某居住建筑小区风环境模拟评价

2018-07-12刘书言

建筑热能通风空调 2018年4期

刘书言

恒大地产集团华东公司

0 引言

风环境是指室外自然风在城市地形地貌或自然地形地貌影响下形成的受到影响之后的风场。风环境的设计在建筑设计初期有着极其重要的作用，如果住宅小区的风环境设计不合理，就会产生各种问题：先是在春秋过渡季节自然通风效果差，这就造成了住宅产生的热量不能及时通过自然通风排至室外，只能通过机械制冷方式来冷却，建筑能耗增加。如果小区冬季风速过大，会造成住宅冷风渗透现象严重，直接导致建筑的热负荷上升。同时如果在住宅小区某些位置形成漩涡或死角，污浊的空气和热量不能及时排除，小区的空气质量较差，对居民的生活造成不良影响，对行人行走也会造成安全隐患。综上所述，风环境对于住宅小区的建筑能耗、小区生活品质、安全等具有重要意义[1]。

目前分析和研究小区风环境的方法有三种[2]：现场观测法，风洞实验法以及计算机模拟法。计算机模拟法是采用数值求解流体动力学方程组的方法来对空气流动进行模拟，从而为住宅小区规划设计提供指导。由于计算机模拟法相对于前两种方法具有周期短，成本低，实验结果完备以及直观等优点，所以在对建筑室外风环境研究和优化方面应用越来越广泛。

2 绿色建筑对风环境的要求

2.1 GB/T 50378-2014《绿色建筑评价标准》中相关评价标准

《绿色建筑评价标准》在第四节室外环境部分4.2.6条要求：场地内风环境有利于室外行走，活动舒适和建筑的自然通风。本条要求利用计算流体动力学（CFD）手段通过不同季节典型风向、风速对建筑外风环境进行模拟。

城市中高楼大厦的数量与日俱增，建筑与建筑之间相互影响风场、压力场等现象越来越多，尤其是这些年城市的空气污浊和热岛效应日趋严重，并且在高大建筑周围产生较大的风速，严重影响行走的舒适及安全，所以风环境的合理优化就显得更加重要。在《绿色建筑评价标准》中也体现了风环境的重要性，在室外环境这一块共18分，风环境涉及6分，占了其中三分之一。

2.2 《绿色建筑评价标准》评价内容

在《绿色建筑评价标准》也对评价的内容作出具体的解释：①冬季建筑物周围人行区距地1.5m高度风速V<1.5m/s，建筑的迎风面与背风面风压不超过5Pa。②夏季、过渡季节不会形成漩涡区而影响室外散热和污染物消散。

风速和风压是评价居住小区通风质量的重要指标。风速过大不利于人员在小区内的活动，而风压太大则会造成建筑物门窗或者外表面的破坏，并会增加冬季的空调热负荷。

3 计算机风环境模拟

3.1 模拟软件介绍

流体流动的数据模拟即在计算机上离散求解空气流动的流体动力学方程组，并可以把模拟计算的结果以图形图表的形式直观的表达出来。本文采用FLOTHERM计算流体动力学（CFD）模拟分析软件。该软件可用来对各种类型，体量的建筑内部和周边的三维气流，气压和传热等物理现象进行模拟分析。

仿真中利用的FLOTHERM可获得流体温度、流体压力、流体速度等物理参数，其流体类型主要是空气，亦可为液体。该软件采用的有限体积法求解器，首先将计算域通过结构化网格划分成离散的控制体积，通过控制每个网格 (有限体积)的物理量守恒（Navier-Stokes方程）来进行求解，并用SIMPLE算法求解控制方程。

3.2 模型建立

利用FLOTHERM对建筑风环境进行评价分析时，建筑几何模型的建立以及计算区域的网格划分非常重要。建筑的几何形状会影响局部的网格质量。为了避免个别建筑物的不规则几何形态而引起的局部网格质量的下降，对建筑物的几何形状进行简化处理显得非常必要。另外，对计算区域的选择也十分关键。由于风场作用的范围较大，因此计算区域应选择较大，但过分地增大计算区域，会加大计算成本。合理的选择计算区域将有助于减少计算量。

本研究中，参照建筑平面图（如图1所示）进行建模，建模图如图2所示。