针对建筑室外风环境优化的数值模拟分析

毕超，刘昕晔

（中国中元国际工程有限公司，北京100089）

针对建筑室外风环境优化的数值模拟分析

毕超，刘昕晔

（中国中元国际工程有限公司，北京100089）

建筑周边人员活动区域的风环境品质既关系到行人的安全，又关系到人员逗留区域的舒适性，以及建筑本身的节能策略。论文通过计算流体力学（CFD）模拟技术，对建筑的人员活动区域的风环境进行分析，并基于此结果对人员活动区域进行热舒适度、风寒效应以及在沙尘极端天气下的评估和优化，制定建筑的节能策略。

CFD模拟；室外风环境；热舒适性；风寒效应；风力发电

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.06.023

1 引言

建筑室外的风环境分析不仅能够量化人员活动区域的安全风速，从而对相关区域进行优化改造，还可以评估人员活动区域的热舒适性尧冬季的风寒效应，探讨不同区域的风环境品质，从而对室外空间的休闲利用空间排布提供建设性参考遥另外，分析评估春季沙尘天气下，对建筑物外围护结构的损耗遥通过室外风环境的风速分布分析，可以对风力发电可再生能源的利用提供数据支持遥

2 研究对象

本文的研究对象位于北京市大兴区，周边暂未有建成的大型建筑，地势空旷平坦遥建筑集办公尧酒店尧研发中心为一体，屋面区域设计为屋顶花园，有景观水体尧室外休憩场所尧连廊和室内休闲场所，供建筑用户休闲娱乐，为室外风环境的重点分析对象之一。

另外，建筑物间有约15m宽的隧道，此隧道既作为排风通道，又供人行和车行之用，由于隧道普遍对风有加速作用，故此处亦是室外风环境的重点研究对象。

图1 研究对象的几何模型

3 边界条件

3.1 气象条件

本文的分析对象位于北京市，北京位于北纬39.93毅，东经116.28毅，处于大陆性温暖季风区。具体的气象参数如表1所示。

3.2 数学模型和边界条件

在本分析的CFD流体力学计算中，采用K-Epsilon湍流模型，空气的流动状态采用Boussinesq模型，即粘性、不可压缩、低速的湍流流体。

表1 室外风环境分析的气象参数[1]

1）入口边界条件

采用速度入口边界条件（velocityinlet）。在大气层底层中，风速是沿着高度变化的，其变化规律可以用指数率或对数率来表示，其中指数率最为常用[3]。如下式所示。

式中，Uz为距地高Zm处的风速，m/s；Z为距地高度，m；Z0为气象站风速测点距地高度，一般取10m；U0为气象站所测风速，m/s；a为地面粗糙度[4]，取0.16。

2）出流面

假设空气到达出流面已经充分发展，所谓充分发展，意味着出流面上的流动情况由区域内部外推得到，对上游流动没有影响，因此，出流面边界条件可以设置为出流（即outflow，用于模拟在求解前流速和压力未知的出口边界，使用于出口处的流动是完全充分发展的）。

3）上空面与两侧面

由于本文所选的计算区域较大，上空面和两侧面都远离建筑物，可以认为上空面和两侧面对建筑周围空气的流动没有影响，其边界上法向速度梯度为零。所以，采用了对称边界条件（symmetry），也就等价于“自由滑移”面。

4）建筑表面与地面

采用无滑移的壁面边界条件（wall）。

4 CFD分析模型

本分析采用专业化的前处理ICEMCFD划分网格，此分析生成的网格数量约为1 500 000个。分析中使用了专业CFD软件STAR-CCM（4.14版）。STAR-CCM近年来在工程界已被广泛用于工程计算分析，被认为是最有效和可靠的商用软件之一。它结合计算结构网格和非结构网格所需的高精度与工程应用时所必需的高效性、可靠性为一体，提供最为可靠的计算结果。它已经被广泛应用于实际项目中空调室内环境及建筑环境分析中，并得到不断的验证和优化。

图2 研究建筑的网格模型

5 热舒适性分析

TS（thermalsensation）值用于评估人体在不同环境下（主要因素包括温度Ta，太阳辐射值SR和风速WS）的舒适程度。当TS在3～5之间，舒适度较好。TS=4时舒适度为最佳，TS<3时人体感觉较为寒冷，TS>5时人体感觉较为炎热。

