Application of CFD Technology-based Analysis on Outdoor Wind-heat Environment in A Large Commercial Building

杜曉磊，周書兵（中機(jī)中聯(lián)工程有限公司，重慶　400060）

?

基于CFD技術(shù)的室外風(fēng)熱環(huán)境分析在某大型商業(yè)建筑中的應(yīng)用

Application of CFD Technology-based Analysis on Outdoor Wind-heat Environment in A Large Commercial Building

杜曉磊，周書兵
（中機(jī)中聯(lián)工程有限公司，重慶400060）

摘要：商業(yè)建筑的室外風(fēng)、熱環(huán)境不僅影響室外廣場等人行區(qū)域的舒適與安全，更是室內(nèi)空間進(jìn)行物理環(huán)境設(shè)計時的外部條件。該文采用CFD數(shù)值模擬方法，對重慶市某大型商業(yè)綜合體的室外風(fēng)熱環(huán)境進(jìn)行了詳細(xì)的分析與評價，并提出優(yōu)化設(shè)計建議。該文的研究將為改善該項目的建筑風(fēng)熱環(huán)境品質(zhì)提出有效的技術(shù)措施，并為類似工程問題提供參考。

關(guān)鍵詞：建筑風(fēng)熱環(huán)境；CFD數(shù)值模擬；優(yōu)化設(shè)計

Abstract:The outdoor wind-heat environment of the commercial building is not only an influencing factor on the comfort and safety of pedestrian area like outdoor square, but an external condition for the physical environment design of the indoor space. With CFD numerical simulation method, the outdoor wind-heat environment of a large commercial complex in Chongqing is analyzed and assessed in detail, with advice on optimization design presented. The study can offer some effective technological measures and some references for similar project as well.

Keywords:building wind-heat environment; CFD numerical simulation; optimization design

引言

城市空間的風(fēng)熱環(huán)境是在局部氣象條件和城市化的人為因素共同作用下形成的。這些因素主要有：太陽輻射、氣溫、濕度、通風(fēng)、降水（雪）、下墊面性質(zhì)的改變、人為熱、過量溫室氣體的排放以及大氣污染等。由于上述因素的影響，建筑群內(nèi)產(chǎn)生對流換熱減弱，空氣質(zhì)量下降等不良狀況，導(dǎo)致建筑群周圍的生態(tài)環(huán)境惡化，對人體健康帶來不利影響。隨著人們對生活舒適度、身體健康、安全程度要求的進(jìn)一步提高，良好的區(qū)域風(fēng)熱環(huán)境已然成為城市人居環(huán)境生態(tài)化的重要標(biāo)志[1，2]。

圖1　項目效果圖

擬建項目位于重慶市渝北區(qū)，總用地面積為7.54萬m2，總建筑面積74.6萬m2。如圖1所示，目標(biāo)分析建筑為大型多層商業(yè)一棟，高層辦公樓兩棟及小型低層商業(yè)群落。建筑主要功能為商務(wù)辦公、大型商業(yè)、小型商業(yè)、餐飲步行街等。圖2顯示為項目地塊周邊1km范圍的主要建筑，其中右側(cè)為大會堂、法院等公共設(shè)施，左側(cè)為住宅小區(qū)；西北側(cè)（通風(fēng)來流方向）為高層辦公建筑和低層商業(yè)綜合體。本分析綜合考慮風(fēng)速、太陽輻射和溫度等因素，對項目室外風(fēng)熱環(huán)境進(jìn)行分析評價，為場地物理環(huán)境的優(yōu)化提出策略性建議，以期提高戶外場地的舒適度，并達(dá)到提高建筑周邊人行區(qū)的熱舒適度和節(jié)約建筑能耗的目的。

1　技術(shù)方案

1.1分析方法與計算模型

項目采用通用流場計算軟件PHOENICS對擬建項目建筑周邊風(fēng)熱環(huán)境進(jìn)行模擬分析，計算室外風(fēng)流場分布和評估項目建筑室外風(fēng)環(huán)境是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。一般情況下，室外氣流屬于三維、非定常、不可壓縮的湍流流動。本分析中采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型和IMMERSOL輻射模型模擬項目周邊風(fēng)熱環(huán)境狀況。

（1）風(fēng)場分析參數(shù)設(shè)置

假定建筑來流方向風(fēng)速為均勻分布，不同高度平面上的來流風(fēng)速大小則沿建筑高度方向按梯度遞增。分析項目室外風(fēng)環(huán)境模擬按室外場地狀況粗糙度指數(shù)n值設(shè)置為0.22。

