劉曉群
(福建建工集團總公司福建福州350025)
住宅小區(qū)迎風(fēng)面積比及架空率設(shè)計研究
——基于室外風(fēng)環(huán)境優(yōu)化
劉曉群
(福建建工集團總公司福建福州350025)
合理地利用自然通風(fēng),可以降低耗能,改善室內(nèi)空氣品質(zhì)。文章分析了自然通風(fēng)的主要影響因素,采用PHOENICS作為工具,研究了某典型住宅小區(qū)的迎風(fēng)面積比、架空率等規(guī)劃設(shè)計參數(shù)對室外風(fēng)環(huán)境的影響,并提出了住宅小區(qū)室外風(fēng)環(huán)境優(yōu)化設(shè)計時的迎風(fēng)面積比、架空率的取值范圍。
風(fēng)環(huán)境;住宅小區(qū);PHOENICS;迎風(fēng)面積比;架空率
在建筑室外環(huán)境的舒適度中,建筑室外風(fēng)環(huán)境是一個重要的組成部分,是判定小區(qū)建筑規(guī)劃優(yōu)劣的主要指標(biāo)之一,若能夠合理地利用自然通風(fēng),可以降低建筑能耗、改善室內(nèi)空氣品質(zhì)等[1]。由于自然通風(fēng)的實現(xiàn)是一種依賴于建筑設(shè)計的被動式方法,因此其應(yīng)用效果很大程度上依賴于建筑的朝向、平面布局等因素。由于自然通風(fēng)在實際應(yīng)用中的眾多不確定性,目前關(guān)于自然通風(fēng)在建筑中的應(yīng)用研究仍主要集中在對技術(shù)理念的研究,而對于具體的應(yīng)用效果缺乏相關(guān)的具體數(shù)據(jù)說明[2]。所以,在自然通風(fēng)優(yōu)化設(shè)計方面進行研究,得出規(guī)劃布局參數(shù)與自然通風(fēng)效果的一般規(guī)律是很有必要的。
強調(diào)居住區(qū)良好的自然通風(fēng)主要有兩個目的:一是為了改善居住區(qū)熱環(huán)境,增加熱舒適感,體現(xiàn)以人為本的設(shè)計思想;二是為了提高空調(diào)設(shè)備的效率,因為居住區(qū)良好的通風(fēng)和熱島強度的下降可以提高空調(diào)設(shè)備的冷凝器的工作效率,有利于節(jié)省設(shè)備的運行能耗[3]。住宅小區(qū)是現(xiàn)代建筑群的主要形式之一,小區(qū)所處的地形地貌、建筑群布局方式、建筑體型、建筑間距、風(fēng)向角等對室外風(fēng)環(huán)境有著重要的影響。此外,由于自然通風(fēng)設(shè)計不合理引發(fā)的問題也很常見,比如:高大建筑周邊會出現(xiàn)局部風(fēng)速增大、產(chǎn)生渦流等情況,將對行人造成不適感,甚至危及行人安全;而高層建筑密集的區(qū)域,由于建筑布局不當(dāng)或體型設(shè)計不合理會導(dǎo)致渦流和氣流死區(qū),影響建筑群內(nèi)的通風(fēng)、污染氣體的排出和夏季的散熱[4]。
所以,建筑小區(qū)自然風(fēng)與項目所在地地形地貌、建筑群布局方式、建筑體型、建筑間距、風(fēng)向角等有關(guān),其中項目所在地地形地貌是客觀存在的條件,且因項目場址不同而會有所差異,所以對該因素進行優(yōu)化不存在普遍適用性,也不現(xiàn)實;建筑群布局方式、建筑體型、建筑間距、風(fēng)向角等應(yīng)該是建筑自然通風(fēng)優(yōu)化的重點,為了簡化研究過程,并考慮建筑規(guī)劃設(shè)計時的可操作性,將建筑小區(qū)迎風(fēng)面積比、建筑底層通風(fēng)架空率作為主要研究內(nèi)容,分析其對室外風(fēng)環(huán)境的影響,并為合理化設(shè)計提供依據(jù)。
