基于CFD 模擬的住宅小區風環境的優化研究

姚昊翊，吳 笛 ，任昕瑜，張海麟（.云南師范大學能源與環境科學學院， 云南 昆明 650504；. 廣東工貿職業技術學院， 廣東 廣州 50000）

當前，我國城市的快速發展及人口的迅速膨脹使得很多城市新建了大量住宅小區發達地區在土地資源十分寶貴的情況下，大多數只能采取緊湊型（高容積率、高建筑密度）的開發模式。這種模式雖然有利于提高能源的利用率，但可能會惡化住宅小區周圍的小氣候[1]，通風不暢便是惡果之一。住宅小區室外風環境的好壞關乎小區的宜居性，住宅小區布局的優化有利于改善空氣質量，促進污染物消散。隨著“綠色建筑”概念的推廣，住宅小區風環境已成為評價“綠色建筑”等級的一個重要指標，促使國內外學者對風環境進行了大量的研究[2]。國內研究者總結了 4 種理想化的城市住宅小區布局模式，整理風環境模擬數據得出住宅小區容積率與風環境的變化規律[3]。有的研究者通過實際測量及調查居住區的室外風環境，提取出不同容積率、不同建筑密度、不同空間高度的典型布局模式，通過風環境的模擬評估來探討能夠提升居住區環境品質的規劃策略[4]。馬來西亞學者 Tetsu Kubota[5]等人通過風洞實驗研究了居住建筑形態和風速的關系，研究結果顯示在同樣的容積率和建筑密度下，高層公寓的平均風速比都高于獨立式住宅。

總體而言，之前的研究主要采用風速、風壓指標來評價風環境的好壞[6]，模型多采用理想狀態下的行列式、錯列式、圍合式等較為單一的布局模式來研究[3,7]，較少涉及與住宅小區規劃設計密不可分的容積率、建筑密度等指標，很少關注風速比和風速不均勻系數這兩個風環境評價標準。為了更好地分析住宅小區室外風環境與住宅小區布局模式的關系，本文以風速比和風速不均勻系數作為評價指標，以夏熱冬冷地區住宅小區為例，采用 AirPak 軟件對該地區不同容積率和建筑密度的小區進行數值模擬。旨在探索住宅小區布局模式與風速比、風速不均勻系數之間的定量關聯規律，探討如何在保證土地使用效率前提下促進住宅小區風環境優化，為住宅小區布局規劃策略提供一種思路。

1 住宅小區風環境的評價和數值模擬方法

1.1 風速比評價方法

風速比評價標準中，引入風速比 Ri作為風環境舒適度參數來評價風環境的優劣。風速比 Ri反映了由于存在建筑物的干擾而引起建筑物周圍風速變化的程度[3,8]。Ri＞ 1 則表示氣流通過該點以后，風速被放大了，通風增強；如 Ri＜ 1則表示氣流通過該點以后，風速被減小了，通風變弱[9]。風速比的計算公式如式（1）所示。

式中：Ui—該處建筑物附近流場中i點位置行人高度處（1.5 m 高）的風速，m/s；

Ui0—空曠處流場i點位置行人高度處（1.5 m 高）的風速，m/s。

由于大氣邊界層滿足“水平均勻性”，Ui0等于行人高度處（1.5 m 高）的來流風速，

因此，理論上來流風速可取任意值[10]。

1.2 風速不均勻系數評價法

小區內部氣流組織的好壞可直接影響小區通風的效果，其中，風速不均勻系數是氣流組織性能的評價指標之一[11]。均勻的風速給人更加舒適的感覺，可增強小區內部的安全性。該方法是在所研究的區域內選取 n 個測點，分別測得各點的風速，其算數平均值計算公式如式（2）所示。

