劉少鋒 任 杰

(1.中國市政工程西北設(shè)計研究院有限公司，甘肅蘭州 730000; 2.北京中外建建筑設(shè)計有限公司西北分公司，陜西西安 710055)

0 引言

建筑風(fēng)環(huán)境與建筑物的外形、尺寸、建筑物之間的相對位置以及周圍的地形地貌有著很復(fù)雜的關(guān)系。如果在城市規(guī)劃和建筑設(shè)計中忽略了風(fēng)環(huán)境問題，就有可能給城市環(huán)境帶來不利影響［1］。在有較強來流時，建筑物周圍某些地區(qū)會出現(xiàn)強風(fēng)，如果這些強風(fēng)區(qū)出現(xiàn)在建筑物入口、通道、露臺等行人頻繁活動的區(qū)域，則可能使行人感到不舒適，甚至帶來傷害，形成惡劣的風(fēng)環(huán)境問題。同時，室外風(fēng)環(huán)境深刻影響建筑室內(nèi)風(fēng)環(huán)境，特別對建筑防風(fēng)與自然通風(fēng)有著決定性影響。因此在設(shè)計階段，應(yīng)對建筑物的室外風(fēng)環(huán)境做出評價，分析建筑之間位置關(guān)系對室外風(fēng)環(huán)境的影響。

由于“數(shù)值風(fēng)洞”的計算結(jié)果比風(fēng)洞模型實驗更直觀、更詳細，數(shù)值分析方法在國際上已廣泛采用［2］。本文采用數(shù)值模擬的方法對室外風(fēng)環(huán)境進行評價。

1 數(shù)值計算

根據(jù)對建筑室外風(fēng)環(huán)境流場湍流特性的初步分析，建立描述其氣流運動特性的方程為基于 Boussinesq假設(shè)［3，4］基礎(chǔ)上的Reynolds時均的包括連續(xù)性方程、動量方程、能量方程、狀態(tài)方程的控制方程組。為使方程的封閉，湍流模型采用標準的κ—ε雙方程模型。其控制方程組如下:

其中，ρ為密度;Γ為廣義擴散系數(shù);Sφ為廣義源項;U為速度矢量;φ為通用因變量，代表速度u，運動粘性系數(shù)v，湍流粘度w，溫度t，湍流動能k，湍流動能耗散率ε，特征尺寸l。

采用四面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對計算區(qū)域進行網(wǎng)格劃分，對建筑物周圍的區(qū)域進行局部細化，網(wǎng)格的質(zhì)量(長寬比、斜度等)滿足計算要求，總網(wǎng)格數(shù)為180萬個，見圖1。

根據(jù)當?shù)氐臍庀髷?shù)據(jù)，本數(shù)值報告模擬夏季、冬季及全年最大風(fēng)速的風(fēng)向下的3個典型工況下室外不同來流風(fēng)速與風(fēng)向下的流場分布特性，計算工況見表1。

圖1 網(wǎng)格劃分示意圖

表1 數(shù)值模擬工況

2 結(jié)果與討論

1)夏季2.4 m/s(S)。

圖2a)給出地面處的速度分布。當夏季吹南風(fēng)時，本項目的地面風(fēng)速基本在2m/s以下，這樣不容易吹起地面上的塵土，有利于提升建筑群周圍的空氣質(zhì)量。與此同時，在換乘大樓東側(cè)的公路上具有較大風(fēng)速，其風(fēng)速值達到2.4 m/s，有利于公路上行駛汽車尾氣的排放。換乘大樓西側(cè)及東側(cè)空間上具有2.5 m左右的風(fēng)速，有利于換乘車輛的廢氣排放。建筑物周圍沒有明顯不利于污染物擴散的渦旋。

圖2b)給出距地面7.2 m處的速度分布。當夏季吹南風(fēng)時，購物中心，酒店寫字樓的西面具有較大風(fēng)速，其值達到2.5 m/s。在此風(fēng)速下，如果能夠結(jié)合合理的建筑開窗，將有效的起到建筑節(jié)能的作用。備班樓及換乘大樓可在南向和北向同時開窗，從而形成穿堂風(fēng)，提到夏季自然通風(fēng)的通風(fēng)效率。與此同時，換乘大樓及備班樓內(nèi)的尾氣會被南風(fēng)帶向東北方向，不會流向購物中心，酒店寫字樓所處區(qū)域。這對購物中心，酒店寫字樓的空氣質(zhì)量有利。

2)冬季 2.4 m/s(NNW)。

圖2 夏季工況下地面處和距地面7.2 m處的速度場

圖3 a)給出地面處的速度分布。當冬季風(fēng)向為NNW時，本項目建筑周圍的地面風(fēng)速基本在2 m/s以下，這樣不容易吹起地面上的塵土，有利于提升建筑群周圍的空氣質(zhì)量。與此同時，在換乘大樓東側(cè)的西二環(huán)線及西側(cè)的玉蘭路上都具有較大風(fēng)速，其風(fēng)速值達到2.3 m/s，有利于公路上行駛汽車尾氣的排放。換乘大樓西側(cè)及東側(cè)空間上具有1.5 m左右的風(fēng)速，有利于換乘車輛的廢氣排放。建筑物周圍沒有明顯不利于污染物擴散的渦旋。