自然通風(fēng)的分析方法主要可分為4大類:簡單的分析及經(jīng)驗方法、Single-zone與Multi-zone方法、OZnal模型法、計算流體動力學(xué)(Computational Fluid Dynamics,簡稱CFD)方法,其中第一種方法是較傳統(tǒng)的方法,后3種方法均屬于計算分析法[5]。傳統(tǒng)的自然通風(fēng)設(shè)計方法是通過對風(fēng)玫瑰圖的分析利用和氣候分區(qū)的要求解讀,根據(jù)建筑師的經(jīng)驗來粗略設(shè)計,不能精確地反映建筑的微環(huán)境和解決自然通風(fēng)問題。而CFD可以為建筑師提供自然通風(fēng)的定量分析與評估,從而為建筑風(fēng)環(huán)境設(shè)計提供更精確和直觀的科學(xué)依據(jù),對建筑的方案優(yōu)化起著重要作用[6]。近年來CFD已經(jīng)越來越多地在各類民用建筑自然通風(fēng)中應(yīng)用,而PHOENICS軟件是世界上第一套CFD商業(yè)軟件,常用于流體流動和熱傳輸?shù)哪M計算[7],也是當(dāng)前用于自然通風(fēng)研究的主要分析軟件之一[8]。本研究將以PHOENICS作為研究工具,通過模擬分析等,對建筑小區(qū)的自然通風(fēng)進行優(yōu)化。
2.1研究對象
選取研究對象為福建閩西某一典型高層住宅小區(qū)(含部分商業(yè)配套),小區(qū)占地30 666.66m2,總建筑面積約為15萬m2。該項目涵蓋的建筑有多層和高層,塔式和板式相結(jié)合,既有住宅又有公共建筑,是比較典型的小區(qū)。在項目初步設(shè)計時,考慮項目所在地的風(fēng)環(huán)境條件,采用簡單的分析及經(jīng)驗方法對項目進行了總平布局的優(yōu)化,項目總體采用南高北低、錯列布置的方案,以保證夏季偏南風(fēng)較好地進入小區(qū),同時防護小區(qū)免受偏北風(fēng)的襲擾。住宅小區(qū)建筑效果圖,如圖1所示。
2.2計算模型及邊界條件
(1)計算模型
由于采用PHOENICS軟件進行模擬計算需要輸入研究對象的計算模型,即將項目的實際條件轉(zhuǎn)換成計算機可以識別、運行并計算分析的幾何模型、物理模型和數(shù)學(xué)模型,所以在計算分析前,須進行必要的簡化處理,將影響小區(qū)自然通風(fēng)的主要因素及邊界條件進行量化。根據(jù)本住宅小區(qū)的總平面圖的布置情況,將住宅小區(qū)中的建筑按1∶1的比例建立室外通風(fēng)幾何模型,如圖2所示。關(guān)于建筑自然通風(fēng)的物理模型和數(shù)學(xué)模型,可做以下基本假設(shè):小區(qū)室外的氣流為不可壓縮常物性牛頓流體,考慮質(zhì)量力的影響,流動為單相湍流運動。根據(jù)該假設(shè),采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型進行模擬[9-10]。
(2)計算邊界條件
主導(dǎo)風(fēng)向及風(fēng)速:該項目地處閩西,具有內(nèi)陸山地的特殊地理和氣候特點。依據(jù)該住宅小區(qū)所在地典型氣象年的風(fēng)環(huán)境氣象數(shù)據(jù),如表1所示,該項目所在地夏季最多風(fēng)向為東南風(fēng),冬季最多風(fēng)向為西北風(fēng),故主導(dǎo)風(fēng)向設(shè)置為夏季東南風(fēng),平均風(fēng)速1.7m/ s,冬季西北風(fēng),平均風(fēng)速3.3m/s[11]。
圖1 住宅小區(qū)的效果圖
圖2 室外風(fēng)環(huán)境分析的幾何模型
表1 項目所在地風(fēng)環(huán)境氣象數(shù)據(jù)
