基于CFD的寒地鄉村防風林布局優化模擬研究

榮婧宏， 吳松濤

（哈爾濱工業大學建筑學院，寒地城鄉人居環境科學與技術工業和信息化部重點實驗室，哈爾濱 150001）

0 引言

隨著國家推動鄉村振興進程的加快，探索鄉村規劃方法成為學科研究新的熱點，在生態宜居理念的主導下，適宜鄉村的生態規劃建設成為必經之路。營造宜居的鄉村環境不僅需要舒適的室內環境和生活、生產基礎設施，更需要構建舒適宜人的室外環境。徐乃雄于2002 年出版的《城市綠地與環境》一書中針對城市綠地對于室外物理環境包括風環境的影響，進行了研究論述。邵傳平、王薇等學者針對防風林的空氣動力學遮蔽機制進行了數值分析和系統研究，推導多孔隙防風林帶的數值模型和模擬過程［1］。林波榮等學者將ENVI-met 引入國內，開展了一系列關于綠化對室外熱環境影響的模擬研究，并通過實測和模擬等手段，針對居住小區冬季植被優化進行設計研究［2］。程向明通過CFD 模擬研究綠化植物對于單體建筑周圍和小區的風環境影響，驗證了數值模擬植物綠化（喬木、灌木）的準確性［3］。洪波、林波榮通過對北京某小區的冬季室外風環境實測模擬，結合熱環境變化，研究為了阻擋冬季風的住區室外風環境植被優化設計方法［4］。對于鄉村來說，由于建筑密度相對較低，且組團相對散亂，多處于平坦開闊區域，建筑群缺少圍護結構暴露于自然風場中，受風環境的影響較大。且寒地環境不僅會影響居住安全問題，造成的環境氣溫低及冷風滲透等會嚴重影響到居住環境的舒適度，極大提高室內取暖的能耗，提高寒地鄉村社區居住成本，從而減少寒地鄉村的居住吸引力，難以形成宜居宜業的鄉村環境。

植物對于改善氣候、美化環境一直以來扮演著不可或缺的作用。在冬季，植物可以通過不同的種植組合形成風屏障，對于不同來向的冷風進行阻隔、引導，為住區提供良好的風環境。

1 基礎研究

寒地城市多處于冬季寒冷漫長，夏季炎熱干燥，且過渡季節較為短暫的地區。在寒地大風天氣會極大影響居民的出行及室外活動舒適度，尤其在氣溫較低的季節，寒風凜冽極為不利于人們的生產生活［5］。

不同氣象條件下的植物防風效果是一個動態發展變化的過程，植物的特性隨季節發展變化。諸如不同區域尺度之類的因素的多樣性使得難以量化植物與風環境之間的關系，因此需要進行詳細分析。針對植物防風作用的研究多是針對溫帶亞熱帶氣候，缺乏對于寒地的研究，尤其是針對鄉村地區防風林防風作用的研究十分匱乏。總體而言，當前有關改善寒冷地區鄉村社區風環境的研究遠遠落后于國家鄉村振興和規劃的步伐。然而防風林對于寒地鄉村風環境具有重要意義，因此文中以此作為切入點進行研究。

2 研究對象及研究方法

2.1 研究對象選取和數據來源

根據東北三省近2000 多個村鎮衛星圖進行觀測篩選和實地調研，根據形態學比例將東北寒地住區空間形態分為了團型、帶型和放射型［6］。其中最為典型的為團型社區。

表1 東北寒地村鎮空間布局形式

研究表明寒地典型鄉村社區總體布局以團型及帶型居多，社區長寬比多介于1.5∶1～4∶1，多沿道路附近分布，主干道交叉路口區域及丁字路口區常形成大型社區，鄉村社區內部存在網格型路網。

從建筑布局來看，寒地住宅建筑多呈行列式布局，院落結構簡單，少部分社區會存在圍合式建筑和行列式復合存在。

為方便實測研究及數據獲取，通過系統抽樣結合文獻綜述的方法，通過對哈爾濱市周邊近500 個村莊的衛星圖識別，綜合考量鄉村的空間形態及建筑布局篩選，篩選出典型團型社區即長寬比約為1.5∶1 的哈爾濱市道里區小楊家屯社區見圖1，進行數值模擬研究。

圖1 典型團型社區小楊家屯總平面

由于研究針對風環境優化研究，選取哈爾濱4 月份時進行風環境測試，具體測試時間為早9：00～11：30，當日天氣最高氣溫20℃，最低氣溫1℃，持續風向為西北風，風速等級為5～6級。共設置11個測點進行風速實測，樣本點包括社區主要出入口和行人活動區域，測點布置及數據統計結果如圖2、表2所示。

