武汉城市住宅小区风环境计算机模拟分析

钱 义, 尚 涛, 詹 平

（武汉大学城市设计学院，湖北 武汉 430072）

武汉城市住宅小区风环境计算机模拟分析

钱 义, 尚 涛, 詹 平

（武汉大学城市设计学院，湖北 武汉 430072）

随着中国城市化快速增长，住宅小区风环境越发得到人们重视。对于夏热冬冷的武汉市，城市住宅小区冬季防风以及夏季自然通风显得尤其重要。通过Airpak3.0软件建立武汉未建小区模型，采用κ- ε湍流物理模型求解住宅小区内风速及风压方法来研究建筑布局与风场的关系。研究表明，计算机数值模拟能准确模拟小区风流场，建筑布局和风向角对小区风环境影响较大。采用数值模拟方法，结合城市风玫瑰图进行合理建筑规划布局，可为武汉住宅小区建筑布局规划建设提供指导和优化。

住宅小区；风环境；计算机模拟；建筑布局

城市住宅小区作为城市不断扩大、人口日趋密集的现代人居环境形式，其相关环境状况优劣被越来越多的人所认识与关注。住宅小区已不仅满足其居住功能，同时还应强调居住者健康舒适性以及环境质量的优越性。在住宅区的各种环境中，和人们生活最为紧密的就是住宅小区风环境和热环境，良好的室外风环境对节约能源和创造健康舒适室内外生活具有重要意义：利用自然通风解决夏季或过渡季的热舒适性问题，取代或部分取代空调；适宜的冬季防风设计，防止冬季冷风带走住宅周围结构的热量以降低建筑能耗，实现住宅节能；良好的风环境设计不仅改善居住的舒适度，还可以提高居住环境的空气品质；通过创造适宜的小区风环境便于人们舒适室外活动和行走空间。因此，为了营造健康舒适的居住区微气候环境，住宅小区风环境研究显得尤其重要[1]。

日本学者Azli Abd Razak[2]研究了建筑布局迎风面面积比例对行人风环境舒适度影响，研究推导出行人风速和建筑正面面积之比的函数。住宅小区风环境的研究工作在国内也有不少。重庆大学Yafeng Gao[3]通过计算机模拟研究了建筑布局对城市风环境影响，研究指出不同风速风向和不同建筑布局形式是影响行人舒适度的两个重要因素。天津大学杜晓辉[4]等对天津高层住宅小区风环境进行了模拟和分析，结合建筑规划设计提出了改进高层住宅群不利风环境的相应措施。武汉作为中国中部城市，是典型的夏热冬冷城市，因而对武汉地区住宅小区研究很有必要。利用夏季自然通风以减少室内空调使用和室外热环境对行人的不舒适感；同时武汉市冬季寒冷，通过合理的建筑群布局有利于冬季防风以减少小区热量散失达到绿色节能。

1 武汉风环境

武汉市地处中低纬度，属亚热带季风气候，四季分明，光照充足，热富水丰，雨热同季，冬冷夏热，无霜期长。武汉市年平均气温为16.2～16·7℃，冬季多东北风，夏季盛行东南风，在广阔湖面沿岸有“海陆”风，在黄陂北部山区有山谷风。据武汉气象资料显示，年平均风速为2.5～2.9米/秒，一年中有30%的日数，平均风速可达3米／秒以上，多年平均最大风速为14～19米／秒。武汉多年分月主要风向及频率情况，如表1所示。

表1 汉口多年分月主要风向及频率

参考武汉市风玫瑰图，如图1所示，全年主导风向为东北风，且夏季受热带季风影响突出，这里选取东北风和东南风为来流方向，如图2所示，分别来研究武汉市的住宅小区的冬季和夏季的风环境。

图1 武汉市风玫瑰图

图2 来流方向布置图

2 模型的建立

本案例研究为丝宝房地房开发（武汉）有限公司开发的听涛观海三期未建小区。建筑面积为228455m2，建筑密度为18%，容积率1.3。其详细规划平面图，如图3所示。规划小区位于武汉市黄陂区，距城区12公里左右。本建筑群为低层，多层，高层混合普通住宅小区。低层别墅区3层高共计22幢，位于小区北部；多层住宿区6层高共计 19幢，位于小区中部；沿路为 25-27层的高层区，共计14幢，所有建筑基本均朝南坐北布置。根据规划小区内每栋建筑的长、宽、高实际尺寸并简化对风环境影响很小的拐角、凸起等建立起听涛观海小区的三维模型，如图4所示。