城市梯度風(fēng):在大氣邊界層中,越接近于地面風(fēng)速越小,只有大約在300m~500m以上的高度,風(fēng)速才不受地面粗糙度的影響而可以自由流動,形成梯度風(fēng)。氣象臺站記錄的風(fēng)速一般是指在地面上10m~15m處測得的風(fēng)速。風(fēng)速和高度的關(guān)系可依據(jù)經(jīng)驗公式確定,并按式(1)計算不同高度處的風(fēng)速[12]:
式中,z0、z分別為計算高度和基準(zhǔn)高度,m;vz為計算高度為z處的風(fēng)速,m/s;v0為基準(zhǔn)高度z0處的風(fēng)速,m/s;α為不同地貌相應(yīng)的地面粗糙指數(shù),主要與測定地點的地面粗糙度和溫度垂直梯度有關(guān),該項目取0.14。
2.3評價方法
對于住宅小區(qū)來說,一般以離地面高度1.5m處的風(fēng)速來評價風(fēng)環(huán)境的舒適性。不同的人體活動對風(fēng)速的要求也是存在差異的,但均應(yīng)以不影響人們正常室外活動為基本要求。已有研究表明,行走時風(fēng)速以不超過5m/s為宜,站立時風(fēng)速以不超過3.9m/s為宜[13]。本研究側(cè)重點為室外風(fēng)環(huán)境,在這種條件下,人體大多數(shù)情況下處于行走狀態(tài),故本研究取5m/s為風(fēng)速舒適度的上限。此外,考慮本項目所在地氣候條件,需要一定的風(fēng)速來維持舒適性,一般在風(fēng)速小于1m/s時,人體對風(fēng)速的感覺表現(xiàn)為“不易察覺”[14],所以本研究取1m/s為風(fēng)速舒適度的下限,這也是保持室外通風(fēng)順暢、利于室外散熱和污染物的消散的基本要求。
當(dāng)小區(qū)某室外區(qū)域的風(fēng)速處于1m/s~5m/s范圍外時,認(rèn)為風(fēng)環(huán)境不夠理想,列入非期望面積,該面積與小區(qū)總面積的比值定義為非期望面積率。本研究將非期望面積率作為小區(qū)室外通風(fēng)的評價指標(biāo),即非期望面積率越小的風(fēng)環(huán)境越優(yōu)越,反之越差。
3.1小區(qū)迎風(fēng)面積比
小區(qū)迎風(fēng)面積比是指迎風(fēng)面與整個住宅小區(qū)的總表面積的比值。通過模擬計算不同風(fēng)向角下的小區(qū)室外風(fēng)環(huán)境,進而分析夏季和冬季不同迎風(fēng)面積比對小區(qū)風(fēng)環(huán)境的影響,從而確定合理的小區(qū)迎風(fēng)面積比區(qū)間。不同風(fēng)向角下所對應(yīng)的平均迎風(fēng)面積比,如表2所示。
表2 不同風(fēng)向角下所對應(yīng)的平均迎風(fēng)面積比
通過模擬計算得出該小區(qū)在不同的迎風(fēng)面積比與非期望面積率的關(guān)系,得出迎風(fēng)面積比—非期望面積率曲線,如圖3所示,圖中可以看出,迎風(fēng)面積比對室外風(fēng)環(huán)境的影響十分顯著,不同的迎風(fēng)面積比的情況下,非期望面積率在15%~70%之間變化;夏季平均迎風(fēng)面積比為0.38左右時,非期望面積率最低,大于0.38時,非期望面積率有明顯的提高;冬季平均迎風(fēng)面積比在0.1~0.38時非期望面積率大致呈正比例關(guān)系,大于0.38時,比例系數(shù)明顯變大且非期望面積率增大。因此,對比夏季和冬季的非期望面積率曲線,合理的小區(qū)迎風(fēng)面積比區(qū)間為0.1~0.38??紤]到較大的迎風(fēng)面積比對夏季單體建筑獲得較好的風(fēng)壓和形成室內(nèi)自然通風(fēng)有利,所以該小區(qū)在規(guī)劃設(shè)計中,以迎風(fēng)面積比為0.38作為最終設(shè)計參數(shù),此時的風(fēng)向角為50°,則在東南風(fēng)的條件下,對應(yīng)的建筑最佳朝向為南偏西5°的朝向。