圖2 風速實測點示意圖

表2 社區內各測點風速值統計 m/s

通過實地調研和現場實測數據分析得出該社區風環境特點如下：①測點分布越廣、間距越遠，各點之間風速的相關聯性越小；②村內進風口附近的風速最大，村鎮內部建筑物布局最密集處風速最小。出風口風速并非最低，處于中間值；③兩棟建筑物之間的街谷和拐角處，由于狹管效應和角隅風的影響，容易出現較高風速區；④道路交叉口的風速變化較大，且風速偏高；⑤院落式建筑內部及建筑圍合的廣場內，風速相對較小，而且變化幅度相對較小，環境較為適宜；⑥植物對風環境的影響顯著。測量時，村內高大喬木尚未完全出葉，而且植被保存狀態不佳，未形成片植或叢植，因此對風環境的影響相對較小，但仍可看出處于植物背風向的測點風速較低；⑦寒地平原區內的鄉村社區，在周圍無高大遮擋物情況下，建筑物和植物對風環境影響最為顯著。

2.2 研究方法

文中采用CFD數值模擬軟件進行風環境模擬，具體流程如圖3所示。

圖3 風環境數值模擬計算基本技術路線

通過控制計算域、網格生成、邊界條件、求解器設置和收斂殘差等，建立適當的數值模型并獲得準確的計算結果［7，8］。

2.3 對照模型建立

2.3.1 植物模型

由于寒地的氣候特異性，鄉村地區防風林中較少存在灌木及草本植物，多由落葉喬木組成，因此研究主要針對高大落葉喬木進行模擬仿真。針對植物模型的建立方法，李亮等［9］以K-X 兩方程湍流模型為基礎，通過計算模擬了風對小規模樹林的穿越，建立不同的三維樹冠和樹干模型，研究了四棱錐、四棱臺、長方體3 種形狀見圖4 與風洞實驗中的圓錐模型樹分別對流場的影響。通過對不同形狀模型計算過程，計算結果的比較，李亮提出長方體模型雖然對樹冠做了完全簡化，但其在絕大多數指標中仍然與實測值能較好吻合，且具有建模簡單、計算快捷、收斂性好等優點。

圖4 風洞實驗中樹冠模擬形狀

由于大量研究及實際數據表明，寒地所種植落葉喬木高度多為10～15m 之間，研究表明［10］高度H=10m的防風林防風效果優于15、20m 高林帶，風影區平均風速比可達50.12%。由此，文中選用10m 高防風林帶作為模擬對象。

2.3.2 對照模型

結合場地內部原有植被特征及喬木種植點，如圖5 所示，優化植被，假定全部增設落葉喬木防風林，設定為場地初始模型，作為對照組，為布局內部型及外部型防風林帶提供參照。

圖5 內部場地型防風林布局

為突出風環境變化幅度，結合室外風環境評估標準及哈爾濱氣象條件，選取哈爾濱冬春季常見較大風速12m/s 作為入流風速，風向角為哈爾濱冬春季主導風向西北風。對參照組模型進行數值模擬計算，所得風速及風壓模擬結果如圖6所示。

圖6 室外1.5m人行高度風速模擬云及風壓模擬云

社區初始狀態在較高風速天氣內，風環境舒適性較差。風速低于5m/s 風影區面積約占社區整體室外空間35%，幾處主要室外活動空間皆處于高速風廊道內，在主要道路交叉口及廣場，由于建筑布局相對稀疏，未能有效形成低風速區，若在冬季，極易發生道路結冰等情況，阻礙行人室外活動，降低社區宜居性。在實驗組模型中，應針對中部高速風廊道及高風速區域進行觀察。

利用數據后處理軟件在1.5m 高平面內隨機均勻選取98處測點，進行風速統計如圖7所示。

圖7 1.5m平面取樣點風速統計

風場內最高風速可達8.39m/s，平均風速4.26m/s，風速值高于5m/s 的測點達32 個，風速低于5m/s 的風影區面積僅占32%。根據風速比公式計算，場地內平均風速比達0.71。從風壓云圖中可以看出迎風區首排建筑物受風壓影響較大，場地內植物迎風面會形成較大風壓區，整體風場內風壓分布較均勻。場地內首排迎風建筑受壓最大，且迎風面與背風面風壓差遠超過綠建評價標準要求。社區外圍建筑物的整體迎風面背風面風壓差要高于社區中心建筑群，表明外圍建筑物受風壓影響更大，與建筑排布疏密關系相對較小。在社區的南部最末排建筑，出現了負風壓現象，迎風面與背風面也產生了較大風壓差，也遠高于綠建評價標準要求值。

