建筑風(fēng)環(huán)境模擬在方案設(shè)計(jì)優(yōu)化中的應(yīng)用

邱 雁 玲

(中國建筑西南設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610093)

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建筑風(fēng)環(huán)境模擬在方案設(shè)計(jì)優(yōu)化中的應(yīng)用

邱 雁 玲

(中國建筑西南設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610093)

以某建筑群為例，采用計(jì)算流體力學(xué)法，模擬了夏季與冬季兩種工況下的室外風(fēng)環(huán)境，通過對(duì)速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)的分析，評(píng)價(jià)了現(xiàn)有設(shè)計(jì)方案下相關(guān)建筑周圍的室外風(fēng)環(huán)境質(zhì)量，并提出了優(yōu)化建議。

建筑群，室外風(fēng)環(huán)境，數(shù)值模擬，速度場(chǎng)，壓力場(chǎng)

0 引言

建筑風(fēng)環(huán)境研究集環(huán)境保護(hù)、城市氣候、城市規(guī)劃、建筑學(xué)等領(lǐng)域研究于一體，同光環(huán)境、聲環(huán)境、熱環(huán)境并列，在建筑環(huán)境設(shè)計(jì)中是非常重要的組成部分。建筑物周邊的地貌、地形，建筑物自身的結(jié)構(gòu)、尺寸、外形，以及相對(duì)其他建筑物的位置關(guān)系都是影響建筑風(fēng)環(huán)境的重要因素。如果在建筑設(shè)計(jì)和城市規(guī)劃中忽略建筑風(fēng)環(huán)境問題，就可能在一些特定天氣條件下對(duì)建筑自身、城市環(huán)境等帶來一系列不利的影響，或?qū)ㄖ陨砟承┕δ茉斐捎绊懀蛴绊懡ㄖ镏車h(huán)境帶給人們的舒適感，嚴(yán)重的情況下可能會(huì)在建筑物周圍造成風(fēng)害，對(duì)生命和財(cái)產(chǎn)造成巨大損失。此外，室內(nèi)風(fēng)環(huán)境還同室外風(fēng)環(huán)境有著深刻聯(lián)系，特別是室外風(fēng)環(huán)境對(duì)建筑自然通風(fēng)、建筑防風(fēng)等有著決定性影響。因此，在建筑設(shè)計(jì)階段，需分析建筑物之間位置關(guān)系等因素對(duì)室外風(fēng)環(huán)境的影響，評(píng)價(jià)建筑物室外風(fēng)環(huán)境。

1 數(shù)值計(jì)算

本文采取CFD(計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)，Computational Fluid Dynamics)的方法模擬評(píng)價(jià)建筑物室外風(fēng)環(huán)境狀況，原理是在構(gòu)建建筑物數(shù)學(xué)物理模型的基礎(chǔ)上，通過求解流體流動(dòng)控制方程、利用數(shù)字風(fēng)洞模擬實(shí)際流動(dòng)和通風(fēng)情況。軟件采用的是在多個(gè)領(lǐng)域得到準(zhǔn)確性驗(yàn)證的英國帝國理工大學(xué)開發(fā)的CFD軟件fluent[1]。

在初步分析建筑室外風(fēng)環(huán)境流場(chǎng)湍流特性后，基于Boussinesq假設(shè)，可建立描述其氣流運(yùn)動(dòng)特性的Reynolds時(shí)均的包括狀態(tài)方程、能量方程、連續(xù)性方程、動(dòng)量方程的控制方程組。為使方程封閉，湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)的K—ε雙方程模型。其控制方程組如下[2,3]：

(1)

其中，U為速度矢量；Γ為廣義擴(kuò)散系數(shù)；ρ為密度；Sφ為廣義源項(xiàng)；φ為通用因變量，代表特征尺寸l，湍流動(dòng)能耗散率ε，湍流動(dòng)能K，溫度t，湍流粘度w，速度u，運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)v。

將建筑模型導(dǎo)入計(jì)算軟件后并進(jìn)行三維流動(dòng)數(shù)值模擬后，可

得到建筑周邊的流場(chǎng)和建筑表面的壓力分布。為了簡(jiǎn)化建模，本文對(duì)模型做了部分簡(jiǎn)化，忽略了對(duì)風(fēng)壓分布影響較小的部分部件。CFD建筑模型示意圖見圖1。