均方根偏差如式（3）所示。

不均勻系數如式（4）所示。

由此公式求得的風速不均勻系數越小，表示該區域的氣流分布越均勻，舒適度越高。

1.3 數值模擬方法

本文采用 AirPak 軟件對長沙地區高層和低/多層不同布局模式的小區室外風環境進行了數值模擬研究，空氣流湍流模擬采用 k-ε 湍流模型，網格為非結構化網格。空氣流為理想流體，入口邊界采用速度入口邊界條件[12]。本研究中地面粗糙指數為 0.22，邊界層厚度為 370.0 m。在模擬模型中建筑物周圍行人高度處（1.5 m 高）均勻選取 50 個測點，計算出 50 個測點的風速比并建立頻率分布直方圖和散點圖進行分析，更直觀地呈現出住宅小區在不同平面布局情況下室外風環境的優劣狀況。

2 模型的建立

對住宅小區室外風環境進行數值模擬時，首先需建立一個有限的三維計算域。結合相關文獻中計算域的經驗取值范圍，確定計算域左、右邊界相隔建筑群邊界的距離分別為模型寬度的 3 倍，迎風向距離為模型寬度的 3 倍，出流面和建筑下風向距離為寬度的 6～9 倍，模型比例 1:1[13]。計算域大小的確定對數值模擬計算結果有影響。其次確定計算域各邊界的邊界條件，從而模擬實際的風環境流動場。

3 容積率與建筑密度

容積率是住宅小區的關鍵指標，關乎居住品質。一般而言，在建筑層數一定的情況下，小區容積率越大，綠地率就越低，代表建筑密度相應提高，住戶的居住環境隨之變差。反之，小區建筑層數不變的情況下降低容積率，綠地率就會提高，居住區環境就會得到改善[14]。

住宅小區建筑群的組合方式受到容積率及城市天際線的影響，建筑高度及建筑密度有一定的變化。高層建筑和低/多層建筑組合布局的建筑群與高度差別不大的建筑群相比，環境條件有很大不同。研究發現，建筑物周圍風環境的影響因素除了有建筑物所處地區的地理位置和氣候環境，還包括建筑物的平面形式、高度、建筑物之間的距離及相對位置的排列[15]。由于風速隨著建筑物高度的增加而不斷增大，高層建筑和低層/多層建筑的組合布局方式直接影響群體建筑之間的風場變化。不同建筑物在同一空間相應區域內各自形成不同氣流場，相互之間產生干擾[16]。

4 建筑密度與容積率對風環境的影響

4.1 建筑密度與容積率對平均風速比的影響

本文選取 16 個容積率和建筑密度不同的實際工程案例作為研究對象，用 AirPak 建立小區布局模型。在小區內部行道、中庭、邊庭等行人經常到達之處，均勻選取 50 個測點，測點距離地面 1.5 m 處，即行人頭頸部位能感覺得到風的位置。分別以 N、NE、E、SE、S、SW、W、NW 8 個方向為來流方向以進行各個案例小區的室外風環境模擬，統計8 個風向下 50 個測點的風速，以得到各個項目的 400 個測點風速數據。

根據模擬結果計算出各測點的風速比，進而求出平均風速比。平均風速比區間為[0,2.1]，以 0.1 為區間間隔值。整理后結果如表 1 和表 2 第二列所示。統計結果中，風速比 Ri越大，說明測試點的通風越好。當測試點的風速 = 入流風速（即無模型時該點的風速）時，風速比 =1；風速比 ＞ 1 的時候，說明該點的風速較入流風速有增大。

表 1 低/多層住宅小區的技術經濟指標、風速比和風速不均勻系數統計表

表 2 高層住宅小區的技術經濟指標、風速比和風速不均勻系數統計表

由表 1 及表 2 第二列可知，低/多層建筑組合的住宅小區風速比 R 值分布比較集中，平均風速比 R 相對較小；高層建筑組成的住宅小區風速比 R 值分布較為分散，數值跨度更大，平均風速比 R 較大。其中，高層建筑組成的住宅小區風速比超過 1 的測點數量顯著增多，表明該模擬區域內實際風速 ＞ 來流風速的地方增多。以建筑密度作為 X 軸，以平均風速比 R 作為 Y 軸，整理并繪制出以上 16 個工程項目的散點圖如圖 1 所示。

