仿古商業街自然通風設計優化策略研究

摘 要：本文對仿古商業建筑群室外自然通風特性進行模擬研究，探討優化街道布局和建筑設計以提高自然通風效果的方法。研究采用基于CFD（計算流體動力學）理論的建筑通風VENT軟件建立項目的三維計算模型，確定合理的計算區域、網格劃分及邊界條件，利用軟件針對兩種方案下，不同的建筑布局在冬季及過渡季典型模擬工況下的室外風環境進行模擬計算，分析不同的建筑布局對通風效果的影響。采用數值模擬方法對仿古建筑商業街通風性能進行評估，為改善商業街的通風環境提供理論依據。結果表明，合理的建筑布局和氣流組織可以有效改善商業街的通風狀況。

關鍵詞：自然通風；仿古商業街；數值模擬

中圖分類號：TU 83" " 文獻標志碼：A

仿古建筑商業街作為一種傳統文化與商業活動相結合的場所，受其密集的建筑布局影響，通風效果常常受到限制。因此，通過優化仿古商業街的建筑布局來改善室外風環境具有重要的研究價值。

目前現有的通風模擬方法有實地測量、物理試驗及計算流體力學（CFD）技術[1]。CFD結合了數學、流體力學和計算機科學的知識，通過計算機和數值方法，可以對復雜的流體流動問題進行模擬。與試驗研究相比，CFD研究成本低且不受模型尺度影響。CFD可以提供流場的可視化結果，通過顏色圖、矢量圖等方式展示流體的流動狀態，使分析結果更直觀。

1974年，丹麥的Nielsen首次將CFD技術應用于暖通空調工程領域。隨著CFD技術的不斷進步，它在暖通工程領域的研究和應用將會繼續發展。法國弗朗西斯·阿拉德采用CFD技術對建筑自然通風相關領域做出許多基礎研究[2]，勝興等人利用CFD軟件模型算法對校園風環境分別進行模擬計算，探討校園內存在的風環境問題及形成的原因[3]。

本文采用計算流體力學（CFD）軟件及其模擬原理，通過建立仿真模型和設定邊界條件，對仿古建筑商業街不同設計方案進行通風模擬分析。

1 研究內容

1.1 研究對象

本文研究對象位于淮北市老城中心區，總規劃用地面積為59732.84m2，總建筑面積為42824.31m2，地塊內部建筑以1層至2層建筑穿插結合布置的形式?；幢笔羞^渡季主導風向為NE，北側第一排建筑布局形式是影響場地室外風環境的重要因素，本案例原先設計方案是北側建筑平面布局采用組團式布局（如圖1所示），此方案的問題是由于北側建筑遮擋，室外風場到達此處時被建筑物截斷，因此造成建筑中庭處于無風區或渦流區，導致部分區域空氣流通較差，不利于過渡季室外通風散熱。

1.2 優化思路

優化思路借鑒嶺南傳統建筑中特定的“冷巷”布局方式，將截面面積較小的窄巷道分散布置于組團式布局中（如圖2中箭頭所示），通過窄巷道引導風場進入場地內部及建筑內庭，較大的風壓會通過通風口進入室內，加快室內外氣體交換的速度，從而達到改善群體建筑內部風環境的目的。

本文通過模擬兩種不同的建筑布局來分析室外風場的影響，考慮將巷道引入組團式建筑后，會導致局部區域風速過大，對場地內部風環境產生擾動，不利于冬季人員室外行走，影響活動舒適度。因此，首先將條件設置為冬季典型風向及風速工況，通過分析建筑物周圍人行區距地高1.5m處的速度云圖及風速矢量圖來比較場地內氣流組織分布情況，根據風環境數據探討優化方案的可行性。其次模擬過渡季典型風速和風向條件，根據模擬結果來判斷場地內人員活動區有無渦旋或無風區，場地內氣流組織是否符合行人的舒適度要求以及是否滿足建筑內部自然通風的需求。

2 數值模擬

2.1 模擬軟件

在建筑室外風環境研究中，CFD軟件以其準確性和有效性在該領域獲得了廣泛應用。在當前實際工程中，設計師常用的CFD軟件包括Fluent、Phoenics以及建筑通風VENT等。這些軟件提供了建模、設置、計算分析和模擬結果輸出等必要功能。

CFD軟件一般由多個模塊組成，包括前處理模塊、求解器模塊和后處理模塊。用前處理模塊創建或導入幾何模型、設置邊界條件、定義物理屬性等。求解器模塊是核心部分，利用數值算法對風場、溫度場、壓力場等進行數值模擬計算。用后處理模塊分析和可視化計算結果，最后根據模擬結果輸出相關數據（例如風速剖面、壓力分布、熱舒適度指標等）來分析和評估建筑物室外風環境狀況。

建筑通風VENT系列軟件專注于建筑通風方面的研究，針對各種復雜流動的物理現象，采用不同的離散格式和數值方法，提供專門針對通風系統設計和性能評估的功能，從而高效率地解決各領域的復雜流動計算問題。首先，確定計算區域，其次，將優化處理后的模型導入建筑通風VENT軟件中，得到模型的計算區域順風方向尺寸為860 m，寬度為817m，高度為148 m。最后，利用 VENT系列軟件自帶的網格劃分方法，對計算域進行網格劃分。內密外疏的網格結構在捕捉近壁湍流變化趨勢時確實可以帶來一些優勢。這種網格劃分方法在工程領域中廣泛應用，能夠提高計算效率并降低計算成本，同時獲取數據。