TS=1.2+0.1115伊Ta+0.0019伊SR-0.3185伊WS[5]

图3 屋面位置风速分布图

在春季，人员活动区域处风速约为3m/s，TS=3，感觉偏冷。故建议在此区域植树，以阻挡过大风速，增加人体热舒适性。在夏季，此人员活动区域处风速约为1.5m/s，TS=5。在图3中所标示的回廊位置，风速小于1m/s，故建议在屋顶回廊的墙面开孔，尽量减少对夏季风的阻挡，引入自然风，提高风环境。另外，可以通过在风速较小区域增加水池，通过水分蒸发冷却作用降低环境温度。在秋季，此区域平均风速约为1.0m/s，故TS=4，符合人体舒适感要求。如图3中标示，此人员活动区域处风速约为2m/s，TS=2.9，人体感觉偏冷。故建议在此区域植树，以阻挡过大风速。在冬季，此区域平均风速约为2.0m/s，故TS=0.5，人体感觉寒冷。由于冬季TS过低，人体感觉寒冷，建议将所有回廊封闭，以降低冬季气温过低给人体带来的不适感。另外，为保证夏季的通风，建议回廊设可开启窗或者开孔，既保证回廊区域冬季的保温，又保证了夏季的自然通风。另外，孔洞处虽非人员活动区域，但过大风会通过此处渗入建筑内部，故建议设置围挡。

6 隧道风研究

建筑物间有约15m宽的隧道，此隧道既作为排风通道，又供人行和车行之用，由于隧道对风有加速作用，故需要对此处风环境进行分析和优化。

图4 春季典型隧道位置风速分布图

图4为距地面1.5m（人行高度）平面的室外风速分布图。如图中箭头标示位置，在四季的室外平均风速条件下，隧道位置的风速均低于5m/s，满足建筑物周围人行区风速低于5m/s的要求[6]。

但是，由图4中可以发现，隧道对室外风有加速的效果，当春季和冬季的室外风速在1.5m人行高度达到约4.4m/s时，隧道处风速有可能出现5m/s以上。故建议考虑减小隧道两端的开口，阻止过大风。另外，由于隧道处设计为排风通道，建议采用顶排方式，将所有的排烟口安排至隧道的上端，并将隧道的人行区域和排风区上下隔开，由此形成上部排风通道，此通道对风速有加强效果，可以利用隧道风，减小风机能耗。具体如图5所示。

图5 隧道布局改造示意图

7 冬季风寒效应

所谓风寒，是指加拿大学者在2001年提出的风寒效应指数（WCI）。风寒效应指数是根据风寒效应所定立的指数。而风寒效应的出现是由于风会影响我们对冷的感觉，从而导致人们对冷暖的感觉与温度计的读数有明显的分别。在冬季期间，强风天气会使人对冷的感觉更加明显。这种风速与人体对外界感觉的关系，称为风寒效应。

WCI=（10.45+10^V-V）（33-ta）/1.162（W/m2）

式中，V为室外风速，m/s；ta为室外温度，℃。

另外，人体感受温度（teq.wc）受风速和室外温度的影响,可表述为

图6 屋面区域人行高度处的人体感受温度分布图

在冬季强风情况下，人行区域处的人体感受温度在-8℃～-3℃范围内，特别是在图6中标示区域的人体感受温度<-10℃。整个人行区域的WCI<1400，裸露肢体在室外不可超过5h。鉴于屋面人行区域的人体感受温度过低，建议所有回廊设围档，以保证人行通道区域免受冬季强风的影响，且在屋面人行区域的标示位置种植常青树，以阻挡过强风速。

8 春季沙尘天气分析

北京是风沙活动和沙尘暴的高发区之一。所谓风沙活动，就是大风作用于干燥的地表所引起的一系列物理现象。通常是颗粒细小的沙尘飞入大气之中，处于悬浮状态，同时，受到大气的空间运动的影响。沙尘借助于高空气流可移动到数十公里乃至数万公里以外。沙尘天气不只会对人体舒适性产生影响，还会造成建筑物的外围护结构的损耗。

