室外风环境实测及PHOENICS 模拟对比分析研究＊——以徐州高层小区为例

段忠诚 方焕焕 李佳珺 王善行

1 中国矿业大学

2 江苏建筑节能与建造技术协同创新中心

在现有研究中，多数学者根据风在高层建筑周围绕流情况，对高层建筑易引发的建筑下行风、大面积风影区、街道峡谷风等风环境问题进行过研究，也从高层建筑单体、建筑群布局、景观绿化等方面提出了改善高层建筑室外风环境的设计策略。

Quan Yong、李传承等人采用问卷调查和CFD模拟相结合的方法，研究了夏热冬冷地区板式高层建筑冬季室外防风策略[1，2]；Zhang、王辉、马剑、Blocken等人对高层建筑室外风环境进行了定量研究，分析了室外风环境的特征及成因，并提出相应改善措施[3-6]。目前对建筑室外风环境的研究方法主要有现场实测、风洞实验以及CFD数值模拟技术三种。王福军认为通过CFD数值模拟技术，可以得到极其复杂问题的流场内各个位置上的基本物理量分布以及这些物理量随时间变化的情况，CFD数值模拟技术与CAD联合还可以进行结构优化设计等[7]。欧洲COST、日本AIJ的研究机构以及国内的李魁山、庄智、韩沐辰等人研究了CFD模拟软件中模型简化、计算模型、网格处理、边界设置、方程求解、模拟工具选择等模拟技术要点[8-12]。

由此可见，国内外已经对建筑室外风环境进行了深入研究，然而大多数风环境研究采用CFD软件模拟的方法，现场实测研究方法使用甚少。我们认为CFD软件模拟是在理想状态下进行的，而建筑室外风环境实际情况很复杂。因此，我们先对徐州地区阿尔卡迪亚、紫金东郡两个小区室外风环境进行现场实测，定量分析各测点风速并对比软件模拟结果，以探究现场实测法与软件模拟法所得结果的差异与关联。

1 研究对象

阿尔卡迪亚是以高层为主的居住社区，辅以部分小高层，该地块建筑排列错落有致，有利于住区内部通风（图1）。紫金东郡总建筑面积约45万m2，绿化率约48%；紫金东郡二期内部建筑以高层、小高层为主，且以行列式分布为主（图2）。根据住区规模，每个住区选择若干个测点，测点选择原则：1）行人活动频率较高的场所，如住区主入口、公共活动场地、主要交通道路等；2）容易产生不良风环境的场所，如高层建筑侧面道路、建筑围合度较高的场地等；3）影响建筑室外微气候的区域，如景观绿地区域。

2 研究方法

2.1 实测法

我们于2016年6月29、30日对阿尔卡迪亚、紫金东郡两个小区开展室外风环境现场实测，测试仪器选择了手持式热式风速仪、GG-WDS2二维风速风向仪器与多通道风速风向记录仪（显示与记录GG-WDS2二维风速风向测试仪获取的风速风向）对住区各测点的风速风向进行了测试（图3）。

仪器记录方法：手持式热式风速仪可显示5s内的平均风速，在实测的时间段内，将仪器感应探针放置在1.5m高处记录，测量同学每隔10min连续读一组数据，每组120个数据，一共记录10组共1 200个数据（图4）。GG-WDS2二维风速风向仪器与多通道风速风向记录仪可不间断记录测点风速与风向，测试过程中将GG-WDS2二维风速风向仪器同样放置在1.5m高处。

1 阿尔卡迪亚各测点定位图

2 紫金东郡各测点定位图

3 测量仪器示意图

4 手持式热式风速仪实测现场

5 阿尔卡迪亚风环境实测数据

6 紫金东郡风环境实测数据

2.2 模拟法

对调研小区夏季室外风环境进行软件模拟分析，尝试探讨实测与软件模拟结果间的关系。模拟使用的风参数从中国气象数据网获得，为6月29、30日现场实测时间段内的大气平均风速与主导风向，详情如表1。

3 研究结果

3.1 现场实测结果

3.1.1 阿尔卡迪亚实测结果

2016年6月29日下午15:20～18:30对阿尔卡迪亚（A区）住区进行室外风速实测，通过中国气象数据网获得测试时间段内大气平均风速为2.4m/s。实测时对4个测点1.5m高处风速进行了同步测量。在15:20～18:30时间段内对每个测点风速进行了10组测量，每组测量持续时间为10min，将每组120个数据取平均值，各测点可获得10组平均风速（图5），将获得数据整理如表2。

对各测点数据整合后，运用风速大于1m/s的概率和平均风速两个指标来比较各测点风速的情况。从表2中可以看出，测点1的10组数据中风速大于1m/s的概率仅为40%，平均风速仅为0.86m/s，该处风速不利于夏季空气散热和污染物排放，通风效果不佳；测点2和测点3处风速大于1m/s的概率皆为70%，且平均风速为1.35m/s和1.21m/s，满足夏季基本通风需求；测点4风速大于1m/s的概率为0，平均风速为0.71m/s，该处风速不满足夏季通风最低要求，通风效果较差。4个测点的通风效果为测点2>测点3>测点1>测点4。结合前期分析，我们认为测点1、2、3处通风效果皆受建筑布局影响，测点4处通风效果主要受植物景观影响。

