湘北地區(qū)高層住宅室內風環(huán)境實測與改善研究＊

蔣依雯，段源珂，尹東衡

（南華大學松霖建筑與設計藝術學院，湖南 衡陽 421200）

0 引言

隨著我國人口居住需求增大和用地緊缺，越來越多的高層住宅拔地而起，在經濟發(fā)達的湘北地區(qū)更明顯。湘北地區(qū)是夏熱冬冷地區(qū)的典型代表，在高速建設時期，許多已建成的高層住宅并未對住宅的舒適度進行詳細的研究與設計，根據(jù)走訪與調查高層住宅居民發(fā)現(xiàn)，許多住戶存在通風不暢、夏季環(huán)境悶熱等不良狀況。這無疑會導致舒適度下降，空氣凈化設備費用增加，不符合綠色節(jié)能發(fā)展理念，且如今新冠疫情的襲擾也使人們需要良好的室內通風環(huán)境，保持室內空氣換氣次數(shù)達到標準，改善室內風環(huán)境，提高室內風速迫在眉睫。

目前學術界也有很多對風環(huán)境的研究，如司睿等[1]運用Phoenics軟件量化模擬冬夏兩季典型日的典型時刻在不同圍合度下室外環(huán)境空氣速度；李向玲等[2]運用CFD模擬技術對體育館方艙醫(yī)院進行改造；張能等[3]以風環(huán)境評價標準為依據(jù)，基于CFD數(shù)值模擬分析對青島某校園風環(huán)境進行優(yōu)化；趙予等[4]針對成都地區(qū)，通過CFD模擬技術對不同布局形式的教學樓室外風環(huán)境進行模擬分析

高層住宅室內風環(huán)境影響因素的外界條件分為：室外風速大小，室外風速夾角、距地高度；內在影響因素分為：層高、窗墻比、進深面寬比。本文將分析湘北地區(qū)高層住宅室內風環(huán)境的影響因素并進行整理，以為改善高層住宅室內風環(huán)境提供參考。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

湘北地區(qū)年平均風速2.1m/s，風速最大出現(xiàn)在8月份，為3.0m/s，年最多風向為西北風和西風，出現(xiàn)頻率為11.7%，其次為東北風和北風向，出現(xiàn)頻率分別為11.4%和11.1%，最少風向為東南風和東風，占總風向的2.8%，靜風出現(xiàn)頻率為1.6%。本次研究隨機抽取湘北地區(qū)某高層住宅，并在其中抽取3個套型作為試驗研究對象。

1.2 研究方法

本次試驗充分利用CFD流體力學分析軟件對室內風速進行測試。首先通過實地測繪獲得樓棟具體平面尺寸和高度信息，并對抽樣套型的平面尺寸進行測量與繪制。并利用3Dmax繪制樓棟模型，如圖1所示，然后將模型導入Phoenics軟件并進行風環(huán)境設置，根據(jù)模擬結果記錄各試驗套型窗戶所對應的風壓值大小。繪制各抽樣套型模型，準確設置進風口和出風口的位置和大小，如圖2所示。利用上一步記錄的風壓值賦予進出風口，用Phoenics對室內風環(huán)境進行計算，對室內抽取5個測試點，并記錄平均值作為室內平均風速測試值。

圖1 研究小區(qū)的基本模型

圖2 樣本套型平面

通過單一變量的方式分別改變室外風速大小、風速夾角、距地高度，以及套型層高、窗墻比、進深面寬比，保持某個變量不變，然后在不同條件下測試室內平均風速值，記錄試驗數(shù)據(jù)后利用SPSS對試驗結果進行分析并得出影響湘北地區(qū)室內風速的主次要因子和其正負相關性。

2 試驗有效性檢驗

利用多功能手持微壓差計，在現(xiàn)場抽樣套型的進風口和出風口進行風壓值測試，9-A套型南進風口測量值為-2.375 682Pa，北出風口模擬值-4.158 353Pa，9-A的南進風口模擬值為-2.496 627Pa，北出風口模擬值-4.234 521Pa，偏差值分別為5.09%和7.61%。再利用風速計對抽樣套型室內平均進行測試，取得平均值為0.295 285m/s，Phoenics測試結果如圖3所示，模擬平均值為0.339 021m/s，數(shù)據(jù)偏差12.8%，滿足試驗有效性要求，可進行下一步影響因子的模擬研究試驗。