通過項(xiàng)目所在地近50年來(1960年—2009年)的氣象站風(fēng)觀測(cè)資料，計(jì)算累年各月平均風(fēng)速可知，冬季室外最多風(fēng)向的平均風(fēng)速1.8 m/s，夏季為2.6 m/s。主導(dǎo)風(fēng)向季節(jié)變化明顯，夏季主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|南偏東風(fēng)，冬季主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲黠L(fēng)(見表1)。

表1 數(shù)值模擬工況 m/s

為了研究場(chǎng)地內(nèi)風(fēng)環(huán)境狀況，需要對(duì)冬夏兩季的場(chǎng)地內(nèi)人行區(qū)風(fēng)速，建筑物迎風(fēng)面和背風(fēng)面風(fēng)壓差進(jìn)行模擬。

經(jīng)過國內(nèi)外研究人員大量現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)以及調(diào)查統(tǒng)計(jì)，考慮室外平均風(fēng)速和脈動(dòng)風(fēng)速，提出了室外風(fēng)速的等級(jí)分類及效果以及行人的舒適感與風(fēng)速之間較為具體的關(guān)系，如表2所示[4]。

表2 室外風(fēng)速等級(jí)劃分及效果 m/s

另外，建筑單體想要獲得良好的通風(fēng)情況，其迎風(fēng)面和背風(fēng)面存在合理的壓力差是重要因素之一。在冬季典型風(fēng)向和風(fēng)速的條件下，建筑物迎風(fēng)面和背風(fēng)面表面壓力差不應(yīng)大于5 Pa。在夏季、過渡季典型風(fēng)向和風(fēng)速的條件下，可開啟外窗室內(nèi)及室外表面的壓力差應(yīng)大于0.5 Pa[5]。

2 結(jié)果與討論

2.1 夏季工況

從圖2風(fēng)速分布矢量圖中可以看出，建筑區(qū)域內(nèi)行人高度處(1.5 m)風(fēng)速較小，最大達(dá)到2.6 m/s。在這樣的室外風(fēng)場(chǎng)環(huán)境下，人體感覺到舒適。另一方面這樣的風(fēng)速也有利于空氣流通，從而提升建筑周圍的空氣質(zhì)量。場(chǎng)地內(nèi)無不利于污染物擴(kuò)散的漩渦或者無風(fēng)區(qū)。

在室外公共設(shè)施布局時(shí)，可參考風(fēng)速分布矢量圖，將人群密度大的活動(dòng)區(qū)域布置在風(fēng)速相對(duì)較大(不宜大于5 m/s)區(qū)域，可使活動(dòng)區(qū)域空氣流通良好，保證空氣質(zhì)量。垃圾站、機(jī)動(dòng)車停車場(chǎng)等易產(chǎn)生異味、廢氣的場(chǎng)所，宜布置在下風(fēng)區(qū)。

由圖3可見建筑物迎風(fēng)面和背風(fēng)面風(fēng)壓差最大處為9 Pa,部分建筑迎風(fēng)面和背風(fēng)面存在不明顯壓差。結(jié)合開口，現(xiàn)有的建筑布局可實(shí)現(xiàn)建筑室內(nèi)夏季以及過渡季節(jié)的自然通風(fēng)。

參照?qǐng)D3壓力分布圖，結(jié)合有目的的開口，可使室內(nèi)空氣產(chǎn)生流動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)室內(nèi)在夏季和過渡季節(jié)的自然通風(fēng)。壓力分布提供動(dòng)力，開口特點(diǎn)決定流動(dòng)阻力。在選擇開窗位置和決定開窗面積大小時(shí)，應(yīng)避免選擇壓力差過大的部位，如在這些部位直接對(duì)向開窗，會(huì)造成速度過大的穿堂風(fēng)，從而降低室內(nèi)居住環(huán)境的舒適性。合理的開窗位置在開窗位置存在壓差的同時(shí)，充分考慮室內(nèi)空氣在風(fēng)壓差作用下的流向，使室內(nèi)各空間都得到有效的換氣。

2.2 冬季1.8 m/s(W)