图3 小区环境规划平面图

图4 住宅小区建筑的三维模型

3 数值模拟和分析

3.1 模拟计算指标

根据近年来武汉市的风资料可以得出全年日平均风速为2.8m/s左右，在模拟中取夏季风速为2.8m/s，来流方向为东南方向；冬季为3.0m/s；来流方向为东北方向。计算模型参考高度为10m，研究离地面1.5m行人高度小区建筑群周围在不同方向下平均速度场与风压场分布。根据绿色奥运建筑评估体系[5]对小区风环境提出明确要求，对小区风环境模拟进行分析和评价，即：

1） 在建筑物周围行人区1.5m处风速小于5m/s；

2） 冬季保证建筑物前后压差不大于5Pa；

3） 夏季保证75%以上的板式建筑前后保持1.5Pa左右压差，避免局部出现漩涡和死角，从而保证室内有效的自然通风。

3.2 计算边界条件

由于建筑和小区周围空气流动属于大气边界层低速不可压湍流流场，所以风场基本控制方程为流体连续性方程、动量守恒方程和能量守恒方程[6]。同时作为稳态流场，还需引入湍流模型。选取RNGκ - ε模型作为计算模型，这种模型在低速湍流计算中较为常用，计算速度和精度较高，而且对近壁地区和边界地区等湍流发展不完全区域的计算精度也能令人满意。

入口边界采用大气边界层，设置好大气边界层大小，迎风方向，风速，以及当地区域类型，也可根据实际情况选择离地Z和地面粗糙指数α数值。本研究案例中选用地面粗糙类别为C类：即地面粗糙指数为 0.22，边界层厚度 Z值为400m。建筑物附近风速可以按照大气边界层理论和地形条件来确定。不同地形下风速梯度也不一样，根据《建筑结构荷载规范》GB 50009—2001，地面粗糙度可分为A、B、C、D 4类，其相应值如表2所示[7]。模拟中将侧面出口边界设置为环境压力出口边界；将地面和顶面均设为固定不动无滑移的壁面条件。

表2 不同地面的粗糙度指数

3.3 冬夏两季风环境模拟

武汉住宅小区夏季主导方向为 SE，数值模拟时，取室外平均风速2.8m/s。如图5、图6所示，距地面1.5m处夏季风速和风压分布图。住宅小区冬季主导方向为 NE，数值模拟时，取室外平均风速3.0m/s。如图7、图8所示，距地面1.5m处冬季风速和风压分布图。

3.4 小区风环境模拟分析

图5 夏季距地面1.5m处速度分布图

图6 夏季距地面1.5m处压强分布图

图7 冬季距地面1.5m处速度分布图

图8 冬季距地面1.5m处压强分布图

通过对武汉住宅小区夏季与冬季室外风环境模拟结果分析，我们可以得到以下结论：

1） 通过对小区内低层，多层，及高层建筑在1.5m处风速、压强的比较与分析，可以得出场内的最高风速比来流风速高40%左右，且最高风速主要出现在来流方向狭窄通道上和建筑群迎风端口处，如图5～图8中的红色区域。

2） 从模拟结果可以看出，小区内绝大部分行人风速为 0.2m/s～0.8m/s，风速均小于 5m/s。但在小区建筑群迎风面拐角处，局部风速加大，在风速较大的天数里，有可能出现风速过大，建议在此位置处种植行道树等景观绿化植物形成挡风构筑物[8]，降低小区行人高度处的风速，避免风速过大造成行人安全问题和不适感。

