天津地区居住区采光与室外风环境模拟研究

牛盛楠，张欣宜，黄成，辛振宇

(1.山东建筑大学 建筑城规学院，山东 济南 250101;2.同济大学建筑与城市规划学院，上海 200092;3.万科企业股份有限公司，广东 深圳 518083;4.山东商业职业技术学院，山东 济南 250103)

0 引言

CFD(计算流体动力学)是通过计算机数值计算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析。随着CFD技术和计算机技术的发展，使用计算机对居住区风环境进行模拟研究成为评价居住区规划好与坏的一个必要有效的手段[1]。CFD技术方法包含3个主要环节——建立数学物理模型、数值算法求解、结果可视化输出。[2]

目前CFD在应用研究方面主要是研究室内湿度和结露分布、对自然通风的数值模拟(美国MIT和香港大学借助大涡模拟工具研究自然通风问题[3])、置换通风的数值模拟 (美国 MIT、丹麦Aalborg大学和中国清华大学在地板置换通风、座椅送风方面进行研究[3])、高大空间的数值模拟(中国清华大学以体育场馆为主的高大空间的气流组织设计及其与空调负荷计算的关系研究[3])。

文章利用CFD应用基础研究的前期成果来研究居住区的自然通风，对建筑物室外气流组织进行模拟，并通过对建筑物布局等进行良好规划进而影响建筑物室外流场，达到最佳流场分布需求[4]。首先针对居住区建筑室外布局的特点，使用Airpak软件在计算机中形成简化模型，在此基础上分析居住区建筑室外流场以及风速度场、风压力场分布，研究相邻建筑间风环境影响参数，讨论了建筑物高度、间距以及宽度等因素对于高层建筑室外风环境的影响[5]。

1 风环境与采光评价方法与依据

1.1 风环境评价方法与依据

在风环境评价中，风环境的主要感受对象是人。研究表明:在同时考虑平均风速和脉动风速的情况下，行人的舒适感与风速之间的关系如表1所示。本研究中对居住区行人高度风环境性能的评估将利用风洞试验结果按照 Law son标准[7－8]进行。按Law son评估标准需要从舒适性水平和危险性水平两个方面对行人高度风环境条件进行评估[9]。

表1 行人的舒适感与风速的关系表格[6]

调查统计显示:在建筑物周围行人区，若平均风速V＞5m/s的出现频率小于10%，行人少有抱怨;频率在10% ～20%之间，抱怨将增多;频率大于20%，则应采取补救措施以减少风速。另外，行人在风速分布不均匀区域活动时，若在小于2m的距离内平均风速变化达70%，即从低风速区突然进入高风速区，人对风的适应能力将大减[6]。

居住区风环境评价研究主要依据《中国生态住宅技术评估手册》[10]中有关规划设计阶段改善住区微环境条款中相关标准进行。评价标准如下:

(1)在建筑物周围行人区1.5m高度风速小于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左右的压差，避免局部出现漩涡和死角，从而保证有效的自然通风;

(4)并参考国家标准GB50180－93《城市居住区规划设计规范(2002 版)》[11]及 GB/T50375 －2006《绿色建筑评价标准》[12]中的条款。

本居住区的风环境模拟分析主要针对以下3个内容进行:

(1)首先对整个规划地块风环境进行模拟，给出总体风环境评价结论，筛选内部不利风环境区域。

(2)针对小区入口、道路节点处进行模拟分析。

(3)给出居住区中劣势风环境区域的改进建议。

依据甲方提供的规划图纸，通过现场实地考察及测试，应用CFD相关软件Airpak建立建筑组团模型，在此次建模过程中只考虑小区内部的风环境，小区周围暂不考虑。对该项目进行CFD数值模拟分析工作，主要完成了居住区1.5m高度处夏季、冬季的风速矢量分布图、风压等值梯度分布图。

1.2 居住区采光评价方法与依据

根据我国GB50180－93《城市居住区规划设计规范(2002版)》的规定，住宅日照标准应符合表2中以大寒日在8:00—16:00的有效日照时间带内满足2h日照时数为评价标准。