從圖4風(fēng)速分布矢量圖中可以看出，建筑區(qū)域內(nèi)行人高度處(1.5 m)風(fēng)速較小，均在3 m/s以下，在這樣的室外風(fēng)場(chǎng)環(huán)境下，人體感覺到舒適。另一方面這樣的風(fēng)速也利于空氣流通，進(jìn)而改善建筑附近的空氣質(zhì)量。建筑物周圍也沒有產(chǎn)生明顯不利于污染物擴(kuò)散的漩渦。

由圖5可看出，各建筑前后壓差較小，約3 Pa。這樣的壓力條件，有利于降低建筑在冬季因冷風(fēng)滲透所引起的供暖能耗損失。建議迎風(fēng)面在圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)加強(qiáng)氣密性，從而減少供暖損失。

3 結(jié)論與建議

通過對(duì)夏、冬兩個(gè)季節(jié)典型工況的模擬分析，根據(jù)分析結(jié)果，本文所模擬的建筑室外氣流組織可達(dá)到如下效果：

1)模擬結(jié)果顯示項(xiàng)目場(chǎng)地范圍內(nèi)在冬夏季工況下，場(chǎng)外風(fēng)速均小于3 m/s，滿足行人室外活動(dòng)的舒適性要求。2)場(chǎng)地內(nèi)不利于污染物擴(kuò)散的漩渦和無風(fēng)區(qū)。3)夏季工況下建筑物迎風(fēng)面和背風(fēng)面存在有利的風(fēng)壓差，此建筑布局可實(shí)現(xiàn)夏季的自然通風(fēng)，有利于降低空調(diào)冷負(fù)荷。4)冬季工況下建筑物迎風(fēng)面和背風(fēng)面的風(fēng)壓差小于5 Pa，有利于降低冬季供暖負(fù)荷。

另外，根據(jù)此次模擬結(jié)果，對(duì)建筑進(jìn)一步深化設(shè)計(jì)提出如下建議：1)在進(jìn)行配套設(shè)施的布置時(shí)，充分考慮場(chǎng)地風(fēng)環(huán)境，將人員密集活動(dòng)區(qū)設(shè)置在風(fēng)速相對(duì)較高的區(qū)域。在產(chǎn)生廢氣、異味的場(chǎng)所，如停車場(chǎng)、垃圾房設(shè)置在風(fēng)速較高的下風(fēng)區(qū)。2)在建筑進(jìn)行外立面開口設(shè)計(jì)時(shí)，充分考慮室外風(fēng)壓場(chǎng)對(duì)實(shí)現(xiàn)舒適室內(nèi)通風(fēng)的影響。3)根據(jù)冬季工況的場(chǎng)地風(fēng)壓圖，建議加強(qiáng)風(fēng)壓較大的迎風(fēng)面圍護(hù)結(jié)構(gòu)氣密性設(shè)計(jì)，從而降低冬季因冷空氣滲透帶來的熱損失。

[1] 楊德江，荊 平.小區(qū)規(guī)劃方案的大氣流場(chǎng)模擬及環(huán)境影響分析[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2008，31(9)：147-150.

[2] 王福軍.計(jì)算流體力學(xué)分析[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004：7-143.

[3] 陶文銓.數(shù)值傳熱學(xué)[M].第2版.西安：西安交通大學(xué)出版社，2003：332-380.

[4] 科技部.“十二五”綠色建筑科技發(fā)展專項(xiàng)規(guī)劃[Z].2012-09-10.

[5] 中國建筑科學(xué)研究院.綠色建筑評(píng)價(jià)技術(shù)細(xì)則[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2015：22-23.

The application of building wind environment simulation in scheme design optimization

Qiu Yanling

(ChinaArchitecturalSouthwestDesignInstituteLimitedCompany,Chengdu610093,China)

Taking a building group for example, using the calculation flow physical method, this paper simulated the outdoor wind environment under summer and winter two kinds of condition, through the analysis one velocity field, pressure field, evaluated the outdoor wind environment quality around related building under the existing design, and put forward the optimization advice.

building group, outdoor wind environment, numerical simulation, velocity field, pressure field

1009-6825(2016)13-0029-02

2016-02-21

邱雁玲(1988- )，女，助理工程師

TU112

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