畢超，劉昕曄

（中國(guó)中元國(guó)際工程有限公司，北京100089）

針對(duì)建筑室外風(fēng)環(huán)境優(yōu)化的數(shù)值模擬分析

畢超，劉昕曄

（中國(guó)中元國(guó)際工程有限公司，北京100089）

建筑周邊人員活動(dòng)區(qū)域的風(fēng)環(huán)境品質(zhì)既關(guān)系到行人的安全，又關(guān)系到人員逗留區(qū)域的舒適性，以及建筑本身的節(jié)能策略。論文通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)（CFD）模擬技術(shù)，對(duì)建筑的人員活動(dòng)區(qū)域的風(fēng)環(huán)境進(jìn)行分析，并基于此結(jié)果對(duì)人員活動(dòng)區(qū)域進(jìn)行熱舒適度、風(fēng)寒效應(yīng)以及在沙塵極端天氣下的評(píng)估和優(yōu)化，制定建筑的節(jié)能策略。

CFD模擬；室外風(fēng)環(huán)境；熱舒適性；風(fēng)寒效應(yīng)；風(fēng)力發(fā)電

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.06.023

1 引言

建筑室外的風(fēng)環(huán)境分析不僅能夠量化人員活動(dòng)區(qū)域的安全風(fēng)速，從而對(duì)相關(guān)區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化改造，還可以評(píng)估人員活動(dòng)區(qū)域的熱舒適性堯冬季的風(fēng)寒效應(yīng)，探討不同區(qū)域的風(fēng)環(huán)境品質(zhì)，從而對(duì)室外空間的休閑利用空間排布提供建設(shè)性參考遙另外，分析評(píng)估春季沙塵天氣下，對(duì)建筑物外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的損耗遙通過(guò)室外風(fēng)環(huán)境的風(fēng)速分布分析，可以對(duì)風(fēng)力發(fā)電可再生能源的利用提供數(shù)據(jù)支持遙

2 研究對(duì)象

本文的研究對(duì)象位于北京市大興區(qū)，周邊暫未有建成的大型建筑，地勢(shì)空曠平坦遙建筑集辦公堯酒店堯研發(fā)中心為一體，屋面區(qū)域設(shè)計(jì)為屋頂花園，有景觀水體堯室外休憩場(chǎng)所堯連廊和室內(nèi)休閑場(chǎng)所，供建筑用戶(hù)休閑娛樂(lè)，為室外風(fēng)環(huán)境的重點(diǎn)分析對(duì)象之一。

另外，建筑物間有約15m寬的隧道，此隧道既作為排風(fēng)通道，又供人行和車(chē)行之用，由于隧道普遍對(duì)風(fēng)有加速作用，故此處亦是室外風(fēng)環(huán)境的重點(diǎn)研究對(duì)象。

圖1 研究對(duì)象的幾何模型

3 邊界條件

3.1 氣象條件

本文的分析對(duì)象位于北京市，北京位于北緯39.93毅，東經(jīng)116.28毅，處于大陸性溫暖季風(fēng)區(qū)。具體的氣象參數(shù)如表1所示。

3.2 數(shù)學(xué)模型和邊界條件

在本分析的CFD流體力學(xué)計(jì)算中，采用K-Epsilon湍流模型，空氣的流動(dòng)狀態(tài)采用Boussinesq模型，即粘性、不可壓縮、低速的湍流流體。

表1 室外風(fēng)環(huán)境分析的氣象參數(shù)[1]

1）入口邊界條件

采用速度入口邊界條件（velocityinlet）。在大氣層底層中，風(fēng)速是沿著高度變化的，其變化規(guī)律可以用指數(shù)率或?qū)?shù)率來(lái)表示，其中指數(shù)率最為常用[3]。如下式所示。

式中，Uz為距地高Zm處的風(fēng)速，m/s；Z為距地高度，m；Z0為氣象站風(fēng)速測(cè)點(diǎn)距地高度，一般取10m；U0為氣象站所測(cè)風(fēng)速，m/s；a為地面粗糙度[4]，取0.16。

2）出流面

假設(shè)空氣到達(dá)出流面已經(jīng)充分發(fā)展，所謂充分發(fā)展，意味著出流面上的流動(dòng)情況由區(qū)域內(nèi)部外推得到，對(duì)上游流動(dòng)沒(méi)有影響，因此，出流面邊界條件可以設(shè)置為出流（即outflow，用于模擬在求解前流速和壓力未知的出口邊界，使用于出口處的流動(dòng)是完全充分發(fā)展的）。