3 防風林模擬研究

3.1 社區內部型防風林布局模擬分析

綜合文中研究，在社區內沿道路及場地周邊建設防護林帶，進行數值模擬分析，如圖8所示。

圖8 室外1.5m人行高度風速模擬云及風壓模擬云圖

從模擬結果風速及風壓云圖中發現，場地內建筑物后低速風影區面積顯著減少，靜風區域顯著增加，風速變化減少，尤其有效改善社區南半部區域的風環境，降低南半區的風速及風壓，形成均勻風場，風速在3.8～5.0m/s 閾值范圍內的場地較多，可認為場地內較多區域能滿足人們進行各種生產、生活活動的需求。

3.2 社區外部型防風林布局模擬分析

3.2.1 外部型防風林布局要素

（1） 林帶的長寬高。通過在社區外分段建設防風林帶，探究在寒地鄉村社區外圍增設的防風林對社區風環境的影響。

（2） 林帶距社區距離。考慮到寒地防風林風影區分布規律，為達到最優防風效果，社區外圍布局防風林帶時，距首排建筑物距離不宜超過10h，將建筑物排布于林帶背風向2.5～20h范圍內較為合理。

（3） 林帶布局角度。防風林的布局與風向夾角也是影響防風效果的關鍵要素所在。研究表明，哈爾濱城市建設形態特殊，整體與南北呈45°夾角。而多數寒地城市中的鄉村社區也并非正南正北布局，研究對象篩選時，有70%的社區呈西南-東北向偏布，方位偏移角約15°～25°之間，如圖9 所示。根據《建筑工程風洞試驗方法標準》中規定，模擬試驗中，應根據建筑物外形、布局、及周圍干擾情況等因素，選擇多個風向角進行試驗，且風向角間隔不宜大于22.5°。

圖9 社區布局角度示意圖

3.2.2 不同布局角度數值模擬

結合寒地鄉村社區建筑及防風林分布規律，選取與風向夾角呈90°，105°，120°的防風林帶與社區結合，進行風環境模擬評估，研究其風場變化規律。具體構建方法如下：

（1） 與風向夾角呈90°，垂直于風向建設三組長150m，寬12m，樹冠疏透度0.7 的喬木林帶，模擬結果如圖10所示

圖10 室外1.5m人行高度風速模擬云及風壓模擬云圖

（2） 與風向夾角呈105 度°，與垂直風向角度偏15°建設三組長150m，寬12m，樹冠疏透度0.7 的喬木林帶，模擬結果如圖11所示。

圖11 室外1.5m人行高度風速模擬云及風壓模擬云圖

（3）與風向夾角呈120度°，與垂直風向角度偏30°建設三組長150m，寬12m，樹冠疏透度0.7 的喬木林帶，模擬結果如圖12所示。

圖12 室外1.5m人行高度風速模擬云及風壓模擬云圖

從圖10中可以看出，建筑物背風面風影區風速呈均勻分布，無明顯高速風廊，且多數風影區相互連接，形成成片的穩定風場。南部建筑物由于距離風帶較遠，單體建筑背風面所形成的風影區相對狹長，在行人活動時，會受到貫穿氣流的作用，感受到一定的風力作用。

建筑物背風面風影區風速稍有變化，出現較長較明顯風影區及風廊，穩定風場區域減少。防風林帶為西北側的首排迎風建筑阻擋了部分風壓，緩解了場地內建筑物迎風面的受壓情況，社區內部，各組團內的風壓分布較為均勻，植被迎風面高壓有所減弱，風力仍會對建筑物及植物產生不利影響。

從兩組實驗數據圖中可以看出，在增設105°及120°風向夾角防護林帶后，場地內部高速風廊有所減少，形成多片風速4.7m/s 以下的風場，核心區域內風速形成局部減弱趨勢，但較（1）工況來說，總體建筑背面風影區面積減少。對比3 組工況條件下的風壓云圖，可以看出垂直于風向布置的防風林帶對于風環境的調節作用最佳。

增設社區外部防風林使得整個鄉村社區的風環境改善效果顯著，在外圍增設不同的空間布局的防護林均能產生防風的功能，調節社區內部風環境。但從效果上來看，社區北側的建筑組團內風環境改良效果優于南側建筑組團，氣流在經過整個團型社區時，會出現二次風速激增的現象。針對兩種不同布局的防風林帶模擬結果，利用后處理軟件對1.5m人行高度平面進行均勻隨機取樣，獲取場地內部四條來流方向直線內各100 個測點的模擬數值進行比對分析如圖13所示。

圖13 四條取樣直線位置示意圖

通過將90°、105°、120°風向夾角防風林模擬數據與對照組數據對比得出：

（1） 90°夾角防風林帶較對照模型平均風速比降低25.3%，105°和120°風向夾角工況下防風林較對照模型平均風速比降低19.7%～20%。

（2） 林帶布局與風向角90°～105°之間變化，防風效果變化較大，風影區衰減較多，場地風速比變化較大，當林帶與風向角大于105°角建設時，對風環境影響變化微弱。