圖3 迎風(fēng)面積比—非期望率曲線
圖4 底層架空率—非期望面積率曲線
3.2小區(qū)建筑底層通風(fēng)架空率
建筑底層通風(fēng)架空率是指架空層的底面積與整個住宅小區(qū)的占地總面積的比值。通過模擬計算不同建筑架空率下的小區(qū)室外風(fēng)環(huán)境,進而分析夏季和冬季主導(dǎo)風(fēng)向下不同通風(fēng)架空率對小區(qū)室外風(fēng)環(huán)境的影響,從而確定合理的建筑底層通風(fēng)架空率的區(qū)間。
通過模擬計算得出該小區(qū)在不同的建筑架空率與非期望面積率的關(guān)系,得出架空率—非期望曲線,如圖4所示,圖中可以看出,底層架空率對室外風(fēng)環(huán)境的影響要小于迎風(fēng)面積比,其夏季變化區(qū)間約在17%~31%之間;夏季和冬季的非期望面積率在架空率為0%~20%時均基本維持不變;架空率為21%~50%時均呈一定規(guī)律下降;架空率為51%~67%時,夏季的非期望面積率下降幅度變化漸趨平緩,而冬季的非期望面積率有增加趨勢;架空率為68%~100%時,夏季和冬季的非期望面積率均呈現(xiàn)一定的波動,且架空率為100%時都達到最低值。所以,小區(qū)的架空率控制在51%~100%范圍內(nèi)的非期望面積率雖然會產(chǎn)生一定的波動,但就其變化整體趨勢來說是對室外自然通風(fēng)比較有利;另一方面,建筑的架空率越高,對建筑場地的有效利用越不利,因此宜選擇合適的架空率。就該小區(qū)而言,在規(guī)劃設(shè)計中以架空率為67%作為最終設(shè)計參數(shù)。此外,該小區(qū)較高的架空率設(shè)計,還能提高建筑防潮性能、設(shè)置底層架空綠化及公共活動空間等,為改善室內(nèi)外人居環(huán)境提供有利條件。
3.3小區(qū)風(fēng)環(huán)境優(yōu)化
通過以上研究,得出該小區(qū)迎風(fēng)面積比按0.38設(shè)計、建筑底層架空率按67%設(shè)計時建筑室外風(fēng)環(huán)境較好,如圖5和圖6所示。從圖5~圖6可以看出,夏季小區(qū)的風(fēng)速分布絕大部分在1.4m/s~3.1m/s范圍內(nèi),屬于比較舒適的范圍;冬季小區(qū)大部分區(qū)域的風(fēng)速在1.0m/s~5.0m/s范圍內(nèi),屬于可以接受的范圍,但局部風(fēng)速達到5m/s以上,如圖6所示,仍需采取防風(fēng)措施,可通過合理設(shè)計,將人員活動區(qū)域避開風(fēng)環(huán)境較差的區(qū)域,或采用導(dǎo)風(fēng)墻或綠化帶等措施進一步優(yōu)化風(fēng)環(huán)境設(shè)計。
圖5 優(yōu)化設(shè)計后的夏季的通風(fēng)效果
通過對典型住宅小區(qū)的建筑風(fēng)環(huán)境分析可知,建筑的迎風(fēng)面積比、底層架空率對風(fēng)環(huán)境的影響十分顯著。通過合理設(shè)計,提出最優(yōu)迎風(fēng)面積比和架空率設(shè)計值或取值范圍,將有效優(yōu)化建筑小區(qū)室外風(fēng)環(huán)境,為創(chuàng)造良好的室外居住環(huán)境提供有利條件。
圖6 優(yōu)化設(shè)計后的冬季的通風(fēng)效果
[1]溫昕宇.室外風(fēng)環(huán)境CFD模擬在小區(qū)規(guī)劃建設(shè)中的應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報,2010(29):113-114.