3）上空面與兩側(cè)面

由于本文所選的計(jì)算區(qū)域較大，上空面和兩側(cè)面都遠(yuǎn)離建筑物，可以認(rèn)為上空面和兩側(cè)面對(duì)建筑周?chē)諝獾牧鲃?dòng)沒(méi)有影響，其邊界上法向速度梯度為零。所以，采用了對(duì)稱(chēng)邊界條件（symmetry），也就等價(jià)于“自由滑移”面。

4）建筑表面與地面

采用無(wú)滑移的壁面邊界條件（wall）。

4 CFD分析模型

本分析采用專(zhuān)業(yè)化的前處理ICEMCFD劃分網(wǎng)格，此分析生成的網(wǎng)格數(shù)量約為1 500 000個(gè)。分析中使用了專(zhuān)業(yè)CFD軟件STAR-CCM（4.14版）。STAR-CCM近年來(lái)在工程界已被廣泛用于工程計(jì)算分析，被認(rèn)為是最有效和可靠的商用軟件之一。它結(jié)合計(jì)算結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格所需的高精度與工程應(yīng)用時(shí)所必需的高效性、可靠性為一體，提供最為可靠的計(jì)算結(jié)果。它已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于實(shí)際項(xiàng)目中空調(diào)室內(nèi)環(huán)境及建筑環(huán)境分析中，并得到不斷的驗(yàn)證和優(yōu)化。

圖2 研究建筑的網(wǎng)格模型

5 熱舒適性分析

TS（thermalsensation）值用于評(píng)估人體在不同環(huán)境下（主要因素包括溫度Ta，太陽(yáng)輻射值SR和風(fēng)速WS）的舒適程度。當(dāng)TS在3～5之間，舒適度較好。TS=4時(shí)舒適度為最佳，TS<3時(shí)人體感覺(jué)較為寒冷，TS>5時(shí)人體感覺(jué)較為炎熱。

TS=1.2+0.1115伊Ta+0.0019伊SR-0.3185伊WS[5]

圖3 屋面位置風(fēng)速分布圖

在春季，人員活動(dòng)區(qū)域處風(fēng)速約為3m/s，TS=3，感覺(jué)偏冷。故建議在此區(qū)域植樹(shù)，以阻擋過(guò)大風(fēng)速，增加人體熱舒適性。在夏季，此人員活動(dòng)區(qū)域處風(fēng)速約為1.5m/s，TS=5。在圖3中所標(biāo)示的回廊位置，風(fēng)速小于1m/s，故建議在屋頂回廊的墻面開(kāi)孔，盡量減少對(duì)夏季風(fēng)的阻擋，引入自然風(fēng)，提高風(fēng)環(huán)境。另外，可以通過(guò)在風(fēng)速較小區(qū)域增加水池，通過(guò)水分蒸發(fā)冷卻作用降低環(huán)境溫度。在秋季，此區(qū)域平均風(fēng)速約為1.0m/s，故TS=4，符合人體舒適感要求。如圖3中標(biāo)示，此人員活動(dòng)區(qū)域處風(fēng)速約為2m/s，TS=2.9，人體感覺(jué)偏冷。故建議在此區(qū)域植樹(shù)，以阻擋過(guò)大風(fēng)速。在冬季，此區(qū)域平均風(fēng)速約為2.0m/s，故TS=0.5，人體感覺(jué)寒冷。由于冬季TS過(guò)低，人體感覺(jué)寒冷，建議將所有回廊封閉，以降低冬季氣溫過(guò)低給人體帶來(lái)的不適感。另外，為保證夏季的通風(fēng)，建議回廊設(shè)可開(kāi)啟窗或者開(kāi)孔，既保證回廊區(qū)域冬季的保溫，又保證了夏季的自然通風(fēng)。另外，孔洞處雖非人員活動(dòng)區(qū)域，但過(guò)大風(fēng)會(huì)通過(guò)此處滲入建筑內(nèi)部，故建議設(shè)置圍擋。

6 隧道風(fēng)研究

建筑物間有約15m寬的隧道，此隧道既作為排風(fēng)通道，又供人行和車(chē)行之用，由于隧道對(duì)風(fēng)有加速作用，故需要對(duì)此處風(fēng)環(huán)境進(jìn)行分析和優(yōu)化。

圖4 春季典型隧道位置風(fēng)速分布圖

圖4為距地面1.5m（人行高度）平面的室外風(fēng)速分布圖。如圖中箭頭標(biāo)示位置，在四季的室外平均風(fēng)速條件下，隧道位置的風(fēng)速均低于5m/s，滿(mǎn)足建筑物周?chē)诵袇^(qū)風(fēng)速低于5m/s的要求[6]。