（3） 單條防風林帶的背風向風廓線長度有限，能影響的社區范圍不足以滿足整個團型社區的防風需要，針對帶型社區來說，外圍布置單條防風林的效果會相對較好，團型社區在社區內部進行進一步優化處理，例如布局綠化、擋風設施等，來減少建筑物之間的貫穿氣流、渦旋氣流、角隅風等，來滿足防風需求。

（4） 外部型防風林林帶分段布局，效果較好。但林帶布局時應注意減少明顯風洞效應的產生，若兩段林帶中間形成明顯狹管效應，則會出現風速激增、大風渦流區域，對風環境調節產生負面效應。

3.3 組合防風林防風效果模擬分析

針對研究對象，僅建設社區外圍防風林或社區內部防風林帶是不能達到完全優化風環境效果的，對社區內外防風林進行組合模擬，探索組合布局下的防風林防風效果優化方案。

3.3.1 組合防風林數值模擬

結合內部型防風林帶及外部型防風林帶防風特性，優化組合后風環境模擬風速結果如圖14所示。

圖14 室外1.5m人行高度風速模擬云及風壓模擬云圖

從風速結果來看，社區外圍設置了多層次的防風林后，整體風環境改善顯著。外部防風林間隙仍存在小型高速風道，但對于社區的影響已經明顯降低，未對社區內部風場產生影響。迎風建筑周圍渦旋氣流和角隅風顯著減少，整體社區內建筑組團間風環境相對均衡，存在大面積的靜風區，風速區間為3～4.8m/s的區域占總社區面積的70%，南側后排建筑物的背風面風影區也顯著縮短，未存在較多的小型風道，有助于居民的室外生產生活等。

場地內無明顯高風速區及渦流區，也無明顯風廊的產生，整體風場風速處于5m/s范圍內的區域占60%以上。對比單獨設置內部或外部防風林見圖15來看，低于3.3m/s 風速的風場區域面積增加約30%～50%，對于風速的減弱效果呈顯著疊加態勢。個別高大單體建筑后仍有明顯風影區的存在，但風速過渡區域較大，且并無多個風影區狹長并列的情況出現，代表社區內人行走在建筑物之間不會感到明顯的風力變化，寒風吹拂感較低，整體社區環境較為適宜。

圖15 不同類型防風林布局防風面積對比

社區內風壓分布云圖顯示場地內整體建筑物無明顯高受壓情況，氣流被外部三條防護林帶阻擋效果顯著，社區內建筑物風荷載較低，對于建筑結構和建筑節能方面的優化效果較大。林帶迎風面受風高壓影響也相對均衡，由于數值模擬效仿風洞試驗存在一定的局限性，風場存在未完全延展的情況，使得結果靠近風向入口的林帶受壓相對較高，實際情況中處于自然風場中，此類風壓差會相對較為均衡。實驗誤差為5%以內，可視為有效結果。

4 結語

文中針對同一寒地鄉村社區不同布局條件下的林帶防風效應進行了模擬研究，通過整合社區內外防風林的風場情況對比來看，可得到以下幾點結論：

（1） 社區外防風林帶與來流風向間夾角越接近垂直，受風壓影響越大，對氣流的阻擋作用越顯著。林帶布局與風向角為90°～105°之間變化時，防風效果逐漸減弱，減弱效果約5%。當林帶與風向角大于105°角趨與風向平行建設時，防風效應減弱變化減緩，防風效果差異較小。

（2） 由于防護林林帶背風面風速降低區有限，背風面2.5～20H 范圍內會形成一個主要風速降低區，因此防風林的布局距離社區首排迎風建筑物距離不宜過遠，盡量布置在防風林帶樹高H 的4～13H 范圍內。針對寬度較大的社區而言，單條林帶無法滿足防風需求時，應考慮加設林帶。

（3） 分段建設防風林帶并合理控制排布間距，或增大防風林帶與來流風向的夾角，能有效減弱狹管效應所產生的高速氣流。在其他條件基本相近的情況下，長度較短的林帶相比長林帶具有更好的防護效應，但若防風林帶交錯不當，會產生狹管效應，在風影區形成高速風廊。

（4） 在社區外圍布局防護林時整體社區內風速水平高于在社區內部布局防護林。在鄉村社區內部有針對性的進行綠化布置及防風林種植，能更為有效的調節建筑組團之間及組團內部、建筑單體周圍及院落內的風環境。

文中為寒地鄉村社區建設提供了風環境模擬思路，可通過布局防風林模擬情況，做出相應的風環境優化策略。文中僅對寒地冬春季節不同防風林空間布局組合防風效果進行了模擬總結，未能針對防風林帶內部結構的變化，例如不同高度、種類的植物搭配等要素下的防風林防風效果進行完整分析比對，仍需進一步探索，將在今后的課題中能夠展開更加深入的研究。