基于CFD某住宅區的風環境模擬分析

張澤超，賈云鵬，林 鑫

(中建八局第四建設有限公司，山東 青島 266000)

建筑室外風環境是城市微環境的重要組成部分[1]，能極大地影響行人的安全和舒適度[2]，已引起了人們的高度重視[3]。德國工程師協會于20世紀發布了標準VDI13787，提出了城市風環境評估方法及策略[4]。日本建立了綜合評價體系CASBEE，將建筑通風及城市通風納入了評價體系[5]。我國對于建筑室外風環境的研究起步較晚，暫無通用的風環境統一標準。昝池[6]等對徐州市某小區進行了冬季建筑風環境評價，蔡麗蓉等[7]基于CFD技術進行了贛南地區住宅風環境模擬系統設計研究。

建筑室外風環境的測評方法一般包括風洞試驗、模型試驗及CFD數值模擬，其中風洞試驗和模型試驗的成本較高，耗時較長。隨著計算機技術的發展，計算流體力學在建筑通風模擬領域的應用變得越來越廣泛，采用CFD數值模擬技術對建筑室外風環境進行測評可極大地降低測試成本，縮減評價周期。以濰坊市某常規板式住宅區為研究對象，采用CFD工具模擬計算其室外風環境，依據綠建手冊進行一定的評價。

1 研究內容

1.1 模型構建

本項目位于濰坊市某小區，共有六棟26層住宅建筑，最高高度為80 m，容積率為2.5。從氣候分區來看，濰坊市屬于寒冷地區、溫帶季風氣候。使用HYBPA2019軟件中的風模塊進行外部風環境的模擬分析。進行建筑模型建模時，在綜合考慮建模準確性與計算時間耗時的前提下，僅進行大體輪廓建模，保留建筑外部形體的凹凸變化。計算域方面，根據綠建計算標準中對計算域設置的相關規定，來流區域設置為4 H距離，側流區域為2 H距離，尾流區域為6 H距離，頂部區域3 H距離，其中H為建筑群中最高建筑高度。

1.2 參數設置

來流梯度風采用指數函數梯度風；地面粗糙度指數取0.3；計算域兩側邊界與計算域頂部邊界均選定為為滑移邊界；湍流模型采用標準 k-ε模型；算法方面采用SIMPLE算法；壓力松弛因子為0.3，速度、湍動能、湍動能耗散率的松弛因子為0.7，空氣齡的松弛因子為1.0；迭代次數為2 000次。

2 模擬結果分析

2.1 夏季模擬結果

軟件計算完成后，輸出所有報表，圖片中由藍到紅表示數值逐漸增大。

夏季1.5 m高度處風速云圖及風速放大系數圖如圖1、圖2所示。依據《綠色建筑評價標準》GB/T 50378-2019，在濰坊市典型風速和風向參數條件下，從云圖上可以看出，Z=1.5 m人行高度區域風速在 0.00～4.43 m/s，風速小于5 m/s區域占比100%，不會影響室外正?；顒?，無風區域很少，有利于污染物的擴散，其風速放大系數均小于2，依據綠建標準可評分為3分；從云圖3上可以看出，夏季所有建筑前后表面靜壓差均在0.5 Pa以上，符合綠建規范，有利于室內良好的自然通風，在一定程度上減少了空調能耗，依據綠建標準，可評分為2分；從圖4上可以看出，空氣齡數值良好，空氣無明顯的滯留，夏季通風狀況良好；匯總所有建筑的迎背風面風壓分布，如圖5、6，依據綠建標準進行達標判斷，總體風壓分布達標率為98.71%，僅有極少數的位置風壓差未達標，總體上的結果基本符合《綠色建筑評價標準》中對于風壓差的規定。

圖1 風速云圖

圖2 風速放大系數圖

圖3 風壓云圖

圖4 空氣齡圖

圖5 迎風面壓力分布

圖6 背風面壓力分布

2.2 冬季模擬結果

從云圖7、8可得，1.5 m人行高度處風速在 0.00～7.22 m/s，約有7%的區域出現了風速大于5 m/s的情況，多集中于樓體邊角處，形成邊角大風現象，風速過大，會影響人的室外正?；顒?；風速放大系數最大值為2.4，從圖中可知，約有10%的區域出現了風速放大系數大于2的情況，依據綠建標準，評分為1.5分左右；從云圖9上可以看出，除建筑迎風面第一排建筑外，其余建筑前后表面靜壓差也有大面積大于5 Pa的現象，影響居民的居住舒適度，加大采暖能源的消耗，評分為0.5分；從云圖10上則可以看出，除建筑背風面受尾流影響，空氣齡數值較大外，其余地點空氣齡分布較為平緩，空氣無明顯滯留，通風效果良好；匯總所有建筑的迎背風面風壓分布，如圖11、12，依據綠建標準進行達標判斷，總體風壓分布達標率為37.65%，小區冬季風壓達標結果很差，需要采取相關措施進行改善。

圖7 風速云圖

圖8 風速放大系數圖

圖9 風壓云圖

圖10 空氣齡圖

圖11 迎風面壓力分布

圖12 背風面壓力分布

3 結語

使用數值模擬方式，對濰坊市的一傳統板式布局方式住宅建筑小區進行了模擬分析及評價，從實驗結果可以看出，該小區夏季風環境狀況比較優秀，基本符合綠建標準相關要求，但冬季風環境狀況很差，必須采取措施來進行冬季的防風處理，依據標準，該小區評分為7分。

在綜合考量夏季通風與冬季防冷風的前提下，可在小區四周種植大量的樹，以形成天然屏障，減少冬季冷風對于街道行人區的影響，降低進入小區的風速，改善小區風環境。最有效的方法是調整建筑布局，但此方法無法用于已成型的建筑群，可見在小區規劃建設之初進行風環境分析的重要性。

受實驗條件限制，未進行實地實測實量驗證、受真實氣候等因素影響，模擬結果必然存在一定的偏差。此方面的研究仍可進一步深化，本研究得出的結論及CFD實驗方法可為相似研究提供一定的參考。