但是，由圖4中可以發(fā)現(xiàn)，隧道對(duì)室外風(fēng)有加速的效果，當(dāng)春季和冬季的室外風(fēng)速在1.5m人行高度達(dá)到約4.4m/s時(shí)，隧道處風(fēng)速有可能出現(xiàn)5m/s以上。故建議考慮減小隧道兩端的開(kāi)口，阻止過(guò)大風(fēng)。另外，由于隧道處設(shè)計(jì)為排風(fēng)通道，建議采用頂排方式，將所有的排煙口安排至隧道的上端，并將隧道的人行區(qū)域和排風(fēng)區(qū)上下隔開(kāi)，由此形成上部排風(fēng)通道，此通道對(duì)風(fēng)速有加強(qiáng)效果，可以利用隧道風(fēng)，減小風(fēng)機(jī)能耗。具體如圖5所示。

圖5 隧道布局改造示意圖

7 冬季風(fēng)寒效應(yīng)

所謂風(fēng)寒，是指加拿大學(xué)者在2001年提出的風(fēng)寒效應(yīng)指數(shù)（WCI）。風(fēng)寒效應(yīng)指數(shù)是根據(jù)風(fēng)寒效應(yīng)所定立的指數(shù)。而風(fēng)寒效應(yīng)的出現(xiàn)是由于風(fēng)會(huì)影響我們對(duì)冷的感覺(jué)，從而導(dǎo)致人們對(duì)冷暖的感覺(jué)與溫度計(jì)的讀數(shù)有明顯的分別。在冬季期間，強(qiáng)風(fēng)天氣會(huì)使人對(duì)冷的感覺(jué)更加明顯。這種風(fēng)速與人體對(duì)外界感覺(jué)的關(guān)系，稱(chēng)為風(fēng)寒效應(yīng)。

WCI=（10.45+10^V-V）（33-ta）/1.162（W/m2）

式中，V為室外風(fēng)速，m/s；ta為室外溫度，℃。

另外，人體感受溫度（teq.wc）受風(fēng)速和室外溫度的影響,可表述為

圖6 屋面區(qū)域人行高度處的人體感受溫度分布圖

在冬季強(qiáng)風(fēng)情況下，人行區(qū)域處的人體感受溫度在-8℃～-3℃范圍內(nèi)，特別是在圖6中標(biāo)示區(qū)域的人體感受溫度<-10℃。整個(gè)人行區(qū)域的WCI<1400，裸露肢體在室外不可超過(guò)5h。鑒于屋面人行區(qū)域的人體感受溫度過(guò)低，建議所有回廊設(shè)圍檔，以保證人行通道區(qū)域免受冬季強(qiáng)風(fēng)的影響，且在屋面人行區(qū)域的標(biāo)示位置種植常青樹(shù)，以阻擋過(guò)強(qiáng)風(fēng)速。

8 春季沙塵天氣分析

北京是風(fēng)沙活動(dòng)和沙塵暴的高發(fā)區(qū)之一。所謂風(fēng)沙活動(dòng)，就是大風(fēng)作用于干燥的地表所引起的一系列物理現(xiàn)象。通常是顆粒細(xì)小的沙塵飛入大氣之中，處于懸浮狀態(tài)，同時(shí)，受到大氣的空間運(yùn)動(dòng)的影響。沙塵借助于高空氣流可移動(dòng)到數(shù)十公里乃至數(shù)萬(wàn)公里以外。沙塵天氣不只會(huì)對(duì)人體舒適性產(chǎn)生影響，還會(huì)造成建筑物的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的損耗。

圖7為沙塵天氣對(duì)建筑物外立面損耗的幾率分布圖。其中紅色區(qū)域代表建筑物的受損潛在性較大。圖中表示區(qū)域在春季沙塵天氣的受損潛在性較大，故建議在此區(qū)域設(shè)置良好的圍護(hù)結(jié)構(gòu)。另外，為減小風(fēng)速，建議減小隧道兩端的開(kāi)口。

圖7 建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)損耗幾率分布圖

9 可再生能源——小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)

由風(fēng)速分布情況可知，在隧道和屋面拐角位置，建筑布局對(duì)風(fēng)速有加強(qiáng)的效果，對(duì)于可再生能源而言，若選用風(fēng)力發(fā)電機(jī)，風(fēng)速的增加會(huì)加強(qiáng)其發(fā)電量。故以下選取典型位置的加速風(fēng)速，利用風(fēng)速的韋伯分布，對(duì)小型發(fā)電機(jī)的發(fā)電量進(jìn)行估算。