表2 城市居住区日照标准

2 实例模拟分析—天津某居住区采光模拟分析

图1 居住区总规划图(注:80#～86#—原有建筑;浅灰色—新建建筑)

根据GB50180－93《城市居住区规划设计规范》住宅日照标准，本案例居住区日照标准应符合天津地区大寒日阳面日照累积时数≥2h的要求。

本研究运用清华斯维尔软件对居住区建筑的日照情况进行模拟分析，结果如下:

图2 居住区建筑的等日照线

(1)图2、3中白色粗实线范围表示日照时间少于2h。从图2中可得知居住区的80#～85#楼均满足天津地区大寒日阳面日照累积时数不小于2h的国家住宅日照要求。

图3 86#楼等日照线

(2)从图2、3中可以看出居住区中的新建建筑对周围原有建筑形成了较为严重的遮挡，建议在新建建筑单元房型设计中进一步调整。

(3)对图3、4综合分析显示86#楼的部分住户位于白色粗线以内，日照要求没有达到国家标准，分别是:86#楼西端自西往东约8.7m处的一层到六层、东端自东往西约15m处的一层到六层，累积日照时数不到2h，建议新建建筑可降低建筑层数，提高86#楼的采光质量。

本居住区所包含的居住建筑物能够较好地满足采光要求，住宅之间较好地考虑了视觉卫生因素，避免视线干扰，保证了住户的私密性。窗户外有良好的视野，便于居民直接眺望外面的景色。

图4 86号楼立面等日照线分析图

基于以上分析结果，结合以下居住区室外风环境进行进一步分析评价。

3 实例分析—天津某居住区风环境模拟分析

3.1 当地气候介绍

天津位于华北平原东北部，处于北温带季风气候区。4—10月份多偏南风，其余各月多西北偏北风，但8—12月均以静风出现频率最高。市区风速的总体变化趋势:春季(4月)，秋季(10月)主导风向是西南偏南风，夏季(7月)是东南偏南风，冬季是西北偏北风，而且在冬季，市区静风频率出现频率高达18%。天津市区春季平均风速最大，为3.5m/s。天津大风天气(≥17m/s为大风)较多，市区全年大风日数多达40天，大风多发生在每年的11月份到来年的5月份。

3.2 数值计算条件

表3 各高度风速理论计算值表格

由上述对天津当地气候条件的分析可知，天津地区四季分明，冬天冷，夏天热，因此，在建筑设计中应考虑冬季避风、夏季通风。同时，天津多大风天气，应考虑由此，造成的人身伤害和建筑物周围主要通道处大风对人行走的影响。根据天津各个季节风向分布概率，对建筑周围风环境的分析应从夏季东南风、冬季西北偏北风、春季西南偏南风三个方面来考虑。对于大风造成的影响从冬季主导风向西北偏北风和春季主导风向西南偏南风两个风向来分析。

CFD中采用的气象条件参数各个风向计算条件(如表3所示)分析:气象条件参数——东南风:来流风速取夏季平均风速2.6m/s(10m高度平均风速);西北风:来流风速取冬季平均风速3.1 m/s。

3.3 风环境分析评价及建议

3.3.1 夏季风环境模拟评价

夏季风环境模拟主要评价露天公共活动空间的风向、风速是否适宜人们户外活动的散热。图5中白色实线圆圈区域形成了居住区的风口，风速相对较大，从图中右侧风速数据上可知此风口的风速是周围风速的2倍以上，风速适宜，比较适合夏季人们在此区域进行户外乘凉。

图5 夏季东南风1.5m处水平截面风速图

3.3.2 采光与风环境综合模拟分析

图6 采光、风环境综合模拟图

图6中白色实圈区域显示在夏季的下午太阳辐射相对不强烈，阴凉舒适，且风速相对较大，是人们傍晚散步、纳凉、进行户外活动的合适区域，根据风速数值可知，尤其以85#楼和84#楼之间的区域为最佳户外活动场所。除此区域以外的其它区域应配合植树等人工遮阳措施，可充分利用风资源营造理想的生活活动环境。