[2]丁勇,李百戰(zhàn),沈艷,等.建筑平面布局和朝向?qū)κ覂?nèi)自然通風(fēng)影響的數(shù)值模擬[J].土木建筑與環(huán)境工程,2010,32(01):90-95.
[3]JGJ75-2012夏熱冬暖地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2015.
[4]徐進欣,薛一冰,范斌.基于PHOENICS的住區(qū)室外風(fēng)環(huán)境數(shù)值模擬研究——以濰坊市某小區(qū)為例[J].建筑節(jié)能,2015,43(09):67-70.
[5]喻李葵,陽麗娜,周軍莉,等.自然通風(fēng)潛力分析研究進展[J].制冷空調(diào)與電力機械,2004,25(04):18-22.
[6]郭衛(wèi)宏,劉驍,袁旭.基于CFD模擬的綠色建筑自然通風(fēng)優(yōu)化設(shè)計研究[J].建筑節(jié)能,2015,43(09):45-52.
[7]項欽之.CFD領(lǐng)域中PHOENICS軟件介紹[J].軟件,1995(6):25-33.
[8]王菲,肖勇全.應(yīng)用PHOENICS軟件對建筑群風(fēng)環(huán)境的模擬和評價[J].山東建筑工程學(xué)院學(xué)報,2005,20(05): 39-42.
[9]管兵,胥仁海,喻錕.基于PHOENICS的辦公樓通風(fēng)效果的數(shù)值研究[J].湖南理工學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版),2013,26(04):71-75.
[10]張敏敏,付祥釗,張慧玲,等.建筑通風(fēng)間距在重慶市小區(qū)規(guī)劃設(shè)計中的應(yīng)用[J].重慶建筑,2008(08):4-7.
[11]JGJ/T 346-2014建筑節(jié)能氣象參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2015.
[12]李曉彬,李崢嶸,趙群,等.上海市建筑群布置對自然通風(fēng)的影響分析[J].建筑節(jié)能,2013,41(07):12-15.
[13]石邢,李艷霞.面向城市設(shè)計的行人高度城市風(fēng)環(huán)境評價準(zhǔn)則與方法[J].西部人居環(huán)境學(xué)刊,2015(05):22-27.
[14]宋德萱.建筑環(huán)境控制學(xué)(1版)[M].南京:東南大學(xué)出版社,2003:81-86.
The frontal area ratio and ventilation area ratio design for residential quarter——based on wind environment optimization
LIU Xiaoqun
(Fujian Construction Engineering Group General Corporation,F(xiàn)uzhou 350025)
Reasonable use of natural ventilation can reduce energy consumption and improve indoor air quality.Using PHOENICS as a tool,this paper analyzed the main influencing factors of natural ventilation such as frontal area ratio and ventilation area ratio in a typical residential quarter.And then,the values range of the frontal area ratio and ventilation area ratio for outdoor wind environment optimization of residential district is put forward.
Wind environment;Residential quarter;PHOENICS;Frontal area ratio;Ventilation area ratio
TU201.5
:A
:1004-6135(2017)01-0009-04
劉曉群(1965.2-),男,高級工程師,一級建造師。
E-mail:liuxiaoqun0205@163.com
2016-11-09