文/山東建筑大學熱能工程學院 張澤超 楊 冬

中建八局第四建設有限公司 林 鑫 賈云鵬

0 引言

隨著城市化進程加速，住宅小區(qū)建設迅速推進，人們越來越追求生活舒適度，關注點集中于建筑布局與風、光、熱、聲環(huán)境。目前，我國正全力推進綠色城市、低碳城市建設，而建筑風環(huán)境是室外物理環(huán)境品質的重要指標[1]，良好的外部風環(huán)境有助于自然通風[2]，降低環(huán)境污染，提高空氣品質，保障居民健康。建筑風環(huán)境影響人們在室外環(huán)境的舒適度，王藝[3]基于CFD軟件對濟南市某小區(qū)進行風環(huán)境中的模擬研究，昝池等[4]對住宅區(qū)進行冬季建筑風環(huán)境分析，但上述研究多基于單個季節(jié)的風環(huán)境分析，未結合小區(qū)整體冷期與熱期的風環(huán)境考量，故有必要對小區(qū)建筑外部風環(huán)境展開全面研究。

傳統(tǒng)風洞試驗和模型試驗花費較多且試驗周期較長，利用計算機軟件進行風環(huán)境模擬（CFD）是近年來新興且極重要的風環(huán)境研究辦法，具有方便快捷的優(yōu)勢，能極大節(jié)約試驗時間與成本，排除人工采集試驗數(shù)據(jù)的影響，可使試驗結果更精確。

目前針對住宅小區(qū)風環(huán)境的研究較少，本文通過CFD軟件對沿海城市青島市某典型住宅小區(qū)進行冬夏兩季室外風環(huán)境模擬研究，針對試驗結果進行建筑外風環(huán)境分析，驗證小區(qū)設計合理性，并提出少許改善建議，為類似工況的建筑外部風環(huán)境考量提供一定依據(jù)。

1 研究內容

1.1 項目概況

項目位于山東省青島市即墨城區(qū)西出入口，地理位置為北緯36°，東經120°，地塊形狀為通風效果較好的矩形地塊[5]，容積率2.50。規(guī)劃建設20棟住宅建筑，1棟物業(yè)用房與1棟幼兒園建筑，建筑高度與層數(shù)如表1所示，項目鳥瞰如圖1所示。

表1 建筑高度與層數(shù)

圖1 項目鳥瞰

1.2 模擬軟件

研究基于HY-CFD軟件，HY-CFD是以BIM或CAD模型為基礎，以計算流體力學類庫OpenFoam作為模擬引擎的室內外環(huán)境模擬分析類軟件，可用于優(yōu)化設計方案，復雜的計算流體力學知識轉變?yōu)楹唵蔚陌粹o操作和參數(shù)輸入。

1.3 小區(qū)模型構建

建立模型時對小區(qū)表面進行簡化，僅保留形體外部凹凸變化[6]；計算域選取過大或過小均會導致計算結果出現(xiàn)偏差，在綜合考慮計算時間與流場發(fā)展的情況下[7-8]，參照JGJ／T 449-2018《民用建筑綠色性能計算標準》中建模域與計算域的確定原則[9]，x，y，z方向上放大倍數(shù)均取4H，取得計算域尺寸大小1257.51m×1123.98m×409.25m（長×寬×高），最終得到的網格總數(shù)為2209385。

1.4 環(huán)境條件設置

采用山東省青島市氣象資料，依據(jù)G B 50736-2012《民用建筑供暖通風與空氣調節(jié)設計規(guī)范》中的氣象參數(shù)，如表2所示。

表2 青島市氣象參數(shù)

1.5 其他計算參數(shù)設置

選擇合適的湍流模型可最大限度模擬真實的流場數(shù)值，本次選擇RNGk-ε湍流模型，原因在于住宅小區(qū)空氣流動為低速湍流[10]，空氣可視為不可壓縮，氣流與建筑物形成限制流，而RNGk-ε模型對于有壁面約束的限制流預測結果較為準確，試驗結果更吻合風洞試驗；梯度風類型選擇為指數(shù)型，地面粗糙度指數(shù)為0.22，步長設置為1，迭代次數(shù)設置為1000次。

2 模擬結果分析

2.1 冬季模擬結果

導出軟件模擬數(shù)據(jù)，得到該小區(qū)距地面1.5m處人行區(qū)的風速云圖、風速放大系數(shù)圖、風壓圖及空氣齡圖，圖中顏色由藍到紅代表數(shù)值的逐漸增大（見圖2～5）。

圖2 冬季風速

圖3 冬季風速放大系數(shù)

圖4 冬季風壓

圖5 冬季空氣齡

根據(jù)模擬結果可見，在青島市冬季典型風氣象參數(shù)下，正迎風面建筑表面及2棟樓體中間過道處出現(xiàn)“角部效應”和“狹管效應”，風速較大，這些區(qū)域不適宜人員長期逗留。小區(qū)距地面1.5m處人行區(qū)，約有87%的區(qū)域風速小于5.0m/s，人行高度區(qū)域通風順暢，冬季風環(huán)境較好，這些區(qū)域滿足標準要求，基本不影響人體舒適度；大部分區(qū)域風速處于1.0～3.0m/s與4.0～4.5m/s之間，處于人體舒適度范圍要求內，不需采取控制措施。由圖3可知，計算域內絕大多數(shù)區(qū)域的風速放大系數(shù)均小于2，風速放大系數(shù)超越2的區(qū)域面積占比不足1%，依據(jù)GB/T 50378-2019《綠色建筑評價標準》得1分[11]。除冬季迎風面建筑前后壓差較大外，其余建筑迎背風面壓差均小于5Pa，依據(jù)標準得1分。根據(jù)圖5，可得出該建筑群空氣齡分布較均勻，空氣無明顯滯留，空氣品質良好。