9.1 韋伯（Weibull）分布[8]

式中，x是隨機(jī)變量；λ＞0是比例參數(shù)（scaleparameter）；k＞0是形狀參數(shù)（shapeparameter）。

顯然，它的累積分布函數(shù)是擴(kuò)展的指數(shù)分布函數(shù)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)電量不僅與平均風(fēng)速有關(guān)，還與風(fēng)速的全年分布有關(guān)系。

9.2 分析結(jié)果

小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的估算條件如下：

風(fēng)輪直徑：2m；

切入速度：5m/s；

切出速度：14m/s；

風(fēng)力發(fā)電機(jī)效率：35%；

形狀參數(shù)：2。

計(jì)算得出，每臺(tái)小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)電量較小，約為850kW·h/a，逐月發(fā)電量如圖8所示。

10 結(jié)語(yǔ)

室外風(fēng)環(huán)境的模擬可以為建筑場(chǎng)地的熱舒適性和節(jié)能潛力提供依據(jù)。通過(guò)TS（thermalsensation）值對(duì)熱舒適性進(jìn)行評(píng)價(jià)。對(duì)室外熱舒適性較差的區(qū)域，建議通過(guò)在相應(yīng)區(qū)域植樹(shù)、設(shè)置水景、在回廊墻壁設(shè)置可開(kāi)啟窗等措施進(jìn)行優(yōu)化，從而改善較差區(qū)域的熱舒適性。通過(guò)隧道風(fēng)的研究，將隧道區(qū)域根據(jù)使用功能進(jìn)行合理的分割，將排風(fēng)區(qū)域隔離，利用大風(fēng)速加速排風(fēng)效果，減小風(fēng)機(jī)能耗；將下部設(shè)置成人行區(qū)域，減小兩端隧道的開(kāi)口，阻止過(guò)大風(fēng)。利用風(fēng)寒指數(shù)進(jìn)行冬季風(fēng)寒效應(yīng)的評(píng)估，對(duì)風(fēng)寒效應(yīng)較大的區(qū)域設(shè)置適當(dāng)?shù)恼趽踉O(shè)施，減小風(fēng)寒效應(yīng)引起的人體不適感。通過(guò)評(píng)估春季沙塵天氣對(duì)建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的損耗情況，對(duì)幕墻維護(hù)結(jié)構(gòu)性能提供指導(dǎo)。通過(guò)分析風(fēng)速較大區(qū)域，在可以利用小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的位置對(duì)發(fā)電量進(jìn)行估算，從而為建筑發(fā)掘可再生能源的利用潛力。

圖8 每臺(tái)小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的逐月發(fā)電量

【1】GB50178—93建筑氣候區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)[S].

【2】彭珍，劉熙明，洪鐘祥，王丙蘭.北京地區(qū)一次強(qiáng)沙塵暴過(guò)程的大氣邊界層結(jié)構(gòu)和湍流通量輸送特征[J].氣候與環(huán)境研究，2007（3）：268-276.

【3】黃本才，汪叢軍.結(jié)構(gòu)抗風(fēng)原理及其應(yīng)用[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2008.

【4】GB50009—2001建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].

【5】Givoni,B.andNoguchi,M.,（2003）"Outdoorcomfortresearchissues，EnergyandBuildings",v.3577-86.

【6】GB/T50378—2014綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[S].

【7】MauriceBluestein.APPLIED HEAT TRANSFER IN THE DEVELOPMENTOFTHE NEW WIND CHILL TEMPERATURE CHART[C].//2004 ASME International Mechanical Engineering Congress（IMECE2004）,vol.1.2004:47-53.

【8】丁明,吳義純,張立軍，等.風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速概率分布參數(shù)計(jì)算方法的研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2005,25（10）:107-110.

Computational Simulation for Building Microclimate Optimization

BI Chao，LIUXin-ye
（ChinaIPPRInternationalEngineeringCo.Ltd.，Beijing 100089,China）

The microclimate of pedestrian area is very crucial for both the safety of occupants and the thermal comfort,as well as the potential of energy saving strategies.In this article,the microclimate analysis is carried out via computational fluid dynamics（CFD）to evaluatethethermalcomfort,windchilleffectandenvelopenhancementinsandstorm,aswellastheenergysavingstrategies.

CFDsimulation;microclimate;thermalcomfort;windchilleffect;windturbine

TU201

A

1007-9467（2016）06-0093-04

2016-03-02

畢超（1985～）,女，山東平陰人，助理工程師，從事綠色建筑和建筑環(huán)境研究，（電子信箱）54696407@qq.com。