（2）溫度場分析參數(shù)設(shè)置

依據(jù)《城市居住區(qū)熱環(huán)境設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》JGJ286-2013[3]中重慶地區(qū)夏季典型氣象日的氣象參數(shù)，設(shè)置項目SUN模型及相關(guān)參數(shù)。另根據(jù)項目實際設(shè)計的選材特點，為計算區(qū)域內(nèi)的建筑、道路、綠化、水體等材質(zhì)的太陽能得熱系數(shù)、表面換熱系數(shù)等參數(shù)賦值。

（3）建筑模型及網(wǎng)格劃分

根據(jù)設(shè)計提供的建筑總平面圖以及其他相關(guān)資料建立項目的室外風(fēng)熱環(huán)境模擬模型。計算區(qū)域設(shè)置為3600m×4500m×800m（長×寬×高），建筑覆蓋區(qū)域置于計算區(qū)域的中心，針對重點觀測人行區(qū)域進(jìn)行局部加密，計算網(wǎng)格總數(shù)約為1573萬。項目幾何模型與水平方向網(wǎng)格劃分效果分別如圖2、圖3所示。

圖2　幾何模型

圖3　網(wǎng)絡(luò)劃分

1.2工況設(shè)置

（1）風(fēng)環(huán)境分析工況

參考重慶市《綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》DBJ50/T -066 -2014[4]的分析工況設(shè)置要求，對《中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》[5]中重慶地區(qū)典型氣象年的平均風(fēng)速、風(fēng)向頻率等氣象參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，得到夏季、過渡季節(jié)和冬季的工況設(shè)置邊界條件如表1所示。

表1　風(fēng)環(huán)境分析工況設(shè)置

（2）熱環(huán)境分析工況

依據(jù)《城市居住區(qū)熱環(huán)境設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》JGJ286-2013[3]中重慶地區(qū)夏季典型氣象日的氣象參數(shù)統(tǒng)計，分別取全天四個典型時刻（9:00、12:00、15:00、18:00）的溫度、太陽輻射、風(fēng)速等氣象參數(shù)作為模擬工況的邊界條件（表2）。

表2　熱環(huán)境分析工況設(shè)置

2　風(fēng)環(huán)境分析

模擬夏季平均風(fēng)速、過渡季平均風(fēng)速、冬季10％大風(fēng)等三種工況條件下建筑周邊流場分布狀況，重點分析內(nèi)容：建筑周圍人行區(qū)1.5m高處風(fēng)速及分布；建筑周圍人行區(qū)1.5m高處風(fēng)速放大系數(shù)分布；建筑表面風(fēng)壓分布及壓差情況。

2.1風(fēng)速

項目各工況風(fēng)速分析結(jié)果如圖4-圖7所示。通過分析可以得出：主導(dǎo)風(fēng)向條件下，氣流從西北側(cè)吹向項目建筑，建筑周邊無明顯的滯風(fēng)現(xiàn)象；周邊市政道路與項目地塊的建筑布局均能很好迎合本地過渡季節(jié)主導(dǎo)風(fēng)向，有利于場區(qū)內(nèi)部的通風(fēng)和污染物消散；但在低層商業(yè)內(nèi)區(qū)、兩側(cè)等區(qū)域風(fēng)速小于0.5m/s，不利于夏季場地蓄積的熱量和污染物的消散；冬季工況條件下，建筑周圍風(fēng)速基本處于0.1～3.5m/s，人行區(qū)風(fēng)速低于5m/s，不會對建筑周邊的行人舒適性造成不利影響；夏季和冬季工況條件下，項目風(fēng)速放大系數(shù)均保持在0.1～1.8之間，而在過渡季大風(fēng)工況局部如高層辦公建筑兩側(cè)風(fēng)速放大系數(shù)均已達(dá)到或超過標(biāo)準(zhǔn)限值，應(yīng)采取適當(dāng)措施進(jìn)行防風(fēng)導(dǎo)風(fēng)。

2.2風(fēng)壓

對項目過渡季和冬季工況建筑表面風(fēng)壓進(jìn)行分析，結(jié)果如圖8-圖9所示。通過分析可以得出：項目商業(yè)建筑迎背風(fēng)面壓力條件有利于組織建筑室內(nèi)過渡季間歇性的自然通風(fēng)。項目高層建筑前后表面風(fēng)壓約在3.0～10.0Pa之間，且隨著高度增高，壓差也隨之加大。建筑高區(qū)組織自然通風(fēng)，應(yīng)防止通風(fēng)速度過大帶來的不利影響；過渡季節(jié)主導(dǎo)工況因建筑布局與主導(dǎo)風(fēng)向平行且建筑高度較低，項目低層商業(yè)建筑正立面前后壓差較小，建議在過渡季節(jié)適當(dāng)增加側(cè)向開窗面積以提高自然通風(fēng)利用效率；冬季工況項目高層建筑前后表面約在2.0～25.0Pa之間，室外風(fēng)環(huán)境深刻影響建筑室內(nèi)風(fēng)環(huán)境，故應(yīng)注重冬季防風(fēng)，減少氣流滲透，有效降低采暖能耗。

