宜昌某高校學生宿舍區風環境模擬研究

韓成剛 李運江＊ 劉衍婷

1.三峽大學土木與建筑學院 湖北 宜昌 443002

2.合肥工業大學汽車與交通工程學院 安徽 合肥 230009

近年來隨著我國城市的快速發展，城市靜風區面積增多，空氣滯留時間變長，愈發不利于空氣質量的改善。國家發改委和住建部聯合印發的《城市適應氣候變化行動方案》明確提出“打通城市通風廊道，增加城市空氣的流動性”[1]。校園是城市不可或缺的組成部分，宿舍區更是學生活動的必要場所,改善宿舍區風環境直接關系到學生的身體健康和舒適。污染物的擴散與空氣自凈、行人舒適度、室內自然通風等多方面的問題均直接受到居住區風環境的影響[2]。因此，為了公眾健康舒適安全改善居住區風環境至關重要。

為了探討改善居住區室外風環境的方法，選取宜昌某大學宿舍區作為研究對象，使用瓢蟲工具(Ladybug Tools是Grasshopper的免費開放源代碼環境插件)提取中國標準氣象數據庫(CSWD)的氣象數據epw格式的文件制作冬季、夏季和各個月份的風向頻率玫瑰圖（見圖1）并利用PHOENICS軟件對研究區域進行風環境模擬。

圖1 宜昌市全年風玫瑰圖

1 研究區概況及現場調研

1.1 研究區概況

宜昌屬亞熱帶季風性濕潤氣候位于夏熱冬冷地區，夏季溫度高，濕度大，風環境較差，建筑必須滿足夏季防熱要求，適當兼顧冬季保溫[3]。

1.2 現場調研

研究區域為宜昌某大學宿舍區（見圖2）編號A-H為宿舍樓，皆為南北朝向，分兩列錯開布置，建筑面積約54000㎡，占地面積7760㎡；I是學生餐廳，建筑面積7100㎡，占地面積2950㎡。建模區域J為山體簡化模型，K-L是教學樓，M-N是校外建筑。

圖2 研究區域建模編號

2 風環境模擬及分析

2.1 研究方法和軟件選取

本文根據已建立的風環境評估標準采用CFD數值模擬對場地風環境進行分析及優化，且對優化后結果與優化前結果進行對比以驗證優化設計的可行性。

2.2 模擬條件

將3D設計軟件(草圖大師SketchUp)創建的3D模型以3ds格式輸出到PHOENICS中的建筑模塊(FLAIR)進行數值模擬，根據制作的風向頻率玫瑰圖選取宜昌夏季主導風向為南風(S)，冬季主導風向為東南風（S-E）,溫度和風速根據《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》[4]定為夏季溫度31.8℃、風速1.5m/s，冬季溫度4.9℃、風速1.3m/s的工況進行模擬條件的設置（見表1）。

表1 設計用室外氣象參數

2.2.1 計算域與網格的設定

PHOENICS在進行數值模擬時是按照所建立模型1：1進行計算，所以在創建3D模型時是按照物體的實際尺寸進行創建的，J-L模型的建立是為了使研究區域模擬的風環境更加與實際風環境相符合。以研究區域宿舍樓建筑高度H作為計算域的特征尺寸，計算域的橫向X尺寸為6H，縱向尺寸Y為10H。垂直計算域Z設置為4H[5]。計算網格的設置根據計算結果收斂速度和計算結果準確性的綜合考量，最終確定為210萬個網格，并且采用研究區域局部加密來進行網格的設置。

2.2.2 數學模型及邊界條件的設定

所選數學模型主要基于是針對室外風環境的模擬，外部風場氣流屬于梯度風的低速湍流區域，所以選用PHOENICS軟件提供的RNG K-ε湍流模型，有研究表明該模型成本低并適用于低速湍流的數值模擬計算，且在數值計算中波動小、精度高等優點[6]。

對計算域邊界條件的設定主要為風環境的邊界條件，入口邊界條件是根據研究區域具體季節特征進行設置，由于地表粗糙度對風的影響，進風口按不同高度梯度上平均風速的高度梯度修正公式的控制方程設置為

公式中v是入口邊界高度z處水平方向的風速(單位m/s)，為入口邊界基準高度(通常取離地面水平高度10m)處水平方向的風速(單位m/s)。a地面粗糙度是根據研究區域所處城市地形環境設置為0.22[7]。

2.3 模擬驗證

為了驗證模擬結果的可靠性，在校園宿舍學生活動密集區選取24個測點（見圖3）進行測試，測點均距離地面1.5m，測試時間為2023年3月2日，在L樓樓頂測得進口平均風速為1.80m/s，風向東南偏南風（S-S-E），溫度12℃，測試工具采用希瑪AS8336分體式風速儀（測量范圍0.3m/s-45m/s），測量值是每個點同時測試1個小時取平均值。對比24個測點的風速測試值與模擬值（見表2）總體來看，存在個別測點風速測試值和風速模擬值相對誤差較大（測點7、測點8、測點11、測點19、測點21），可能是因為周圍的環境比如樹木或其它建筑物和模型的簡化所引起的，其余測點相對誤差絕對值均小于25%。

表2 人行高度處風速模擬值與實測值對比

圖3 測點編號

此外對風速實測值和模擬值進行配對T檢驗，由于測試點為24個（小于30個），要先對二者差值進行正態性檢驗（見表3、圖4），柯爾莫戈洛夫-斯米諾夫、夏皮洛-威爾克中顯著性均大于0.05，正態圖散點大致與斜線吻合，可以進行風速實測值與模擬值的配對T檢驗，根據檢驗結果（見表4）可以得出風速實測值與模擬值的配對T檢驗顯著性（雙尾）=0.57（＞0.05）,由此得出二者之間不存在顯著差異，表明模擬結果是具有可靠性的。