圖3 室內風速有效性檢驗

3 試驗過程

3.1 樣本概況

通過實地測量與信息的整理，對比各住宅套型的建筑特征信息。選取其中9-A套型樣本進行闡述。

3.2 試驗步驟

運用實地測量的住宅信息建立模型，將模型導入Phoenics進行室內風環(huán)境模擬，通過不斷改變模型數(shù)據(jù)，求得室內風環(huán)境最優(yōu)良時的參數(shù)概況。

3.3 CFD模擬試驗

本文分別取層高、窗墻比、風向夾角、進深面寬比、距地高度5個因子，以單一變量原則進行試驗。

先采用原始數(shù)據(jù)，使用層高為3.0m，窗墻比為0.264，風向夾角為0，進深面寬比為0.505，距地高度為30m的模型進行室內風環(huán)境模擬，得到室內平均風速為0.339 021m/s，室內風速云圖如圖4所示。

圖4 初始套型風速云圖

3.3.1 層高

現(xiàn)保持其窗墻比、風向夾角、進深面寬比、距地高度不變，增加其層高至3.1m，室內平均風速為0.342 500m/s；增加層高至3.2m，室內平均風速為0.341 417m/s。

初步判斷室內平均風速隨著建筑層高的增加而增加。為驗證此關系，再將層高調節(jié)至2.8m，得到室內平均風速為0.329 831m/s。測試結果如圖5所示，可看出室內平均風速與層高成正相關關系。

圖5 不同層高工況下室內風速云圖

3.3.2 窗墻比

在不改變層高、風向夾角、進深面寬比、距地高度的情況下，調整套型窗墻比，分別將窗墻比調至0.277與0.33，得到平均室內風速分別為0.354 924，0.331 638m/s。測試結果如圖6所示。因此得出結論，室內平均風速與窗墻比沒有相關性。

圖6 不同窗墻比下的風速云圖

3.3.3 風向夾角

同樣通過單一變量的試驗方法，在不改變其他變量的情況下，分別調整風向夾角為30°和45°的套型模型進行室內風速模擬，得到室內平均風速分別為0.465 254，0.502 419m/s。測試結果如圖7所示。由此推斷，室內平均風速隨著風向夾角的增大，整體呈緩慢上升趨勢。

圖7 不同風向夾角下的風速云圖

3.3.4 進深面寬比

在不改變其他因子的情況下，改變進深面寬比，分別設置0.453和0.544兩個變量，可得到在比值為0.453時，室內平均風速為0.351 876m/s，比值為0.544時室內平均風速為0.339 021m/s。測試結果如圖8所示，由此可看出，室內平均風速隨進深面寬比的增大逐漸減小，呈負相關關系。

圖8 不同深面寬比下的風速云圖

3.3.5 距地高度

通過控制單一變量的試驗方法，在距地高度上分2組試驗，通過室外風壓測量，保持每個通風口風壓一致，分別對距地高度24m和36m的標準套型進行室內風速測試，得到室內平均風速分別為0.293 864m/s與0.339 021m/s。可看出，將距地高度調至24m時，室內平均風速明顯減小，調至36m時，平均風速與30m時相差無幾。測試結果如圖9所示，由此可看出，室內平均風速與距地高度呈正相關，在30m之后趨于平緩。

圖9 不同距地高度下的風速云圖

4 試驗結果

通過對試驗結果對比與分析，可得出室內平均風速與層高呈正相關，與窗墻比無明顯相關性，與風向夾角呈正相關，與進深面寬比呈負相關，據(jù)此提出對湘北地區(qū)高層住宅室內風環(huán)境改善的建議。針對湘北地區(qū)高層住宅室內風環(huán)境，層高與進深面寬比對室內平均風速影響較大，風向夾角與距地高度影響較小，窗墻比與室內風速無相關性。因此在設計高層住宅時優(yōu)先考慮增加層高與減小進深面寬比，其次考慮風向夾角與距地高度，從而在節(jié)能減排方面達到最優(yōu)解。