3　熱環(huán)境分析

3.1人行區(qū)溫度

對項目9、12、15、18時場地?zé)岘h(huán)境進(jìn)行分析，其中各工況分析結(jié)果如圖10-圖13所示。通過分析可以得出：9點工況項目人行區(qū)溫度基本都在27.0～33.0℃左右，溫升情況在行人體感溫度接受范圍內(nèi)；由于低層商業(yè)附近通風(fēng)條件較差，可以看出此時起場區(qū)熱量即開始蓄積，溫度約在31.0～37.0之間；12點工況和15點工況項目人行區(qū)溫度基本在31.0～35.0℃左右，低層商業(yè)局部通風(fēng)條件較差的區(qū)域溫度可以達(dá)到39.0左右，此時的場區(qū)的熱舒適度較差，建議采取活動遮陽或增加水景等措施改善熱環(huán)境；18點工況項目人行區(qū)溫度基本都在26.0～28.0℃左右，整個場區(qū)溫度波動幅度較小，此時行人感覺較為舒適。

3.2建筑表面溫度

對項目9、12、15、18時建筑表面熱環(huán)境進(jìn)行分析，其中各工況分析結(jié)果如圖14-圖17所示。通過分析可以得出：9點工況場地表面溫度在28～38℃之間，建筑表面溫度在30～48℃之間，場地表面溫度有一定幅度升高，道路和場地內(nèi)硬質(zhì)鋪裝呈現(xiàn)出的差異較為明顯；12點工況和15點工況項目場地表面溫度在30～45℃之間，建筑表面溫度在39～55℃之間，低層大商業(yè)建筑屋頂接受的太陽輻射較多，風(fēng)速相對于高層建筑屋頂?shù)?，故表面溫度較高，不適宜進(jìn)行室外活動或做外擺位開發(fā)；18點工況場地表面溫度在26～28℃之間，建筑表面溫度在28～34℃之間，場地與建筑表面溫度升高幅度較小，說明風(fēng)速變大后，場地溫度降低效果明顯。

4　結(jié)論及建議

根據(jù)以上風(fēng)熱環(huán)境分析可知，項目室外風(fēng)環(huán)境設(shè)計基本能夠滿足有關(guān)風(fēng)速、風(fēng)壓及風(fēng)速放大系數(shù)的要求；公共建筑受制于其周邊綠化、鋪裝條件，項目場地?zé)岘h(huán)境不盡人意，經(jīng)分析提出以下建議：

3.2.3 注射前排盡空氣執(zhí)行率低 《中國糖尿病藥物注射技術(shù)指南2011版》［8］中明確要求:為保證藥液通暢并消除針頭死腔，應(yīng)按廠家說明書推按注射筆按鈕，確保至少1滴藥液掛在針尖上。表3顯示，患者對"注射前缺乏再次排氣"操作步驟的執(zhí)行效果較差，僅有29.7% 的患者做到。該結(jié)果與國內(nèi)同類研究［9，11-12］的結(jié)果相一致。這說明患者對排氣的意識極其淡薄，這一不規(guī)范操作將造成注射劑量不準(zhǔn)，從而影響治療效果。

（1）夏季戶外活動場地應(yīng)有遮陽。

建議布置位置：項目低層商業(yè)地塊內(nèi)區(qū)、沿街商業(yè)入口處、及距建筑外立面周邊3～5m范圍內(nèi)，另需結(jié)合項目立面效果進(jìn)行整體設(shè)計。

建議遮陽方式：采用固定式棚、架、膜結(jié)構(gòu)等構(gòu)筑物遮陽方式，或采用綠化和構(gòu)筑物混合遮陽方式。

（2）合理設(shè)計屋頂綠化或垂直綠化改善場區(qū)熱環(huán)境。

建筑布置位置：多層大型商業(yè)頂部空間、低層商業(yè)西側(cè)和南側(cè)立面。

建議綠化方式：屋頂綠化宜采用生命力強(qiáng)、易于管理的植物；墻面綠化宜采用葉片重疊覆蓋率較高的爬藤植物。

（3）采取蒸發(fā)降溫以改善場地?zé)岘h(huán)境。

建議設(shè)計方式：擴(kuò)大項目水景面積、室外休憩停留場所中午時段采用人工霧化降溫。停車場地和人行道路等建議考慮有雨水滲透和蒸發(fā)能力的地面鋪裝。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊易，金新陽，楊立國.高層建筑群行人風(fēng)環(huán)境模擬與優(yōu)化設(shè)計研究[J].建筑科學(xué)，2011（1）.