3.1.2 紫金东郡实测结果

2016年6月30日下午15:10～18:20对紫金东郡住区进行室外风速实测，通过中国气象数据网获得测试时间段内大气平均风速为2.1m/s。对4个测点1.5m高处风速进行同步收集，实测持续3h，每个测点收集了10组数据（图6），将获得数据整理得到表3。

将各测点数据整理后，以风速大于1m/s的概率和平均风速两个指标来比较各测点风速的情况。通过表3可知，测点3风速大于1m/s概率为40%，测点2、4风速大于1m/s的概率为30%，但仅有测点3的平均风速大于1m/s，满足夏季基本通风需求。测点1风速大于1m/s的概率为0，通风效果表现不佳。综合来看，四个测点通风效果为测点3＞测点2>测点4>测点1。

3.2 软件模拟结果

3.2.1 阿尔卡迪亚室外风环境模拟结果分析

通过软件模拟发现，在当日风环境条件下阿尔卡迪亚大部分区域风速偏低，小区南部出现大面积低风速区域，仅东门入口广场处和综合楼周围风速较理想（图7）。由于风向为162°、南偏东，而最南侧一排建筑8、9、10、11号楼楼层较高，分别为18层、17层、17层以及16层，高层建筑对来流风遮挡严重，导致小区南部大部分区域风速较低且出现大面积静风区域（图8，空白部分为静风区域），而静风区不利于空气循环流通。

表1 实测当日风参数

表2 阿尔卡迪亚各测点风速情况

表3 紫金东郡各测点风速情况

7 阿尔卡迪亚夏季1.5m 处风速云图

8 阿尔卡迪亚夏季1.5m 处静风区域

9 阿尔卡迪亚实测结果与模拟结果对比

10 紫金东郡室外1.5m 高度风速云图

11 紫金东郡夏季1.5m 处静风区域

12 紫金东郡实测结果与模拟结果对比

再对实测结果和模拟结果进行对比。在实测中测点1位于南门处，测点2位于东门广场上，测点3位于综合楼与3号楼间的人行道处，测点4位于5号楼和8号楼间的景观绿地中。将这些测点对应到模拟结果中，如图7中红点所示。模拟结果中测点1位于静风区，风速最小为0.89m/s；测点2与测点3所在位置风速较好，分别为2.66m/s和2.34m/s；测点4风速为1.72m/s，小于测点2、3。总体情况为测点2>测点3>测点4>测点1。而实测结果为测点2>测点3>测点1>测点4，测点1和测点4的风速在模拟中结果不同于实测（图9）。我们认为主要原因在于测点4位于景观绿地中，四周植物对风速遮挡效果明显，而模拟中并未考虑植物影响，导致测点4结果优于测点1。从结果数据对比来看，模拟结果普遍大于实测结果，从各测点数值比较来看，模拟结果与实测结果存在一定相关性。

3.2.2 紫金东郡室外风环境模拟结果分析

通过模拟发现，紫金东郡在当日的风环境下小区内部风速普遍很低，仅南侧第一排建筑间风速较高（图10）。由于主导风向为191°，建筑后方形成了大面积风影区。在建筑的影响下，整个小区北侧都处在低速风的控制中，形成大面积静风区（图11）。

在实测中测点1位于西门停车库东侧，测点2位于小区北侧主要活动场地中，测点3位于小区东部居民健身活动场地，测点4位于小区南侧活动广场上。将这些实测点对应到模拟结果中，如图10中红点所示。发现测点1完全处于静风区中，测点2与测点4在静风区边缘，仅测点3处风速大一些。结合紫金东郡风环境软件模拟图得出，测点1风速为0.62m/s，测点2风速为1.12m/s，测点3风速为1.41m/s，测点4风速为1.09m/s（图12）。模拟结果为测点3>测点2>测点4>测点1，与实测结果相同。对比二者结果数值可知，模拟结果普遍大于实测结果，但二者结果中各测点大小的关联性是一致的。

3.3 优化策略

从阿尔卡迪亚实测结果中可以看出，测点4通风效果较差是由于建筑周围的绿化过多，不利于建筑的自然通风。应根据徐州的气候特征选择合适的树种，并在形状、高度方面进行配合。乔木、灌木与树篱在引导气流运动方面作用也各不相同，高大的乔木底部敞开，能使吹过的风向上移动。建筑的南侧种植落叶乔木，在炎热的夏季茂密的树叶可遮挡太阳福射，而在寒冷的冬季也可保证良好的日照。

从紫金东郡实测结果中可以看出，夏季由于东风的作用，居住区内部风压呈现东大西小，导致测点1完全处于静风区中，不利于空气流动，容易发生污染物沉积。这种情况下，可通过调整建筑布局、间距、朝向使小区内风速得到提高。

4 研究结论

通过对比阿尔卡迪亚与紫金东郡室外风环境的现场实测结果与软件模拟结果，探索两种结果之间的关联，得出以下结论：1）软件模拟数值普遍大于实测数值，我们认为实测时数据结果会受到周围植物遮挡、行人甚至操作者的影响导致数值偏小，而软件模拟则在一个较为理想的条件中模拟出结果；2）实测与模拟结果具有关联性。通过分析两居住区的实测与模拟结果，发现各测点之间的大小关系基本是一致的；3）植物配置是改善风环境设计较为灵活的方式之一，植物可随着季节的变化而生长改变，在不同的季节起到不同的作用，同时植被对气流具有引导作用，高密度的植物分布能够改变空气气流的运动方向，植物的合理布置可形成夹道，对风进行引导或者根据需要改变气流路径。