建筑风环境模拟在方案设计优化中的应用

邱 雁 玲

(中国建筑西南设计研究院有限公司，四川 成都 610093)



建筑风环境模拟在方案设计优化中的应用

邱 雁 玲

(中国建筑西南设计研究院有限公司，四川 成都 610093)

以某建筑群为例，采用计算流体力学法，模拟了夏季与冬季两种工况下的室外风环境，通过对速度场、压力场的分析，评价了现有设计方案下相关建筑周围的室外风环境质量，并提出了优化建议。

建筑群，室外风环境，数值模拟，速度场，压力场

0 引言

建筑风环境研究集环境保护、城市气候、城市规划、建筑学等领域研究于一体，同光环境、声环境、热环境并列，在建筑环境设计中是非常重要的组成部分。建筑物周边的地貌、地形，建筑物自身的结构、尺寸、外形，以及相对其他建筑物的位置关系都是影响建筑风环境的重要因素。如果在建筑设计和城市规划中忽略建筑风环境问题，就可能在一些特定天气条件下对建筑自身、城市环境等带来一系列不利的影响，或对建筑自身某些功能造成影响，或影响建筑物周围环境带给人们的舒适感，严重的情况下可能会在建筑物周围造成风害，对生命和财产造成巨大损失。此外，室内风环境还同室外风环境有着深刻联系，特别是室外风环境对建筑自然通风、建筑防风等有着决定性影响。因此，在建筑设计阶段，需分析建筑物之间位置关系等因素对室外风环境的影响，评价建筑物室外风环境。

1 数值计算

本文采取CFD(计算流体动力学，Computational Fluid Dynamics)的方法模拟评价建筑物室外风环境状况，原理是在构建建筑物数学物理模型的基础上，通过求解流体流动控制方程、利用数字风洞模拟实际流动和通风情况。软件采用的是在多个领域得到准确性验证的英国帝国理工大学开发的CFD软件fluent[1]。

在初步分析建筑室外风环境流场湍流特性后，基于Boussinesq假设，可建立描述其气流运动特性的Reynolds时均的包括状态方程、能量方程、连续性方程、动量方程的控制方程组。为使方程封闭，湍流模型采用标准的K—ε双方程模型。其控制方程组如下[2,3]：

(1)

其中，U为速度矢量；Γ为广义扩散系数；ρ为密度；Sφ为广义源项；φ为通用因变量，代表特征尺寸l，湍流动能耗散率ε，湍流动能K，温度t，湍流粘度w，速度u，运动粘性系数v。

将建筑模型导入计算软件后并进行三维流动数值模拟后，可

得到建筑周边的流场和建筑表面的压力分布。为了简化建模，本文对模型做了部分简化，忽略了对风压分布影响较小的部分部件。CFD建筑模型示意图见图1。

通过项目所在地近50年来(1960年—2009年)的气象站风观测资料，计算累年各月平均风速可知，冬季室外最多风向的平均风速1.8 m/s，夏季为2.6 m/s。主导风向季节变化明显，夏季主导风向为东南偏东风，冬季主导风向为西风(见表1)。

表1 数值模拟工况 m/s

为了研究场地内风环境状况，需要对冬夏两季的场地内人行区风速，建筑物迎风面和背风面风压差进行模拟。

经过国内外研究人员大量现场测试、风洞实验以及调查统计，考虑室外平均风速和脉动风速，提出了室外风速的等级分类及效果以及行人的舒适感与风速之间较为具体的关系，如表2所示[4]。

表2 室外风速等级划分及效果 m/s

另外，建筑单体想要获得良好的通风情况，其迎风面和背风面存在合理的压力差是重要因素之一。在冬季典型风向和风速的条件下，建筑物迎风面和背风面表面压力差不应大于5 Pa。在夏季、过渡季典型风向和风速的条件下，可开启外窗室内及室外表面的压力差应大于0.5 Pa[5]。

2 结果与讨论

2.1 夏季工况

从图2风速分布矢量图中可以看出，建筑区域内行人高度处(1.5 m)风速较小，最大达到2.6 m/s。在这样的室外风场环境下，人体感觉到舒适。另一方面这样的风速也有利于空气流通，从而提升建筑周围的空气质量。场地内无不利于污染物扩散的漩涡或者无风区。