图7为沙尘天气对建筑物外立面损耗的几率分布图。其中红色区域代表建筑物的受损潜在性较大。图中表示区域在春季沙尘天气的受损潜在性较大，故建议在此区域设置良好的围护结构。另外，为减小风速，建议减小隧道两端的开口。

图7 建筑物围护结构损耗几率分布图

9 可再生能源——小型风力发电机

由风速分布情况可知，在隧道和屋面拐角位置，建筑布局对风速有加强的效果，对于可再生能源而言，若选用风力发电机，风速的增加会加强其发电量。故以下选取典型位置的加速风速，利用风速的韦伯分布，对小型发电机的发电量进行估算。

9.1 韦伯（Weibull）分布[8]

式中，x是随机变量；λ＞0是比例参数（scaleparameter）；k＞0是形状参数（shapeparameter）。

显然，它的累积分布函数是扩展的指数分布函数。风力发电机的发电量不仅与平均风速有关，还与风速的全年分布有关系。

9.2 分析结果

小型风力发电机的估算条件如下：

风轮直径：2m；

切入速度：5m/s；

切出速度：14m/s；

风力发电机效率：35%；

形状参数：2。

计算得出，每台小型风力发电机产电量较小，约为850kW·h/a，逐月发电量如图8所示。

10 结语

室外风环境的模拟可以为建筑场地的热舒适性和节能潜力提供依据。通过TS（thermalsensation）值对热舒适性进行评价。对室外热舒适性较差的区域，建议通过在相应区域植树、设置水景、在回廊墙壁设置可开启窗等措施进行优化，从而改善较差区域的热舒适性。通过隧道风的研究，将隧道区域根据使用功能进行合理的分割，将排风区域隔离，利用大风速加速排风效果，减小风机能耗；将下部设置成人行区域，减小两端隧道的开口，阻止过大风。利用风寒指数进行冬季风寒效应的评估，对风寒效应较大的区域设置适当的遮挡设施，减小风寒效应引起的人体不适感。通过评估春季沙尘天气对建筑外围护结构的损耗情况，对幕墙维护结构性能提供指导。通过分析风速较大区域，在可以利用小型风力发电机的位置对发电量进行估算，从而为建筑发掘可再生能源的利用潜力。

图8 每台小型风力发电机的逐月发电量

【1】GB50178—93建筑气候区划标准[S].

【2】彭珍，刘熙明，洪钟祥，王丙兰.北京地区一次强沙尘暴过程的大气边界层结构和湍流通量输送特征[J].气候与环境研究，2007（3）：268-276.

【3】黄本才，汪丛军.结构抗风原理及其应用[M].上海：同济大学出版社，2008.

【4】GB50009—2001建筑结构荷载规范[S].

【5】Givoni,B.andNoguchi,M.,（2003）"Outdoorcomfortresearchissues，EnergyandBuildings",v.3577-86.

【6】GB/T50378—2014绿色建筑评价标准[S].

【7】MauriceBluestein.APPLIED HEAT TRANSFER IN THE DEVELOPMENTOFTHE NEW WIND CHILL TEMPERATURE CHART[C].//2004 ASME International Mechanical Engineering Congress（IMECE2004）,vol.1.2004:47-53.

【8】丁明,吴义纯,张立军，等.风电场风速概率分布参数计算方法的研究[J].中国电机工程学报,2005,25（10）:107-110.

Computational Simulation for Building Microclimate Optimization

BI Chao，LIUXin-ye
（ChinaIPPRInternationalEngineeringCo.Ltd.，Beijing 100089,China）

The microclimate of pedestrian area is very crucial for both the safety of occupants and the thermal comfort,as well as the potential of energy saving strategies.In this article,the microclimate analysis is carried out via computational fluid dynamics（CFD）to evaluatethethermalcomfort,windchilleffectandenvelopenhancementinsandstorm,aswellastheenergysavingstrategies.

CFDsimulation;microclimate;thermalcomfort;windchilleffect;windturbine

TU201

A

1007-9467（2016）06-0093-04

2016-03-02

毕超（1985～）,女，山东平阴人，助理工程师，从事绿色建筑和建筑环境研究，（电子信箱）54696407@qq.com。