[2]王翠云.基于遙感和CFD技術(shù)的城市熱環(huán)境分析與模擬——以蘭州市為例[D].蘭州：蘭州大學(xué)，2008.

[3]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.JGJ286-2013城市居住區(qū)熱環(huán)境設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2014.

[4]重慶市城鄉(xiāng)建設(shè)委員會.DBJ/T50-066-2009綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)[S].重慶：2014.

[5]中國氣象局氣象信息中心氣象資料室，清華大學(xué)建筑技術(shù)科學(xué)系.中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005：147-148

責(zé)任編輯：孫蘇

信息快讀

住房城鄉(xiāng)建設(shè)部印發(fā)指導(dǎo)意見推進(jìn)BIM應(yīng)用

為滿足發(fā)展需要，住房城鄉(xiāng)建設(shè)部工程質(zhì)量安全監(jiān)管司于2012年開始組織有關(guān)協(xié)會學(xué)會、高校、設(shè)計和施工單位開展相關(guān)課題研究，在總結(jié)研究成果基礎(chǔ)上，著手起草有關(guān)文件，并充分征求吸收各方意見，形成了《指導(dǎo)意見》。

《指導(dǎo)意見》明確了BIM應(yīng)用的基本原則，即“企業(yè)主導(dǎo)，需求牽引；行業(yè)服務(wù)，創(chuàng)新驅(qū)動；政策引導(dǎo)，示范推動”。

《指導(dǎo)意見》同時提出了發(fā)展目標(biāo)：到2020年年底，建筑行業(yè)甲級勘察、設(shè)計單位以及特級、一級房屋建筑工程施工企業(yè)應(yīng)掌握并實現(xiàn)BIM與企業(yè)管理系統(tǒng)和其他信息技術(shù)的一體化集成應(yīng)用。以國有資金投資為主的大中型建筑以及申報綠色建筑的公共建筑和綠色生態(tài)示范小區(qū)新立項項目勘察設(shè)計、施工、運營維護(hù)中，集成應(yīng)用BIM的項目比率達(dá)到90％。

《指導(dǎo)意見》強(qiáng)調(diào)BIM的全過程應(yīng)用，指出要聚焦于工程項目全生命期內(nèi)的經(jīng)濟(jì)、社會和環(huán)境效益，在規(guī)劃、勘察、設(shè)計、施工、運營維護(hù)全過程普及和深化BIM應(yīng)用，提高工程項目全生命期各參與方的工作質(zhì)量和效率，并在此基礎(chǔ)上，針對建設(shè)單位、勘察單位、規(guī)劃和設(shè)計單位、施工企業(yè)和工程總承包企業(yè)以及運營維護(hù)單位的特點，分別提出BIM應(yīng)用要點。要求有關(guān)單位和企業(yè)要根據(jù)實際需求制訂BIM應(yīng)用發(fā)展規(guī)劃、分階段目標(biāo)和實施方案，研究覆蓋BIM創(chuàng)建、更新、交換、應(yīng)用和交付全過程的BIM應(yīng)用流程與工作模式，通過科研合作、技術(shù)培訓(xùn)、人才引進(jìn)等方式，推動相關(guān)人員掌握BIM應(yīng)用技能，全面提升BIM應(yīng)用能力。

此外，《指導(dǎo)意見》還提出了7項保障措施，包括宣傳BIM理念、意義、價值，梳理、修訂、補(bǔ)充有關(guān)法律法規(guī)，建立BIM應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)體系，自主研發(fā)適合我國國情的BIM應(yīng)用軟件，培育BIM應(yīng)用產(chǎn)業(yè)化示范基地和產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，培訓(xùn)BIM應(yīng)用人才，研究基于BIM的工程監(jiān)管模式。

《指導(dǎo)意見》為進(jìn)一步推動BIM在我國建筑領(lǐng)域的應(yīng)用，支撐建筑行業(yè)技術(shù)升級，變革生產(chǎn)方式，創(chuàng)新管理模式奠定了堅實的基礎(chǔ)?？梢灶A(yù)見，隨著《指導(dǎo)意見》的貫徹落實，我國建筑領(lǐng)域?qū)⑦M(jìn)一步掀起B(yǎng)IM應(yīng)用的熱潮，不斷推動我國建筑業(yè)轉(zhuǎn)型升級和健康持續(xù)發(fā)展。（住建部門戶網(wǎng)）

作者簡介：杜曉磊（1988-），男，河南禹州人，研究生，助理工程師，主要從事綠色建筑咨詢工作。

收稿日期：2015-10-16

doi：10.3969/j.issn.1671-9107.2016.01.017

中圖分類號：TU111

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1671-9107（2016）01-0017-04