表3 風速模擬與實測差值的正態性檢驗

表4 風速實測值與模擬值T檢驗結果

圖4 風速實測與模擬正態圖

2.4 評價標準與結果分析

2.4.1 風環境評價標準

2019年8月1日起實施的《綠色建筑評價標準》[8]中針對夏季、過渡季和夏季典型風向和風速條件下室外的風速、風壓、風速放大系數的評分標準（見表5）。

表5 場地風環境評價標準

下面會對研究區域CFD數值模擬下的夏季、冬季典型風速風向下的室外人行高度處的風速、風速矢量和建筑物表面的風壓差逐一展開分析。

2.4.2 數值模擬結果分析

求解器經過1500次迭代數值計算最終得到后處理模塊研究區域夏季和冬季兩個季節的人行高度1.5m處風速云圖、建筑物表面風壓圖以及人行高度1.5m處風速矢量圖（見表6）。

表6 場地優化前后風模擬結果

夏季工況

夏季主導風向為南風，風速1.5m/s，由模擬結果可知，夏季由于校外建筑M、N和山體J的南端區域對主導風向來流風的阻擋，研究區域人行高度1.5m處風速處于0.1-1.2m/s之間，整體風速較低。受到建筑物形體朝向與夏季主導風向關系的影響，夏季風向完全垂直于宿舍樓建筑迎風面，所以在宿舍樓A-H每兩棟宿舍樓之間都存在不同程度的靜風區，尤其是C-D宿舍之間的靜風區面積比最大。風速矢量圖表示了風流動的方向，可以進行渦旋區計算分析，圖中標出風的流向與主導風向不一致區域，這些區域出現風的回流容易形成渦旋區，易積聚熱量，不利于顆粒物、污染物的流通降低空氣品質，對學生的健康和舒適有著不利影響。在建筑表面風壓圖中可以看出宿舍樓D、H兩棟建筑的迎風面風壓值可達到0.5pa，對室內通風有利，其余宿舍表面風壓值均小于0.5pa，不利于夏季室內通風。

冬季工況

冬季主導風向為東南風，風速1.3m/s，研究區域冬季風速主要位于0.1-1.1m/s之間，因為山體J的阻擋作用導致部分區域風環境出現渦旋但總體風速滿足要求，建筑物迎風面與背風面風壓差在合理范圍內，總體來說研究區域冬季風環境較為適宜，符合《綠色建筑評價標準》的規定。

3 方案優化及分析

經過上述分析可知主要是針對研究區夏季工況下風環境的優化調整，要考慮到經過調整后夏季工況風環境得到改善的同時冬季工況風環境的變化在可接受范圍之內。

3.1 方案優化

3.1.1 底層架空

經過實地調研了解到除了E棟宿舍樓底層用于商業配套設施外其余宿舍樓（A-D、F-H）低層均用于非機動車的停放，建議打通部分非承重墻體改造成底層架空（見圖5），基于實際情況設置架空高度為2.5m，通風架空率設為60%，以有效降低底層建筑對行人高度處背風側空氣動力學風速的影響。

圖5 架空示意軸測圖

3.1.2 打通夏季主導風道

削弱山體J對夏季主導風向風速的影響作用，建議將山體薄弱處進行缺口化處理（見圖6）打通來流風向缺口1和缺口2，使來流風的氣流暢通，同時打開缺口3、4，保證氣流流出使研究區域完成與外界空氣的交換。

圖6 打通夏季主導風道

3.2 基于CFD對優化方案的分析

對研究區變動調整后進行CFD數值模擬得到優化后的夏季和冬季行人高度處1.5m風速云圖、風速矢量圖、建筑表面風壓圖（見表6），分析風速云圖、風速矢量圖可知整個研究區域的靜風區和漩渦區明顯減少，對比優化前后建筑表面風壓圖可以得到建筑表面風壓差也在合理范圍內增大，有利于增加室內自然通風的效果，可以有效減少夏季空調能耗。針對校園宿舍學生活動密集區選取的24個測點進行優化前后冬季工況模擬結果風速數據的對比（見圖7）可已看出優化后研究區域整體風速值有所提高，但都處于2m/s之內，雖對行人舒適無較大影響，但可以提升空氣質量。優化前后夏季工況模擬結果風速數據的對比（見圖8），其中測點22風速值提升幅度最大為0.82m/s，風速擴大近3.6倍，也存在個別區域風速值減小如測點7、測點18，但研究區域總體風速值具有明顯提升，優化后學生活動密集區選取的24個測點平均每個測點的風速值相對優化前提高了0.22m/s，提高率為69%。

圖7 冬季各測點優化前后風速值

圖8 夏季各測點優化前后風速值

4 結語

經過PHOENICS對研究區域風環境的CFD數值模擬分析，顯示研究區夏季和冬季風環境的總體結果，結合綠色建筑評價總結得出夏季風速總體偏低，通風效果較差，對學生的健康和舒適具有不利影響；冬季風環境存在小部分靜風區和渦旋但總體較為適宜。在綜合考慮宜昌地區夏季通風條件下采取部分宿舍建筑底層架空、打通夏季主導風道的方式進行風環境的優化提升，經過改造前后的模擬結果對比分析顯示在保證冬季風環境適宜條件下有效的改善了夏季風環境，是一套行之有效的解決方法，體現出綠色建筑的理念。