圖3b)給出距地面7.2 m處的速度分布。可以看出，酒店寫字樓及購物中心對西北吹來的冷風(fēng)起到了良好的隔絕作用，形成了典型的“庭院式”設(shè)計，有利于整體建筑的冬季節(jié)能，減少整體建筑的供暖能耗損失。建議在酒店寫字樓西北角及換乘大樓的東北角適當綠化或興建裝飾性構(gòu)筑物，能夠有效的阻擋被封寒流，更好的起到為建筑物保暖的作用。與此同時，鑒于酒店寫字樓、購物中心及換乘大樓北向及南向的風(fēng)速差別較大，容易引起空氣壓差變化。建議加強酒店寫字樓、購物中心及換乘大樓北墻的圍護建筑氣密性能，減少冷風(fēng)滲透所引起的供暖能耗損失。

圖3 冬季工況下地面處和距地面7.2 m處的速度場

3)全年2.8 m/s(NW)。

圖4a)給出地面處的速度分布。當全年工況下吹西北風(fēng)時，本項目的地面風(fēng)速基本在2 m/s以下，這樣不容易吹起地面上的塵土，有利于提升建筑群周圍的空氣質(zhì)量。與此同時，在建筑群周圍具有較大風(fēng)速，其風(fēng)速值達到2.3 m/s，有利于建筑群廢氣的排除。換乘大樓西側(cè)及東側(cè)空間上形成了“峽谷風(fēng)”，具有2 m左右的風(fēng)速，有利于換乘車輛的廢氣排放。建筑物周圍沒有明顯不利于污染物擴散的渦旋。

圖4b)給出距地面7.2 m處的速度分布。可以看出，酒店寫字樓及購物中心對西北吹來的冷風(fēng)起到了良好的隔絕作用，形成了典型的“庭院式”設(shè)計，有利于整體建筑的冬季節(jié)能，減少整體建筑的供暖能耗損失。與此同時，在購物中心西南角、SOHO公寓入口處具有較大風(fēng)速，容易引起室外活動的舒適性和建筑通風(fēng)。建議在此處添加裝飾性構(gòu)筑物或進行綠化。同時在換乘大樓東北方，風(fēng)速同樣偏大，建議對此處進行綠化，并加強換乘大樓北外墻和東外墻的建筑氣密性，從而減少供暖損失。

圖4 全年工況下地面處和距地面7.2m處的速度場

3 結(jié)論與建議

根據(jù)對夏季、冬季及全年最大風(fēng)荷載下3個典型工況的模擬分析，根據(jù)模擬分析結(jié)果，本項目建筑群的室外氣流組織，能夠達到如下效果:1)模擬表明本項目場區(qū)內(nèi)主要通道內(nèi)的風(fēng)速均小于5 m/s，滿足行人室外活動的舒適性要求。2)在備班大樓及換乘大樓周圍均有2 m/s以上風(fēng)速，有利于周圍汽車尾氣的排除。3)本項目的地面風(fēng)速基本在2 m/s以下，這樣不容易吹起地面上的塵土，有利于提升建筑群周圍的空氣質(zhì)量。4)建筑物周圍沒有明顯不利于污染物擴散的渦旋。5)夏季通風(fēng)時，建筑群周圍風(fēng)速不低于2 m/s，有利于自然通風(fēng)及減少空調(diào)冷負荷。6)酒店寫字樓及購物中心對西北吹來的冷風(fēng)起到了良好的隔絕作用，形成了典型的“庭院式”設(shè)計，有利于整體建筑的冬季節(jié)能，減少整體建筑的供暖能耗損失。7)換乘大樓及備班樓內(nèi)的尾氣會被室外風(fēng)帶離建筑群，不會影響購物中心，酒店寫字樓，SOHO公寓等建筑周圍的空氣品質(zhì)。同時，根據(jù)對夏季、冬季及全年最大風(fēng)荷載下3個典型工況的模擬分析，根據(jù)模擬分析結(jié)果，提出如下優(yōu)化建議:1)建議在酒店寫字樓西北角及換乘大樓的東北角適當綠化或修建裝飾性構(gòu)筑物，能夠有效的阻擋被封寒流，更好的起到為建筑物保暖的作用。2)當夏季吹南風(fēng)時，購物中心，酒店寫字樓的西面具有較大風(fēng)速，其值達到2.5 m/s。在此風(fēng)速下，如果能夠結(jié)合合理的建筑開窗，將有效的起到建筑節(jié)能的作用。3)備班樓及換乘大樓可在南向和北向同時開窗，從而形成穿堂門，提高夏季自然通風(fēng)的通風(fēng)效率。4)建議在酒店寫字樓西北角、換乘大樓的東北角、SOHO公寓入口處適當綠化或興建裝飾性構(gòu)筑物，能夠有效的阻擋被封寒流，更好的起到為建筑物保暖的作用。5)建議加強酒店寫字樓、購物中心及換乘大樓北墻的圍護建筑氣密性能，減少冷風(fēng)滲透所引起的供暖能耗損失。

［1］一 丁，雨 露，洪 涌.中國古代風(fēng)水與建筑選址［M］.石家莊:河北科學(xué)技術(shù)出版社，1996.

［2］David Hutchinson，Wind-aplanner’sview，Joumal of mdustrial aerodynamics［J］.1978(3):117-127.

［3］王啟杰.對流傳熱傳質(zhì)分析［M］.西安:西安交通大學(xué)出版社，1991.

［4］陶文銓.數(shù)值傳熱學(xué)［M］.西安:西安交通大學(xué)出版社，1988.