2.2 邊界條件及模擬參數

2.2.1 邊界條件

在模擬過程中，需要確定風速、風向、建筑物形狀和高度等室外風環境的基礎參數。根據這些參數來設置模擬的入口邊界條件，即速度入口邊界條件。當入口邊界條件認為室外風流經建筑物時，受到建筑物的阻礙作用，流速降低，方向發生改變。在模擬中，可以通過調整速度入口邊界條件的參數，來反映不用建筑物形狀和高度對室外風環境的影響。

本次模擬將出口邊界條件定位為自由出流。室外風流出建筑物后，不受任何阻礙，以恒定的速度繼續流動。這種出口邊界條件適用于室外風環境模擬中的建筑物位于主導風向時的情況。將其他邊界條件均定義為無滑移的壁面條件。當室外風流接觸到建筑物表面時，不會產生滑動或摩擦。這種邊界條件適用于室外風環境模擬中，建筑物表面光滑且無突出物的情況。

2.2.2 收斂判斷

本項目采用標準k-ε湍流模型進行室外流場計算。

2.2.3 模擬參數

選取淮北地區典型氣象年的平均風速、風向等參數，各工況的風向及風速詳見表1。

通過上述邊界條件及模擬參數設置，可對室外風環境進行模擬。在模擬過程中，通過觀察不同建筑物形狀對室外風環境的影響以及建筑物對室外風的阻力系數等參數，來評估室外風環境的質量。

3 結果分析

3.1 工況1（冬季主導風向平均風速：風向NNE、風速2.40m/s）

圖3為建筑布局優化前后，在NNE風向，2.40m/s風速下，場地人行區距地高1.5m處的氣流分布情況，周邊區域的風速為0.18m/s～1.69m/s，戶外休息區風速均小于2m/s，滿足冬季人們正常室外活動的基本要求。圖4為建筑立面風壓圖，由模擬結果可知，建筑迎風面與背風面表面壓差小于5.0Pa，有利于冬季的防風節能。

方案優化前后場地內人員活動區域，風速變化無明顯差異，說明將截面面積較小的窄巷道分散布置在組團式布局中，對冬季防風節能影響較小，能夠滿足冬季人們正常室外活動的基本要求。

3.2 工況2（過渡季主導風向平均風速：風向NE、風速2.40m/s）

圖5為過渡季主導風向為NE，風速為2.40m/s工況下，方案一建筑周邊1.5 m高度處的風速云圖及建筑立面風壓圖，這兩張圖直接反映了建筑周邊人行區域的氣流分布情況，建筑周邊區域的風速為0.13m/s～1.74m/s，但在箭頭指向的3處建筑內庭局部場所風速相對較低，導致部分區域空氣流通較差，易形成無風區或渦流區，不利于過渡季室外通風散熱。

圖6為過渡季主導風向NE，風速2.40m/s工況下，方案二建筑周邊1.5m高度處風速云圖及建筑立面風壓圖，由風速云圖可知，①平均風速為0.65m/s，②平均風速為0.34m/s，③平均風速為0.53m/s，場地內人員活動區及街道中心的風速基本為0.70m/s～1.95m/s。由建筑立面風壓圖可知，建筑立面前后壓差基本在1.68Pa～2.63Pa，風壓分布均勻，能使建筑室內獲得良好的自然通風和換氣效果。

4 結語

本文對兩種不同建筑布局方案進行建模處理，利用軟件模擬在冬季及過渡季典型風速和風向條件下，室外風環境的變化及影響，通過模擬結果可得出以下結論。1）通過對總體布局層面進行優化設計之后的方案進行數值模擬，得到了優化之后的建筑總體布局的相關數據分析圖，在冬季工況下，與優化前相比，優化后的風環境數據變化不大，確定了優化設計方案的可行性。通過窄巷道的處理，風速不會過大，有利于冬季防風節能。2）優化后的局部區域比優化前氣流組織變化大，空氣流通情況明顯改善，項目通過合理的建筑布置形式能夠有效引導風向，有利于過渡季通風，使建筑周邊人員活動區域氣流分布均勻，場地內沒有明顯的無風區、渦流區。3）室外風速是決定室內通風效果的關鍵因素之一。當室外風速較大時，可以加快室內外氣體交換的速度，引入新鮮空氣，保持室內空氣清新，良好的室外風環境可以改善室內自然通風，達到被動式節能的效果。4）通過參考借鑒“冷巷”的建筑設計思路，將組團式建筑布局方式分散切割成零散的窄巷道形式，通過窄巷道引導風場進入場地內部及建筑內庭，較大的風壓會通過通風口進入室內，加快室內外氣體交換的速度，從而改善群體建筑內部風環境，縮短局部內庭處空氣停留時間，有利于提高場地內的空氣質量。在城市規劃和建筑設計中，這有助于設計師更好地考慮室外風環境因素，提高城市的宜居性和舒適度。

參考文獻

[1]王頌，李金寶，蔣新波，等.基于數值模擬的城市建筑室外風環境研究[J].山西建筑，2021，47（18）：20-21.

[2] 弗朗西斯·阿拉德.建筑的自然通風：設計指南[M].北京：中國建筑工業出版社，2015.

[3] 勝興，崔潔，季愛宇，等.基于CFD的校園室外風環境模擬分析和優化設計[J].沈陽工程學院學報（自然科學版），2023，19（3）：1-5，18.