通过以上居住区夏季风环境模拟分析可以得出，夏季居住区整体气流分布合理，各处行人高度平均风速在3m/s以下，无较大涡流风场出现。居住区主入口处、规划道路地段、在点式高层间的行人高度风速约为2.5 m/s，均满足人们舒适性要求。

居住区规划的中部风速偏低，因此中部区域不适合夏季人们的乘凉活动。当风速低于0.4m/s时，从环境卫生方面考虑，空气中的污染物不容易扩散，在建筑群中，污染物在此聚集，影响环境卫生。如果出现这种情况，则需要调整建筑物的间距或相对位置，从而使得建筑物间通风通畅。

3.3.3 冬季风环境模拟评价

冬季风环境模拟主要评价交通要道上是否存在不利风场，人们公共活动区域是否充分避风。

(1)冬季风对交通出行的影响

图7中白色实线圆圈区域形成风口，图8中显示冬季寒风对小区几个入口影响很大，大部分入口恰好处在风口，会给人们的日常生活带来不便，并会对居住区人们的出行造成一定的影响。

(2)风、阳光、积雪对户外活动的影响

图7 冬季西北风1.5米处水平截面风速图

图8 冬季水平1.5m处风速等值梯度分布图

图9 采光、风环境综合分析图

图10 水平1.5m阶梯布局风速矢量分布图

图11 水平1.5m阶梯布局风压等值剃度分布图

图9中居住区用白色实线围合区域表示冬季日照缺乏(少于3h)，容易产生积雪且结冰，且场地开阔致使寒冷气流畅通无阻，在冬季寒风，缺乏日照、积雪的情况，此区域并不适宜户外活动。图10左中处于最上方的原有建筑的北面来袭风速大，且南面被新建建筑遮挡缺乏阳光，因此，此建筑在冬季处于十分不利的位置。

3.3.4 风环境建议

天津地区夏季盛行东南季风，冬季盛行西北偏北风，冬、夏季风向基本相反，因此居住区建筑布局应遵循东南低、西北高，呈阶梯状布局(如图10所示);夏季小区内不容易出现风影区(如图11所示)，由于下沉横风作用，建筑之间风速反比建筑两端大，且建筑前后易于形成风压差，有利于自然通风。

图12 水平1.5m阶梯布局风速矢量分布图

图13 水平1.5m阶梯布局风压等值梯度分布图

建筑冬季西北高楼可以阻挡寒风入侵(图12)，西北高大建筑有力阻挡寒风来袭，可使居住区内风速低至无风(图13)，除西北高楼前后风压差较大外，居住区内建筑前后风压差很小，不易形成冷风渗透，有利于围护结构冬季保温。

通过以上模拟分析可知:我国天津地区或者北方严寒及寒冷地区居住区的整体规划布局应根据当地风气候条件进行合理的规划布局(阶梯状或环状)，避开冬季寒风，利用夏季季风。小高层、高层北立面应尽量避免内凹面或凹角，应避免小高层、高层北向的环状、漏斗状建筑布局。适度控制小高层、高层南向环状、漏斗状布局，以及南立面出现较大凹角或凹面。

4 结语

在计算流体力学基础上开发出适合建筑师使用的风环境模拟系统，可利用本模拟系统对不同建筑物外型、尺寸、间距及不同来流角度情况下建筑物周围风场分布进行模拟。

文章通过采光模拟软件分析了滨海城市居住区建筑的自然采光效果，提出了相应的优化方案。而在居住区室外风环境优化上则应通过合理控制风速、风压差、合理调整住栋间距和迎风角度，并根据当地的气候条件避风或者导风。在居住区的局部区域要灵活运用绿化、地面粗糙度、建筑挡风以及建筑单体的吸风口等手法，提高居住舒适度。

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