3） 建筑周围空间环境中最大风速比（当地风速/来流风速）均小于2，因此，不会出现导致行人行走困难的突发性高风速情况。

4） 从模拟结果可以看出，大部分小区建筑前后压差不超过5Pa，满足《绿色建筑评价标准》中的规定。

5） 如图6所示，通过夏季小区建筑群风压模拟图可以清晰地看出：绝大部分板式建筑前后压差保持在1.5Pa左右，有利于夏季建筑室内的自然通风。小区建筑群的北部，低层建筑密度过高加上来流方向建筑群的遮挡会影响夏季自然通风，可通过降低建筑密度或布置水体绿化来改善通风状况。

4 结 论

论文参考气象资料对夏热冬冷城市武汉某住宅小区风环境进行了研究，分别考虑夏季和冬季的年平均风的作用下，该住宅小区风环境情况。对武汉住宅小区风环境的研究，我们得到如下结论：

1） 城市住宅小区的风环境与城市气象参数和建筑布局有关。从模拟结果可以看出，风速的大小和来流方向对小区风环境影响较大；建筑间距是风流动的通道，可通过调整建筑间距来促进冬季的防风和夏季的通风设计；

2） 城市住宅小区建筑群的规划设计在方案实施之前，应根据当地的风玫瑰图做适当的调整。对于夏热冬冷中部城市武汉而言，冬季主导风向是东北风，但是在通风要求较高的夏季，风向却是东南风，在小区规划阶段，可以通过CFD数值模拟该小区风环境，并做出相应调整；

3） 在建筑设计工程中，以数值方法预测建筑群的风环境是一种简便、快捷、有效的方法，可为规划阶段的方案优化提供科学依据，有效地避免在建筑建成之后可能出现建筑物理环境问题，为创造绿色节能舒适小区建筑风环境提供直观的数据参考。

[1] 陈卓伦, 赵立华, 孟庆林, 等. 广州典型住宅小区微气候实测与分析[J]. 建筑学报, 2008, (11): 24-27.

[2] Abd Razak A, Hagishima A. Analysis of airflow over building arrays for assessment of urban wind environment [J]. Building and Environment, 2013, (59): 56-65.

[3] Gao Yafeng, Yao Runming, Li Baizhan, et al. Field studies on the effect of built forms on urban wind environments [J]. RenewableEnergy, 2012, 46: 148-154.

[4] 杜晓辉, 高 辉. 天津高层住宅小区风环境探析[J].建筑学报, 2008, (4): 43-45.

[5] 绿色奥运建筑研究课题组. 绿色奥运建筑评估体系[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2003.

[6] 村上周三著. CFD与建筑环境设计[M]. 朱清宇等译. 北京: 中国建筑工业出版社, 2002.

[7] 尚 涛, 钱 义. 武汉地区住宅小区的风环境模拟及评价[J]. 华中建筑, 2013, (1): 48-51.

[8] 刘春艳, 彭兴黔. 沿海城市住宅小区风环境研究[J].福建建筑, 2010, (7): 145.

Computer Simulation and Analysis of Wind Environment in Wuhan Urban Residential District

Qian Yi, Shang Tao, Zhan Ping
( School of Urban Design at Wuhan University, Wuhan Hubei 430072, China )

With the rapid growth of China’s urbanization, the wind environment of residential districts is getting people’s attention more and more. The winter windproof and summer natural ventilation are particularly important for Wuhan city which is hot in summer and cold in winter. This paper establishes the model of planning residential district by using software of Airpak3.0 and researches the relationship between the layout of building and wind by using κ- εTurbulence model to solve the speed and pressure of residential district. The results demonstrate that computer numerical method can simulate the wind field accurately and wind environment is influenced obviously by the layout of residential district and inflow direction. Using numerical simulation method and reasonable building planning with the city wind rose can provide guidance and optimization of building planning construction for residential district in Wuhan area.

residential district; wind environment; computer simulation; building layout

TU 17

A

2095-302X (2013)05-0025-05

2013-05-21；定稿日期：2013-08-23

武汉大学博士研究生科研自主基金资助（201120902020001）并获2013年武汉大学开放实验项目资助。

钱 义（1986-），男，江西九江人，博士研究生，主要研究方向为数字建筑，建筑设计等。E-mail：qianyiwhu@gmail.com

尚 涛（1954-），男，河南信阳人，教授，博士研究生导师，主要研究方向为计算机图形学、建筑历史遗产、数字建筑等。

E-mail：tshang56@126.com