绿色校园的环境适应性研究

■ 钱 锋 Qian Feng 杨 丽 Yang Li

绿色校园的环境适应性研究

■ 钱 锋 Qian Feng 杨 丽 Yang Li

学校作为一个城市单元，校园的风环境和自然通风情况都会影响着师生的学习生活环境品质。运用计算流体力学对某中学建筑周围的风环境流场及建筑物表面的平均风压进行数值模拟，借助FLUENT软件计算分析，结合相应指标对校园建筑不同高度的自然通风情况、宜居性进行了评价，对我国的中学校园规划设计、建筑舒适性的改善及建筑节能有一定的指导意义。

绿色校园；建筑群布局；舒适性；风环境

0 引言

学校作为学生日常学习生活的场所，其中的建筑造型、尺度和规划布局情况会对校园生态环境产生重要的影响[1,2]。合理的建筑布局设计可以改善建筑周围的风热环境，提高校园舒适度，降低供暖制冷能耗。因此，在设计阶段，对校园规划方案进行风环境评估，对于优化建筑设计，建设节能环保型校园有显著的指导作用。

本文以我国南方地区的一所中学（图1、2）为例，通过探究其校区改造后的风环境情况，对改造方案做出评价。由于数值模拟比实地测量和风洞试验得出的计算结果更直观和详细，被国际上广泛采用，故本文使用专业CFD软件FLUENT对该校园的建筑风环境进行计算和分析。

研究结果表明，建筑改造方案确实有利于校园风环境的改善和舒适度的提高。

图1 中学教学区鸟瞰图

1 数值模拟

计算流体力学（CFD）是用电子计算机和离散化的数值方法对流体力学问题进行数值模拟和分析的一个新分支。随着计算机硬件工业的发展，CFD成本低廉，能够模拟较为复杂的计算过程，且与风洞实验的结果差别不大[3]，故在近20年中得到了广泛的应用[4,5]。

图2 中学区位图及改造前建筑布局

本次模拟使用的CFD软件是由美国FLUENT Inc.推出的FLUENT软件，它将不同领域的计算软件组合起来，成为CFD计算机软件群，软件之间可以方便地进行数值交换，并采用统一的前、后处理工具，用来模拟从不可压缩到高度可压缩范围内的复杂流动。由于采用了多种求解方法和多重网格加速收敛技术，因而FLUENT能达到最佳的收敛速度和求解精度。

数值模拟的过程分为几何建模、选择湍流物理模型、定义边界条件、生成网格、求解和后处理。

Launder and Spalding提出的标准k-ε模型是工程流场计算中的主要工具[6]，该模型假设流动为完全湍流，忽略分子黏性的影响，由于其在数值计算中波动小、精度高，计算量合适，应用较为广泛[7][8]。本文采用RNG k-ε湍流模型来进行模拟[9,10]，其湍流控制方程如式（1）～（4）所示：（1）为连续性方程，（2）为动量方程，（3）为k方程，（4）为ε方程。

其中，Ui(i=1,2,3)，分别为沿坐标轴x、y、z方向的平均速度分量；

k、ε——湍流动能和湍流耗散率；

p——平均压力；

ρ——空气密度

Sij——平均应变张量分量；

γ——气流运动黏度；

Cu=0.085， C1=1.42，C2=1.68，σk=0.72，σε=0.72，η0=4.38，β=0.015。

2 数值模拟在校园建筑风环境中的应用

2.1 外部环境

案例地处我国东南部，本文选取其所在的城市气象数据作为外部条件。该地位于江淮之间，全年气温变化的特点是冬寒夏热，春秋温和，为亚热带湿润季风气候，风向有明显的季节性变化。冬夏季节时间较长，分别为4个月；春秋季节持续时间较短，分别为两个月。全年平均气温在15～16℃之间，年日照时数在2 000h左右，年平均绝对湿度自北向南为13～17hPa，年平均风速在1.6～3.3m/s之间，夏季以东南风为主，冬季以东北风为主（表1），而春秋两季是风向转换季节，多为东风。

表1 合肥地区气候条件

本次实验使用FLUENT对夏季和冬季两种工况进行模拟，从而对建筑外部风环境进行研究。

2.2 建筑群模型的建立及计算区域的确定

选取某中学的建筑群为分析对象，其改造方案平面设计布置如图3所示，教学楼、综合教学楼、图书馆、宿舍、食堂、风雨操场等建筑呈散点式分布。该建筑群建设用地南北长约300m，东西宽约230m，均为低层建筑（图4）。本文按照1∶1的比例对校园建筑建立简化模型，其中教学楼高度为16～24m不等，综合教学楼高17m，图书馆高10.2m，宿舍楼高度分别为20m和24m，食堂高12m，风雨操场高5m。

在进行风环境数值模拟之前，首先需要确定有效的计算区域，合理的计算区域范围有利于提高模拟的准确性，减少计算量。经过反复研究和计算，本文选取的计算区域大小为600m×500m×80m。

2.3 边界设定及网格划分

确定了计算区域之后，需要设定合理的边界条件，以真实地模拟建筑环境。分析案例中的中学所处的地理位置及其气候条件，判断其不同季节的主导风向和风速，从而确立模拟区域的输入输出条件，以此代替完全开口的流场。①入口边界条件：采用速度进口边界条件（Velocityinlet），分别以当地夏季主导风东南风和冬季主导风东北风作为入口风向进行计算；②出口边界条件：定义流场的出口为自由出流边界Outflow[11]；③固体壁面边界条件：采用了无滑移壁面条件(Wall)，设定为自由滑移表面。