為保證冬季防風保暖要求，街區(qū)內部風速相對保持較低水準，同時為保證污染物及垃圾異味的疏通，須保持在1m/s以上的風速，經綜合考慮，以1～5m/s的風速區(qū)間為優(yōu)，該小區(qū)風速區(qū)間在1～5m/s的區(qū)域約占總面積的78%。該小區(qū)冬季風速較大區(qū)域均出現(xiàn)于建筑迎風面2棟樓之間的過道與樓角處，原因為來流疊加所形成的湍流風；總體約9%區(qū)域出現(xiàn)風速小于1m/s狀況，主要集中于建筑背風面樓體中部位置，這些區(qū)域因建筑物本身阻擋了冬季寒風，但風速過小導致區(qū)域排風不順暢。

2.2 夏季模擬結果

導出軟件模擬數(shù)據(jù)，得到該小區(qū)距地面1.5m處人行區(qū)的夏季風速云圖、風速放大系數(shù)圖、風壓圖及空氣齡圖，圖中顏色由藍到紅代表數(shù)值的逐漸增大（見圖6～9）。

圖6 夏季風速

圖7 夏季風速放大系數(shù)

圖8 夏季風壓

圖9 夏季空氣齡

在青島市夏季風氣象參數(shù)下，1.5m處人行高度區(qū)域風場較流暢，建筑物周邊人行區(qū)的風速均小于5.00m/s，最大風速4.97m/s，處于合理范圍內，弱風區(qū)較少，較適合室外活動，且1.5m處的風速放大系數(shù)均小于2.0，滿足《綠色建筑評價標準》要求，得2分。夏季最多風向情況下建筑前后靜壓差均大于5Pa，有利于夏季通風換氣，改善室內熱環(huán)境，一定程度上降低夏季空調能耗，滿足50%以上外窗室內外風壓差大于0.5Pa，得1分。建筑區(qū)域內空氣品質良好，空氣齡分布均勻。

從總體上看，約7%區(qū)域會出現(xiàn)風速小于1m/s狀況，主要集中于建筑物背風面兩側，這些區(qū)域的存在導致通風不順暢，影響行人舒適度，在風速較小情況下，區(qū)域熱島效應增強，積熱增多，使該區(qū)域的夏季空調能耗增大，導致能源浪費，可通過建立微型通風廊道的方式，將附近風流引入無風區(qū)，改善該區(qū)域的通風效果，同時可減弱區(qū)域熱島效應，在一定程度上降低夏季空調能耗負荷，增加該區(qū)域住戶的舒適度。小區(qū)內C1，C5，C9，B1，B4，B5號樓迎風角部及樓與樓之間的狹窄街區(qū)易出現(xiàn)較大風速，原因是夏季南向平行來風遇障礙樓體風速減小，水平方向來流與下行氣流相互疊加于建筑物表面形成迎風面的湍流風，出現(xiàn)“邊角大風現(xiàn)象”。最大風速出現(xiàn)于C1，C5兩樓之間的狹窄過道，依據(jù)文丘里效應，流體通過狹窄的斷面會導致流速增大，因此在兩樓狹窄過道處風速達到峰值，此處風速較大，不適于人員長時間逗留。小區(qū)C9，B5樓西側為較寬闊的大路，因此氣流更易抵達，而這兩棟樓東側有樓體阻擋氣流，因此樓外風速分布出現(xiàn)西大東小的特點。

3 結語

本文通過使用計算機進行CFD模擬仿真，對青島市即墨區(qū)某小區(qū)住宅建筑外部風環(huán)境進行模擬評價，得出以下結論。

1）從模擬結果可知，該小區(qū)總體風環(huán)境良好，冬季與夏季皆可保持區(qū)域內部85%以上的風速區(qū)間處于1～5m/s，冬夏時間無風區(qū)域占比小于2%，在常規(guī)冬夏季室外風環(huán)境參數(shù)下，除迎風面外，其余區(qū)域并未出現(xiàn)明顯的高風速或風流漩渦，表明該小區(qū)結構布局相對合理。

2）該小區(qū)冬季建筑北向迎風面樓體邊角與樓間過道風速較大，基于此，有必要采用在小區(qū)北向增加實心圍墻、種植樹木、增加建筑保溫層的措施，控制風速，減少冬季冷風對住戶的影響。該建筑室外風環(huán)境基本滿足規(guī)范要求，評分為5分。

3）構筑優(yōu)秀的建筑外部風環(huán)境是改善居民舒適度的重要方法，通過CFD軟件對建筑外部風環(huán)境進行仿真模擬，可在設計之初為建筑群的布局提供一定參考，為建設舒適節(jié)能的住宅建筑區(qū)提供理論依據(jù)。