山谷風效應。白天，向陽坡受到太陽輻射的影響，溫度升高，氣流順著山坡向高處移動，形成上升山谷風。而在夜晚，由于缺少太陽輻射，地表降溫，山坡上方的冷空氣順勢下沉至山谷，形成下降山谷風。在綠色建筑的設計和選址中，地形的影響是不能忽視的。一方面，地形可以形成風向和風速的變化，這有助于空氣污染物的擴散和遷移，保證建筑的室內空氣質量。另一方面，利用地形變化，可以節省土方工程，形成高低錯落的優美布局，提高建筑的觀賞性，符合綠色建筑的理念。因此，充分融合地形與風環境的設計，是實現綠色建筑與環境和諧共處的重要手段。

2基于流體力學模擬的融合綠色建筑與風環境設計的驗證

計算流體力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）是一種運用數值分析和算法來研究和解決流體動力學問題的科技手段。在建筑領域，CFD可以模擬和分析建筑物群體及其周邊環境的風場情況，預見風速、風向和渦流等特性，為建筑設計提供科學依據。因此，此研究將采用CFD模擬技術，模擬并分析不同設計方案下的風環境效應，從而驗證設計方案的合理性和優勢。研究選擇了并列式、錯列式、斜列式、圍合式和自由式五種建筑布局方式作為五種不同的工況，通過CFD技術模擬出了各工況下的風環境，并進行了比較。不同工況下的風環境對比如圖1所示。從圖1（a）中可以看出，在五種不同的工況下，平均風速都低于1.02m/s，這屬于人體舒適的風速范圍。在自由式的布局中，最大風速比達到1.94，相較于并列式、錯列式、斜列式和圍合式的布局方式，分別提升了6.18%、8.24%、7.21%和4.63%。從圖l（b）中可以看出，在自由式布局中，舒適風區面積的占比最大，達到了71.02%，相較于并列式、錯列式、斛列式和圍合式的布局方式，分別提升了12.64%、15.78%、11.15%和18.95%。綜上所述，從舒適性的角度考慮，在綠色建筑風環境設計中，自由式建筑布局的表現最佳。

為了分析驗證地形對風環境的影響，針對四種不同的建筑布局：行列式、錯列式、斜列式和圍合式，研究設置了平原地形和山地地形兩種場景，模擬了在這些不同地形下的風速，不同地形下的風速相對變化比如圖2所示。從圖2中可以看出，平均風速的曲線與室外風速放大系數的曲線幾乎一致。其中錯列式地形的平均風速相對變化比最大，達到了31.25%。與行列式、斜列式以及圍合式地形相比，分別提高了6.88%、6.25%和11.58%。從最大風速角度來看，錯列式地形的最大風速相對變化比也是最大的，為28.50%。相較于行列式、斜列式以及圍合式地形，分別提高了1.70%、5.74%和8.83%。

為了更清晰地觀測不同地形影響下建筑布局的風環境，研究對各地形下建筑布局的風速進行了統計，不同地形下的建筑布局風速對比如表2所示。從表2中可以看出，在山地地形中，無論是平均風速、最大風速還是室外風速放大系數，都顯著大于平坦地形。對于平均風速，以圍合式地形在山地環境中的風速最為明顯，達到了1.35m/s。而在最大風速方面，行列式地形在山地環境中的風速最大，數值為2.36m/s。在室外風速放大系數方面，圍合式地形在山地環境中的放大系數最高，值為1.23。因此，考慮平均風速和室外風速放大系數，在山地環境中的圍合式地形將是更合適的選擇。

3結束語

為了優化綠色建筑的性能和生態效益，分析了綠色建筑布局對風環境的影響。針對水面和地形與風環境的關聯進行研究，使用了CFD進行模擬驗證。結果顯示，自由式布局在風速方面表現最佳，最大風速比達到1.94，較其他布局方式提升了4.63%至8.24%。舒適風區面積占比最大，達到71.02%，較其他布局方式提升了11.15%至18.95%。在所有地形中，錯列式地形的風速相對變化比最大，平均風速相對變化比達到31.25%，最大風速相對變化比達到28.50%，分別較其他地形提升了1.70%至11.58%。圍合式地形在山地環境中的風速表現優異，平均風速最大，達到1.35m/s；室外風速放大系數最高，達到1.23。行列式地形在山地環境中的風速最大，達到2.36m/s。綠色建筑與風環境設計的融合，對提升風環境的舒適度和安全性有積極效果。