圖 1 低/多層和高層小區建筑密度與平均風速比關系圖

如夏季時住宅小區內部風速過低，人們就更容易感到潮濕悶熱。尤其是我國位于長江中下游的夏熱冬冷氣候區，夏季高溫高濕，低風速的情況下無法良好地散熱除濕，將會影響人們的舒適度，甚至損害健康。相反，住宅小區內部風速過高會增強行人的吹風感，舒適性降低，嚴重的將引發危害，因此，在常年靜風的地區不宜設置大量高密度的低/多層建筑組成的住宅小區。但在大風頻率較高的地區要考慮采取適當降低建筑高度、加大建筑密度或者種植高大喬木等措施來幫助冬季防風。

同時，在具有同樣的地理條件、氣象條件和建筑密度的地區，高層建筑組成的住宅小區風速要 ＞ 低/多層建筑組成的住宅小區。

綜上所述，相對于低/多層住宅小區，高層住宅小區在規劃設計時由于建筑密度小而更容易形成集中的開放空間（如公共活動場地等），方便構造通風道/區，因此高層住宅小區更容易獲得通暢的室外通風。但出于經濟效益的考慮，低/多層住宅小區內建筑密度更高，且內部道路更加精細曲折，使得住宅小區內部風速降低，甚至導致整個小區風環境惡化。值得注意的是，高層建筑周邊更容易形成巷道風和邊角大風，增大風速不均勻系數，降低小區內局部行人的舒適度，甚至引起風害。

4.2 建筑密度與容積率對風速不均勻系數的影響

同樣選取以上 16 個不同容積率和建筑密度的實際工程項目建立模型，計算 50 個測點、8 個風向共 400 個測點行人高度處（1.5 m 高）的風速。模擬結果中得到的測點風速經過整理并計算出所有測點在各風向下的算數平均值，再求出各測點風速的均方根偏差，最后計算出各案例內部的風速不均勻系數，整理結果如表 1 及表 2 第三例所示。統計結果中，風速不均勻系數越大，說明測試點風速越不均勻，可能造成舒適性的下降。

由表 1 及表 2 第三列可知，低/多層組合的住宅小區風速不均勻系數K值分布區間略小于高層建筑組合住宅小區，最終得到的平均風速不均勻系數 K 也較小，表明區域內風速沒有發生突變，較均勻舒適。用以上 16 個項目的建筑密度作為橫坐標 X，用計算出的平均風速不均勻系數 K 作為縱坐標 Y，繪制散點圖如圖 2 所示。

圖 2 低/多層和高層小區建筑密度與風速不均勻系數關系圖

圖 2 中，X 軸表示住宅小區的建筑密度，Y 軸表示小區內部各測點的平均風速不均勻系數。由此可知，一個住宅小區無論是由低/多層建筑組成抑或高層建筑組成，建筑密度都反比于平均風速不均勻性，即隨著建筑密度的增大，平均風速不均勻系數減小。即，住宅小區建筑密度越大，小區內部的氣流分布越均勻。高層住宅小區的內部平均風速不均勻系數 ＞ 低/多層住宅小區，即高層住宅小區內部的風環境變化更大，氣流分布不均勻，行人在小區內部行走忽而無風忽而有強吹風感等不舒適體驗的可能性更大。

5 結 語

通過介紹風環境模擬方法、風速比評價方法和風速不均勻系數評價法，根據實際工程案例模型對不同容積率（建筑高度）和建筑密度對建筑群內部風環境的影響狀況進行分析比較，可為建筑群規劃提供了布局方法的參考。主要結論如下所示。

（1）在具有同樣地理條件、氣象條件和建筑密度的地區，相對于高層建筑組成的住宅小區，低/多層建筑組成的住宅小區的風速要小。因此在靜風區面積大的城市或地區不宜設置高密度的低層住宅樓。

（2）高層住宅小區內部通道和形體轉折的區域容易產生巷道風和邊角大風，小區內部出現風速不均勻的可能性更大，要注意采用高層和低/多層結合布置的辦法或者局部架空、種植高大喬木以減小這種風速不均勻。

（3）住宅小區采用低/多層與高層的組合的情況下，夏季背風面布置高層建筑、夏季迎風面布置低/多層建筑的布局模式，能夠使住宅小區內部風速均勻，且風影區變小。