图3 校园建筑布局改造方案

图4 教学楼改造后效果图

在模拟过程中，网格的质量往往影响着计算的准确性和精度。Yoshihide研究小组曾对7个案例的数值计算、风洞试验和实测结果进行比较，总结了CFD计算中网格划分的一些原则[12]。本文借助FLUENT的前处理软件Gambit对流场计算区域采用非结构化网格划分，非结构化网格没有规则的拓扑结构，网格形状种类多，灵活度高，便于模拟复杂的下垫面。试验先在建筑物壁面处布置较为密集的网格以适应流场的变化，而建筑群外围则布置较为稀疏的网格，再由面到体对整个流场进行区域划分[13]。这样确定布置30 011个网格节点，形成97 640个四面体单元。建筑表面和地面网格划分见图5。

图5 建筑简化模型和非结构化网格图

图6 夏季5m（左）和15m（右）高度建筑群周边风速矢量分布图

图7 冬季5m（左）和15m（右）高度建筑群周边风速矢量分布图

表2 行人高度处蒲福（BEAUFORT）指数定义及人的行为表现

3 中学建筑群风环境分析

下面是对改造后的校园建筑群周边区域的风环境模拟，分为冬夏两季。将教学楼图书馆、宿舍、食堂等建筑模型按照等比大小导入FLUENT中，环境风的方向分别为(夏季)东南方向和（冬季）东北方向，大小分别设为2.8m/s和2.6m/s。经过计算，得出不同高度的风速矢量分布图。

图6、7分别是夏冬两季5m、15m高度学校建筑群周边环境的风速矢量分布图，夏季大部分区域风速在0.2～4.7m/s之间，最大风速不超过6.5m/s，冬季风速在0.04～3.7m/s之间，根据蒲氏风级表（表2）的定义和HUNT标准[14]，风力大小均在一个较为舒适的范围之内。从图中可以看出，由于建筑物的遮挡，在建筑物的背风区会产生明显的风影区，风影区风速大幅下降。后排建筑由于被前排建筑遮挡，其迎风面也会处在风影区内。通过对比可以看出，随着高度的增加，建筑物遮挡减少，通风效果逐渐加强，风速变大。

案例中的学校建筑群布局可视为散点式，散点式布局常见于低层独立住宅、多层点式及高层塔式住宅，由于其建筑群自成组团或围绕中心建筑、公共绿地、水面进行布置，有利于通风[15]。图中的建筑走向基本一致，与冬夏两季风向入射角均呈约30°～50°夹角，既保证了建筑群良好的通风，也避免了风直接穿过建筑或形成大的风道给学生带来不适感。

由图中可看出，夏季，由于校园南部的教学楼体积较小，几乎不会对中心广场北侧的一排教学楼进行遮挡，保证了中心广场和教学楼的通风，为学生的学习和室外活动营造了良好的条件。而冬季，由于中心广场北侧的教学楼群呈“L”型，因此阻挡了寒冷的东北风，使得中心广场和南侧教学楼处于风影区，有利于建筑节能和学生户外活动。

校区在改造之前（图2右），食堂和办公区之间的过道由于与冬季风向一致，且上风向无建筑物遮挡，容易形成风道，给行人造成不适；在新的布局中（图3），这条道路向北移动了一段距离，冬季恰处于住宿楼的风影区，在一定程度上降低了该处的风速。规划中还设计了一座围合式的综合教学楼，这种布置形成了封闭的内院空间，空气流动缓慢，风速较小，可以作为一些特殊室外活动的场地。

图8、9分别是夏季和冬季5m和15m高度校园建筑群周边的压力云图，从图中可以看出，建筑群的迎风面主要为正压区，侧面也会有正压区出现，而建筑的背风面基本上都是负压区。随着高度的上升，建筑物对风压的影响越小，建筑正背面的压差逐渐降低，通风性有所下降。但是总体上教学区通风顺畅，有利于教室空气流通。

4 结语

环境中风的状况直接影响着人们的生活，而风环境状况不仅仅与当地气候有关，还与建筑物的布局、朝向、密度、高度等因素有关[16]。学校作为一个学生聚集的场所，其风环境的舒适与否直接影响着学生的日常学习和户外运动。本文使用CFD软件，对某中学的规划方案进行建筑的风环境模拟，并分析了在不同主导风向下风环境的动态变化情况，得出以下结论：①案例中主要通道的风速均低于4.7m/s，满足行人室外活动的舒适度要求；②建筑物周围没有产生明显不利于污染物扩散的涡旋，保障了校园的空气品质；③建筑的迎风面和背风面存在一定的压差，有利于建筑自然通风和建筑节能。由此可见，新的规划布局确实在一定程度上改善了校园的风环境，提高了人的舒适度，具有一定的合理性。

图8 夏季5m（左）和15m（右）高度建筑群周边压力云图

图9 冬季5m（左）和15米（右）高度建筑群周边压力云图

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Study on Environmental Adaptability of Green Campus

School is an urban unit, both the wind environment and natural ventilation condition have inf uence on the quality of the study and living environment. By utilizing the computational f uid mechanics, the paper carried out digital simulation to the f ow f eld of the wind environment around the building of a high school and also to the average surface wind pressure of the building. Combining corresponding indices, the natural ventilation condition and the livability at dif ferent height of campus building are evaluated, which can guide the planning and design of Chinese high school campus, improvement of building amenity and building energy saving to some extent.

green campus, planning of building cluster, amenity, wind environment

2016-09-08）

国家自然科学基金资助（项目批准号：51178313/E0801；51378365）。

钱锋，同济大学建筑与城市规划学院教授、博士生导师、博士，高密度人居环境生态与节能教育部重点实验室（同济大学）主任；杨丽，同济大学建筑与城市规划学院教授、博士生导师、博士。