在室外公共设施布局时，可参考风速分布矢量图，将人群密度大的活动区域布置在风速相对较大(不宜大于5 m/s)区域，可使活动区域空气流通良好，保证空气质量。垃圾站、机动车停车场等易产生异味、废气的场所，宜布置在下风区。

由图3可见建筑物迎风面和背风面风压差最大处为9 Pa,部分建筑迎风面和背风面存在不明显压差。结合开口，现有的建筑布局可实现建筑室内夏季以及过渡季节的自然通风。

参照图3压力分布图，结合有目的的开口，可使室内空气产生流动，从而实现室内在夏季和过渡季节的自然通风。压力分布提供动力，开口特点决定流动阻力。在选择开窗位置和决定开窗面积大小时，应避免选择压力差过大的部位，如在这些部位直接对向开窗，会造成速度过大的穿堂风，从而降低室内居住环境的舒适性。合理的开窗位置在开窗位置存在压差的同时，充分考虑室内空气在风压差作用下的流向，使室内各空间都得到有效的换气。

2.2 冬季1.8 m/s(W)

从图4风速分布矢量图中可以看出，建筑区域内行人高度处(1.5 m)风速较小，均在3 m/s以下，在这样的室外风场环境下，人体感觉到舒适。另一方面这样的风速也利于空气流通，进而改善建筑附近的空气质量。建筑物周围也没有产生明显不利于污染物扩散的漩涡。

由图5可看出，各建筑前后压差较小，约3 Pa。这样的压力条件，有利于降低建筑在冬季因冷风渗透所引起的供暖能耗损失。建议迎风面在围护结构设计时加强气密性，从而减少供暖损失。

3 结论与建议

通过对夏、冬两个季节典型工况的模拟分析，根据分析结果，本文所模拟的建筑室外气流组织可达到如下效果：

1)模拟结果显示项目场地范围内在冬夏季工况下，场外风速均小于3 m/s，满足行人室外活动的舒适性要求。2)场地内不利于污染物扩散的漩涡和无风区。3)夏季工况下建筑物迎风面和背风面存在有利的风压差，此建筑布局可实现夏季的自然通风，有利于降低空调冷负荷。4)冬季工况下建筑物迎风面和背风面的风压差小于5 Pa，有利于降低冬季供暖负荷。

另外，根据此次模拟结果，对建筑进一步深化设计提出如下建议：1)在进行配套设施的布置时，充分考虑场地风环境，将人员密集活动区设置在风速相对较高的区域。在产生废气、异味的场所，如停车场、垃圾房设置在风速较高的下风区。2)在建筑进行外立面开口设计时，充分考虑室外风压场对实现舒适室内通风的影响。3)根据冬季工况的场地风压图，建议加强风压较大的迎风面围护结构气密性设计，从而降低冬季因冷空气渗透带来的热损失。

[1] 杨德江，荆 平.小区规划方案的大气流场模拟及环境影响分析[J].环境科学与技术，2008，31(9)：147-150.

[2] 王福军.计算流体力学分析[M].北京：清华大学出版社，2004：7-143.

[3] 陶文铨.数值传热学[M].第2版.西安：西安交通大学出版社，2003：332-380.

[4] 科技部.“十二五”绿色建筑科技发展专项规划[Z].2012-09-10.

[5] 中国建筑科学研究院.绿色建筑评价技术细则[M].北京：中国建筑工业出版社，2015：22-23.

The application of building wind environment simulation in scheme design optimization

Qiu Yanling

(ChinaArchitecturalSouthwestDesignInstituteLimitedCompany,Chengdu610093,China)

Taking a building group for example, using the calculation flow physical method, this paper simulated the outdoor wind environment under summer and winter two kinds of condition, through the analysis one velocity field, pressure field, evaluated the outdoor wind environment quality around related building under the existing design, and put forward the optimization advice.

building group, outdoor wind environment, numerical simulation, velocity field, pressure field

1009-6825(2016)13-0029-02

2016-02-21

邱雁玲(1988- )，女，助理工程师

TU112

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